智能仪器讲稿-第一章.pdf

测控仪器设计测控仪器设计教材：《智能仪器设计基础》 赵新民主编 哈尔滨工业大学出版社教材：《智能仪器设计基础》 赵新民主编 哈尔滨工业大学出版社第一章第一章绪言绪言一一．．智能仪器：又称微机化仪器智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的 产物，是含有微计算机或微处理器的具有自 动测量能力与数据处理能力的 测量仪器智能仪器：又称微机化仪器智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的 产物，是含有微计算机或微处理器的具有自 动测量能力与数据处理能力的 测量仪器智能仪器的智能功能智能仪器的智能功能• 模糊判断模糊判断 • 故障诊断故障诊断 • 容错技术容错技术 • 传感器融合传感器融合 • 机件寿命预测机件寿命预测 • 测量过程自动化（自动量程切换；自校准等）测量过程自动化（自动量程切换；自校准等） • 测量结果的数据处理（向测试专家系统发展）测量结果的数据处理（向测试专家系统发展） • 一机多用（多功能化）一机多用（多功能化）智能化测量控制仪表的功能特点智能化测量控制仪表的功能特点智能化测量控制仪表的功能特点智能化测量控制仪表的功能特点• 普通数字电压表的原理框图滤波器、衰减器滤波器、衰减器被测电压被测电压放大器放大器A/D转换器转换器参考电压参考电压显示器显示器智能化测量控制仪表的功能特点智能化测量控制仪表的功能特点智能化测量控制仪表的功能特点智能化测量控制仪表的功能特点• 智能化数字电压表的原理框图滤波器、衰减器被测电压放大器A/D转换器参考电压显示器基准电压K单片机PCBPCB自动测试机自动测试机自动测试机自动测试机硬件的发展和创新（硬件的发展和创新（1 1））• 微计算机芯片微计算机芯片 – 1位；位；4位；位；8位；位；16位；位；32位；向位；向64位发展位发展– 通用化、工业化大规模生产通用化、工业化大规模生产 • DSP（数字信号处理器）芯片（数字信号处理器）芯片 – AD公司；公司；TI公司公司 • ASIC（专用集成电路）芯片（专用集成电路）芯片 – 可编程逻辑器件：可编程逻辑器件：ASIC、、CPLD、、FPGA硬件的发展和创新（硬件的发展和创新（2 2））• 1959年仙童公司推出第一个硅平面晶体管商品，开始了芯片 产品第一个通用循环周期。

其后不久仙童公司又推出面向计 算器、电视机的专用标准构件，标志着IC产品进入第一个专 用循环周期70年代Intel公司开发成功微处理器芯片，使IC 产品上升到一个新的通用循环80年代随着设计工具的发展 推动了一个产品满足一个用户要求的专用集成电路(ASIC)发 展，使IC产品进入高一级的专用循环90年代初又发展出了 可编程门阵列(FPGA)，用户可进行软编程反复改变硬件功能， 又进行新一轮的准通用循环随着ASIC技术的积累，IC开 始向片上系统(SoC)发展，SoC实质上是更高一级的专用系统 随着通用-专用模式的交替发展，硬件软件的界限开始模糊 起来，IC设计进入了基于可重用知识产权(IP)库的设计阶段二二智能仪器的基本结构智能仪器的基本结构• 微机内置式微机内置式 – 将单片或多片的微机芯片与仪器有机结合在一起形 成的单机将单片或多片的微机芯片与仪器有机结合在一起形 成的单机 – 微机芯片组合在仪器内部微机芯片组合在仪器内部—专用性好，便携专用性好，便携 • 微机扩展式微机扩展式 – 以个人计算机（以个人计算机（PC）为核心的应用扩展型测量仪器）为核心的应用扩展型测量仪器 – 由由PC机加配各种扩展卡，充分利用机加配各种扩展卡，充分利用PC机的功能， 又称个人仪器。

机的功能， 又称个人仪器微机内置式微机内置式1．模拟测量：．模拟测量：被测量输入， 传感器变换，放大器或衰减器 （量程切换），被测量输入， 传感器变换，放大器或衰减器 （量程切换），A/D转换 2 ．微计算机部分：．微计算机部分： CPU，内部总线（数据﹑地 址﹑控制），接口，内部总线（数据﹑地 址﹑控制），接口—实现逻 辑﹑电平﹑时序的匹配实现逻 辑﹑电平﹑时序的匹配 3 ．存储器：．存储器：程序程序—ROM， 暂存数据， 暂存数据—RAM 4 ．操作面板：．操作面板：显示：显示：LED （（Light Emitting Diode） ，） ， LCD(Liquid Crystal Display)， 键盘，开关，按钮 键盘，开关，按钮 5 ．模拟输出：．模拟输出：D/A转换，曲线记录与显示，模拟控制转换，曲线记录与显示，模拟控制 6 ．数字输入．数字输入/输出：输出： 数字显示与记录，数字控制，仪器通信数字显示与记录，数字控制，仪器通信—通过外部总线以构成系统通过外部总线以构成系统 7 ．中断申请输入．中断申请输入• 输入通道（决定仪器测量准确度的关键部位）输入通道（决定仪器测量准确度的关键部位） – 输入放大器；抗混叠滤波器；多路转换器；采样输入放大器；抗混叠滤波器；多路转换器；采样/保 持器、保 持器、A/D转换器；三态缓冲器转换器；三态缓冲器 • 输出通道输出通道 – 模拟输出：模拟输出：D/A转换器；多路分配器；采样转换器；多路分配器；采样/保持器、 低通滤波器保持器、 低通滤波器 – 数字输出：数字输出：CRT显示器；磁盘；光盘；绘图仪；打 印机显示器；磁盘；光盘；绘图仪；打 印机 • CPU（单片机；（单片机；DSP等）等）• 仪器面板仪器面板 • 仪器内存仪器内存个人计算机仪器（个人计算机仪器（个人计算机仪器（个人计算机仪器（PCIPCI））））硬拷贝数据处理数据/模拟输出IEEE488/RS232C局部网络应用软件输入插件箱屏幕输出电量非电量开关量或 逻辑电平虚拟仪器（虚拟仪器（虚拟仪器（虚拟仪器（VIVI））））• 虚拟仪器指的是具有虚拟仪器面板的个 人计算机，它由通用的个人计算机，模 块化的功能硬件和控制软件所组成。

操 作人员通过友好的图形用户界面以及图 形化的编程语言来控制仪器运行，以完 成数据采集、数据分析，并且显示最终 的数据结果，它和传统仪器最大的不同 之处，就在于应用的灵活性、功能的可 重构性上虚拟仪器指的是具有虚拟仪器面板的个 人计算机，它由通用的个人计算机，模 块化的功能硬件和控制软件所组成操 作人员通过友好的图形用户界面以及图 形化的编程语言来控制仪器运行，以完 成数据采集、数据分析，并且显示最终 的数据结果，它和传统仪器最大的不同 之处，就在于应用的灵活性、功能的可 重构性上计算机和仪器的密切结合计算机和仪器的密切结合计算机和仪器的密切结合计算机和仪器的密切结合• 虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Instrumention）是基于计 算机的仪器计算机和仪器的密切结合是目前 仪器发展的一个重要方向粗略地说这种结合 有两种方式，）是基于计 算机的仪器计算机和仪器的密切结合是目前 仪器发展的一个重要方向粗略地说这种结合 有两种方式，一种是将计算机装 入仪器一种是将计算机装 入仪器，其典 型的例子就是所谓智能化的仪器随着计算机 功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类 仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入 式系统的仪 器。

其典 型的例子就是所谓智能化的仪器随着计算机 功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类 仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入 式系统的仪 器另一种方式是将仪器装入计算 机另一种方式是将仪器装入计算 机以通用的计算机硬件及操作系统为依托， 实现各种仪器功能虚拟仪器主要是指这种方 式以通用的计算机硬件及操作系统为依托， 实现各种仪器功能虚拟仪器主要是指这种方 式虚拟仪器的主要特点虚拟仪器的主要特点虚拟仪器的主要特点虚拟仪器的主要特点1. 尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差 异主要是软件 2. 可充分发挥计算机的能力，有强大的数 据处理功能，可以创造出功能更强的仪 器 3. 用户可以根据自己的需要定义和制造各 种仪器1. 尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差 异主要是软件 2. 可充分发挥计算机的能力，有强大的数 据处理功能，可以创造出功能更强的仪 器 3. 用户可以根据自己的需要定义和制造各 种仪器虚拟仪器的发展过程虚拟仪器的发展过程1. GPIB→→VXI→→PXI总线方式（适合大型 高精度集成系统）总线方式（适合大型 高精度集成系统）GPIB 于于1978年问世，年问世， VXI于于1987年问世，年问世，PXI于于1997年问世。

年问世 2. PC插卡→并口式→串口插卡→并口式→串口USB方式（适合 于普及型的廉价系统，有广阔的应用发 展前景）方式（适合 于普及型的廉价系统，有广阔的应用发 展前景）PC插卡式于插卡式于80年代初问世， 并行口方式于年代初问世， 并行口方式于1995年问世，串口年问世，串口USB方 式于方 式于1999年问世虚拟仪器发展的三个重要因素虚拟仪器发展的三个重要因素1. 计算机是载体计算机是载体 2. 软件是核心软件是核心 3. 高质量的高质量的A/D采集卡及调理放大器是关 键采集卡及调理放大器是关 键虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器与传统仪器的比较技术更新周期长（5--10年）技术更新周期短（1--2年）开发与维护开销高开发与维护费用降至最低功能单一，只能连接有限的独立设备可以与网络及周边设备方便连接只有厂家能定义仪器功能用户可定义仪器功能价格昂贵，仪器间一般无法相互利用价格低廉，仪器间资源可重复利用率高关键是硬件，升级成本较高，且升级必 须上门服务关键是软件，系统性能升级方便，通过 网络下载升级程序既可封闭性、仪器间相互配合较差开放性、灵活，可与计算机技术保持同 步发展技术更新周期长（5--10年）技术更新周期短（1--2年）开发与维护开销高开发与维护费用降至最低功能单一，只能连接有限的独立设备可以与网络及周边设备方便连接只有厂家能定义仪器功能用户可定义仪器功能价格昂贵，仪器间一般无法相互利用价格低廉，仪器间资源可重复利用率高关键是硬件，升级成本较高，且升级必 须上门服务关键是软件，系统性能升级方便，通过 网络下载升级程序既可。

封闭性、仪器间相互配合较差开放性、灵活，可与计算机技术保持同 步发展传 统 仪 器虚 拟 仪 器传 统 仪 器虚 拟 仪 器美国国家仪器公司与虚拟仪器美国国家仪器公司与虚拟仪器美国国家仪器公司与虚拟仪器美国国家仪器公司与虚拟仪器 • 美国国家仪器公司美国国家仪器公司NI（（National Instruments） 提出的虚拟测量仪器（） 提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统 仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络 技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合 起来，从而开创了）概念，引发了传统 仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络 技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合 起来，从而开创了“软件即是仪器软件即是仪器”的先河 “软件即是仪器软件即是仪器”这是这是NI公司提出的虚拟仪器理 念的核心思想从这一思想出发，基于电脑或 工作站、软件和公司提出的虚拟仪器理 念的核心思想从这一思想出发，基于电脑或 工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器部件来构建虚拟仪器I/O 部件可以是独立 仪器、模块化仪器、数据采集 板（部件可以是独立 仪器、模块化仪器、数据采集 板（DAQ）或传感器或传感器。

NI所拥有的虚拟仪器 产品包括软件产品（如所拥有的虚拟仪器 产品包括软件产品（如LabVIEW）、）、GPIB产 品、数据采集产品、信号处理产 品、图像采集 产品、产 品、数据采集产品、信号处理产 品、图像采集 产品、DSP产品和产品和VXI控制产品等控制产品等基于基于基于基于LabViewLabView的虚拟仪器系统的虚拟仪器系统的虚拟仪器系统的虚拟仪器系统1. 实现了测量过程的软件控制，提高了仪器的自 动化程度，实现了自动量程，自动校准等 2. 通过数据处理，改善了测量的准确度，实现了 测量结果的再加工。