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XXX學(xué)院第八章智能儀器——XXX學(xué)校8.4智能儀器實(shí)例分析8.1

智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)與工作原理8.3智能儀器研制方法目錄8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法

智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子測量儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微處理器或微型計(jì)算機(jī)的測量儀器。

由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運(yùn)算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用，因而被稱為智能儀器。8.1概述

8.1.1研制背景

自從1971年世界上出現(xiàn)了第一款微處理器（美國Intel公司4004型4位微處理器芯片）以來，微計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

智能儀器的出現(xiàn)和發(fā)展可以從其對傳統(tǒng)儀器的改進(jìn)和新型儀器的出現(xiàn)兩方面來加以分析。第一款微處理器（美國Intel公司4004型4位微處理器）8.1.2發(fā)展歷程

智能儀器是一類新型、內(nèi)部帶有微處理器或單片機(jī)的微機(jī)化電子儀器，它是在傳統(tǒng)電子儀器的基礎(chǔ)上結(jié)合微處理器技術(shù)、總線技術(shù)、通信技術(shù)發(fā)展而來的。

回顧電子測量儀器的發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)，從其所使用的器件來看大致經(jīng)歷了三個階段，即真空管時(shí)代、晶體管時(shí)代、集成電路時(shí)代，各階段簡要說明如下。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法第一代：模擬式電子測量儀器（又稱指針式測量儀器）

主要特點(diǎn)：體積大、功能簡單、精度低、響應(yīng)速度慢。第二代：數(shù)字式電子測量儀器

主要特點(diǎn)：精度高，速度快，讀數(shù)清晰，直觀，便于遙控遙測，其結(jié)果既能以數(shù)字形式輸出顯示，還可以通過打印機(jī)打印輸出。第三代：智能型電子測量儀器（簡稱智能儀器）

主要特點(diǎn)：內(nèi)部含有微處理器（或單片機(jī)），具有數(shù)據(jù)存儲、運(yùn)算和邏輯判斷等能力，能根據(jù)被測參數(shù)的變化自動選擇量程，可實(shí)現(xiàn)自動校正、自動補(bǔ)償、自尋故障、以及遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)、遙測遙控等功能。

智能型電子測量儀器是目前應(yīng)用最廣泛的一類儀器。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法8.1.3發(fā)展趨勢1、

微型化

微型化是指將微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于智能儀器的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，從而使儀器體積較小、功能齊全的智能儀器。2、

智能化

智能儀器的進(jìn)一步發(fā)展將含有一定的人工智能，這樣就可無需人的干預(yù)而自主的完成檢測或控制功能。3、

虛擬化

數(shù)據(jù)分析和顯示用PC機(jī)的軟件來完成，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測量儀器。這種基于PC機(jī)的測量儀器稱為虛擬儀器—VI(VirtualInstrument)。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法8.1.4主要功能8.1智能儀器概述1、具有友好的人—機(jī)對話2、自動校正零點(diǎn)、滿度和切換量程3、多點(diǎn)快速檢測4、自動修正各類測量誤差5、數(shù)字濾波6、數(shù)據(jù)處理7、控制各種規(guī)律8、多種輸出形式9、數(shù)據(jù)通信10、自診斷和故障監(jiān)控11、掉電保護(hù)8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法8.2.1基本硬件結(jié)構(gòu)

智能儀器通常是指采用了微處理器（或單片機(jī)）所開發(fā)的電子儀器。

從智能儀器的角度看，微處理器或單片機(jī)包含于電子儀器中，它們及其部件是智能儀器的一個組成部分；

從計(jì)算機(jī)的角度看，信號采集電路、通信接口等與鍵盤及顯示器等部件一樣，可看作是微處理器的外圍設(shè)備。

因此，智能儀器實(shí)際上是一個專用的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它主要由硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分組成。8.2基本結(jié)構(gòu)與工作原理8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法1、

硬件平臺

智能儀器的硬件平臺部分主要包括：主機(jī)電路模擬量輸入輸出通道、人機(jī)聯(lián)系部件與接口電路、標(biāo)準(zhǔn)通信接口等，其硬件平臺基本結(jié)構(gòu)如圖所示。圖8-6智能儀器硬件平臺基本結(jié)構(gòu)8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法

智能儀器以微處理器為核心，通過總線及接口與輸入通道、抗混疊濾波器、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、三態(tài)緩沖器等部分進(jìn)行通信。

主機(jī)電路用來存儲程序、數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)算和處理，通常由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、輸入輸出（I/O）接口電路等組成，其本身就是一個單片微型計(jì)算機(jī)。

輸入通道將被測量的電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和分析。

輸出通道通常是決定儀器測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵部分。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法

在儀器輸出部分，如果要求模擬輸出，則需要經(jīng)過輸出通道，包括D/A轉(zhuǎn)換器、多路分配器、采樣保持器、低通濾波器等部分。儀器數(shù)字輸出可與屏幕顯示器相連，也可以與磁盤、光盤或打印機(jī)相連，以獲得硬拷貝。

人機(jī)聯(lián)系部件的作用是溝通操作者與儀器之間的聯(lián)系，它主要由儀器面板中的鍵盤、開關(guān)、按鈕及顯示器等組成。鍵盤是在微處理器管理和控制下工作的，通過鍵盤，使用者可以選擇儀器功能和量程。

儀器所用硬件器件的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)工藝是影響可靠性的重要因素，故應(yīng)合理選擇元器件和采用在極限情況下進(jìn)行試驗(yàn)的方法。

8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法2、

應(yīng)用軟件智能儀器的應(yīng)用軟件部分主要包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分。

8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法8.2.2

基本工作原理圖8-7智能儀器基本工作原理8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法

智能儀器的研制開發(fā)是一個較為復(fù)雜的過程。為完成儀器的功能，實(shí)現(xiàn)儀器的指標(biāo)，提高研制效率，并能取得一定的研制效益，應(yīng)遵循正確的設(shè)計(jì)原則、按照科學(xué)的研制步驟來開發(fā)智能儀器。8.3.1總體需求分析1、設(shè)計(jì)目的2、形式要求3、供電方式4、外形及環(huán)境適應(yīng)性要求8.3智能儀器研制方法8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法5、采樣策略的要求及實(shí)現(xiàn)方法6、模擬電路要求7、數(shù)字電路要求8.3.2設(shè)計(jì)基本要求1、功能及技術(shù)指標(biāo)要求2、可靠性要求3、操作和維護(hù)要求4、儀器工藝結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)要求8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法8.3.3設(shè)計(jì)基本原則1、

自頂向下設(shè)計(jì)原則1)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)儀器功能和設(shè)計(jì)要求提出儀器設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)，并繪制硬件和軟件總框圖(總體設(shè)計(jì))。2)

將任務(wù)分解成一批可獨(dú)立表征的子任務(wù)，這些子任務(wù)還可以再向下分，直到每個低級的子任務(wù)足夠簡單，可以直接而且容易地實(shí)現(xiàn)為止。

這些低級子任務(wù)可采用某些通用模塊，并可作為單獨(dú)的實(shí)體進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，從而能夠以最低的難度和最高的可靠性組成高一級的模塊。

在硬件或軟件設(shè)計(jì)時(shí)，把難處理的問題，分為若干個較簡單的、容易處理的問題，然后再一個個地加以解決。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法2、

開放式設(shè)計(jì)原則1)“開放系統(tǒng)”設(shè)計(jì)思想①

在技術(shù)上兼顧今天和明天，既從當(dāng)前實(shí)際可能出發(fā)，又留下容納未來新技術(shù)機(jī)會的余地；②

向系統(tǒng)的不同配套檔次開放，在經(jīng)營上兼顧設(shè)計(jì)周期和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并著眼于社會的公共參與，為發(fā)揮各方面廠商的積極性創(chuàng)造條件；③

向用戶不斷變化的特殊要求開放，在服務(wù)上兼顧通用的基本設(shè)計(jì)和用戶的專用要求等等。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法2)“開放系統(tǒng)”設(shè)計(jì)方法①

基于國際上流行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)總線結(jié)構(gòu)，針對不同的用戶系統(tǒng)要求，選用相應(yīng)的有關(guān)功能模塊組合成最終用戶的應(yīng)用系統(tǒng)；②

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將主要精力放在分析設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定總體結(jié)構(gòu)，選擇系統(tǒng)配件等方面，而不是放在部件模塊設(shè)計(jì)及用于解決專用軟件的開發(fā)設(shè)計(jì)上。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法3、

組合設(shè)計(jì)原則1)“組合化”設(shè)計(jì)思想①

開放式體系結(jié)構(gòu)和總線系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，導(dǎo)致了工業(yè)測控系統(tǒng)采用組合化設(shè)計(jì)方法的流行，不同的應(yīng)用系統(tǒng)選用成熟的現(xiàn)成硬件模板和軟件進(jìn)行組合。②

設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是模塊化，硬、軟件功能模塊化是實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。2)“組合化”設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)①

系統(tǒng)劃分成若干硬、軟件產(chǎn)品的模塊，由專門的研究機(jī)構(gòu)完善地設(shè)計(jì)，現(xiàn)成的功能模塊迅速配套成各種應(yīng)用系統(tǒng)，簡化設(shè)計(jì)并縮短設(shè)計(jì)周期。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構(gòu)及工作原理8.3智能儀器研制方法②

結(jié)構(gòu)靈活。便于擴(kuò)充和更新，使系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)。在使用中可根據(jù)需要通過更換一些模板或進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改裝以滿足不斷變化的特殊要求。③

維修方便快捷。在故障出現(xiàn)時(shí)，只需更換IC芯片或功能模板即可。④

功能模板可以組織批量生產(chǎn)，使質(zhì)量穩(wěn)定并降低成本。8.4智能儀器實(shí)例分析8.1智能儀器概述8