測控技術(shù)與儀器專業(yè)必修課*智能儀器設(shè)計11了解原理教學(xué)目標(biāo)掌握智能儀器設(shè)計的基本原理掌握技術(shù)了解智能儀器設(shè)計的發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)提高實踐搭建實驗及課設(shè)平臺，采用科學(xué)實驗方法獲取實驗數(shù)據(jù)并分析增強(qiáng)創(chuàng)新增強(qiáng)解決工程問題及實踐能力，提高創(chuàng)新能力教學(xué)目標(biāo)*2本門課程的特點：1、是測控技術(shù)與儀器學(xué)科的專業(yè)課2、課程具有很強(qiáng)實踐性（課程設(shè)計）3、課程涉及的知識面廣（國外最新進(jìn)展）4、是一門工程性（實際工程項目）、應(yīng)用性（電子競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽）都非常強(qiáng)的課程課程特點3思考？你自己學(xué)習(xí)這門課程的目的？（1）拿到學(xué)分，考試順利通過（2）學(xué)習(xí)專業(yè)知識，為畢設(shè)打基礎(chǔ)（3）提高動手能力，為將來工作準(zhǔn)備（4）參加電子競賽，提高專業(yè)技能教學(xué)目的4（1）學(xué)分公共基礎(chǔ)課，專業(yè)基礎(chǔ)課，專業(yè)學(xué)位課（2）畢設(shè)畢設(shè)題目、課程設(shè)計、電子競賽，如何著手（3）技能整機(jī)角度，掌握儀器設(shè)計方法，工程項目（4）動手能力知識運用（實驗、課程設(shè)計），提高動手能力，獨當(dāng)一面本門課程的教學(xué)目的：教學(xué)目的5側(cè)重對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)側(cè)重對學(xué)生硬件方面的培養(yǎng)對學(xué)生進(jìn)行軟件、硬件相結(jié)合的能力的培養(yǎng)重視給學(xué)生建立系統(tǒng)和整體概念重視學(xué)生獨立工作能力的培養(yǎng)本門課程的具體教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)*187智能儀器概念及基本組成結(jié)構(gòu)●內(nèi)嵌式

●擴(kuò)展式（1）微處理器（2）模擬量輸入/輸出通道（3）數(shù)據(jù)/程序存儲器（4）人機(jī)接口（5）通信接口課程核心知識體系主要知識點匯總1、智能儀器的概念2、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點

4個層次、2種結(jié)構(gòu)、5個特點一、緒論89主要知識點匯總1、智能儀器的微處理器主要有哪些系列2、串行外設(shè)接口（SPI）基本原理3、單片機(jī)待機(jī)和掉電方式的異同4、在應(yīng)用編程IAP5、機(jī)器周期、指令周期、時鐘周期的異同二、處理器技術(shù)10主要知識點匯總1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)？(有哪幾種，特點？)2、放大器（1）為什么要“前置”，即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？（2）放大器倍數(shù)的選擇；（3）通用運算放大器的主要參數(shù)三、數(shù)據(jù)采集技術(shù)11主要知識點匯總3、模擬多路開關(guān)（模擬多路轉(zhuǎn)換器）（1）導(dǎo)通時內(nèi)阻的影響？（2）關(guān)斷時漏電流的影響？4、采樣保持電路（1）工作原理（2）主要參數(shù)（孔徑時間、捕捉時間、保持電壓下降率）（3）采樣/保持器設(shè)置原則12主要知識點匯總5、A/D轉(zhuǎn)換器（1）ADC的位數(shù)選擇（2）ADC的速率選擇（3）ADC的量化誤差及其特性曲線（4）ADC的啟動方式（5）Σ-△型A/D轉(zhuǎn)換器（過采樣、量化噪聲整形、數(shù)字抽取濾波）13主要知識點匯總6、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析（重點）（1）采樣誤差（2）模擬電路誤差（傳感器誤差、放大器誤差、多路模擬開關(guān)誤差、采樣保持器誤差）（3）A/D轉(zhuǎn)換器誤差（線性誤差、量化誤差、溫度漂移誤差）（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分配示例※14主要知識點匯總1、模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)2、常用驅(qū)動電路3、利用模擬量輸出實現(xiàn)任意波形發(fā)生器4、DDS原理四、模擬量與控制信號輸出技術(shù)15主要知識點匯總鍵盤、LED、LCD顯示器、觸摸屏等內(nèi)容，不是課程重點。五、人機(jī)接口技術(shù)16主要知識點匯總1、模擬信道和數(shù)字信道帶寬2、信道容量、比特率與波特率3、誤碼率與編碼效率4、差錯控制技術(shù)（1）處理差錯的基本策略（2）常用檢錯碼概念、計算

（奇偶校驗、CRC校驗）六、通信接口技術(shù)17主要知識點匯總5、模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制6、時分多路復(fù)用和頻分多路復(fù)用7、數(shù)據(jù)傳輸方式（1）不同傳輸方式（總線）的特點（2）RS232、485、422的特點、性能比較8、無線通訊方式（ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙、NFC、紅外、UHF、GPRS性能比較）18主要知識點匯總1、儀器自檢方式、自檢內(nèi)容2、ROM、RAM、總線等自檢方法3、量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)的一般要求（測量速度、確定性、安全性）4、看懂量程自動轉(zhuǎn)換電路舉例（重點）（重點是：流程圖）七、自檢與量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)※19主要知識點匯總1、串模干擾和共模干擾的概念、特點及抑制措施2、干擾的耦合途徑3、硬件抗干擾技術(shù)（1）常用硬件抗干擾技術(shù)種類、特點、實現(xiàn)方法（2）“地”的種類、接地方法4、軟件抗干擾技術(shù)（1）軟件抗干擾都有那些實現(xiàn)方法（2）軟件陷阱的定義、實現(xiàn)方法等八、抗干擾技術(shù)20主要知識點匯總1、鏈表的插入、刪除和查找原理2、順序存儲和鏈?zhǔn)酱鎯?、系統(tǒng)誤差模型的建立方法4、零位誤差和增益誤差的定義、校正方法5、常用的數(shù)字濾波技術(shù)的特點、實現(xiàn)方法6、標(biāo)度變換的概念、計算方法九、數(shù)據(jù)處理及程序設(shè)計21主要知識點匯總用狀態(tài)矩陣法設(shè)計監(jiān)控程序的設(shè)計步驟

1）繪制狀態(tài)圖

2）編制狀態(tài)表

3）編碼按鍵

4）設(shè)計程序流程圖5）狀態(tài)矩陣法的優(yōu)點7、監(jiān)控程序設(shè)計（重點）※22主要知識點匯總1、智能儀器設(shè)計的基本要求、基本步驟2、微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器方案選擇依據(jù)十、智能儀器設(shè)計實例教學(xué)計劃（共48學(xué)時，授課學(xué)時：40學(xué)時）1、緒論（2學(xué)時）課程介紹（2學(xué)時）12、智能儀器的硬件技術(shù)（16學(xué)時）微處理器技術(shù)（2學(xué)時）2數(shù)據(jù)采集技術(shù)（8學(xué)時）3456模擬量與控制輸出技術(shù)（2學(xué)時）7人機(jī)接口技術(shù)（1學(xué)時）8課程設(shè)計要求（1學(xué)時）通信接口技術(shù)（2學(xué)時）9課程內(nèi)容3、智能儀器的軟件技術(shù)（12學(xué)時）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序存儲技術(shù)（1學(xué)時）10誤差處理與校正技術(shù)（1學(xué)時）數(shù)字濾波與標(biāo)度變換技術(shù)（2學(xué)時）11監(jiān)控程序設(shè)計（2學(xué)時）12基于人工智能理論的信息處理技術(shù)（2學(xué)時）13自檢技術(shù)&量程自動轉(zhuǎn)換技術(shù)（2學(xué)時）14抗干擾技術(shù)（2學(xué)時）154、應(yīng)用實例（2學(xué)時）實例：智能嗅覺/聽覺機(jī)器人的設(shè)計（2學(xué)時）16課程內(nèi)容課程內(nèi)容5、課程設(shè)計與實驗介紹（8學(xué)時）智能儀器設(shè)計方法與設(shè)計過程（2學(xué)時）17課程設(shè)計要求與實驗課程講解（2學(xué)時）18課程設(shè)計報告與評析（4學(xué)時）

1920教學(xué)計劃（共48學(xué)時，實驗學(xué)時：8學(xué)時）序號實驗項目名稱實驗類型學(xué)時主要儀器設(shè)備備注1模擬量輸入輸出虛擬儀器控制實驗綜合性實驗

4示波器、數(shù)字萬用表、微機(jī)、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)、Labview軟件進(jìn)入實驗前自學(xué)單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)實驗、Labview圖形化軟件設(shè)計2用狀態(tài)矩陣法設(shè)計監(jiān)控程序?qū)嶒灳C合性實驗4單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)等

先期學(xué)習(xí)用狀態(tài)矩陣法設(shè)計監(jiān)控程序文獻(xiàn)檢索，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀學(xué)術(shù)調(diào)研，國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀分析隨堂測試，考核知識點實驗報告評分規(guī)范實驗內(nèi)容完成情況實驗結(jié)果評判實驗課程設(shè)計課上小作業(yè)考試課程評價標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)情況考核知識應(yīng)用能力考核形式：書面詳細(xì)設(shè)計/課堂PPT答辯形式團(tuán)隊：3-4人/每組組長負(fù)責(zé)制成果：研制報告（6000字以上）課程的考核方式*26課程的考核方式1、平時考核成績，約占10%2、實驗成績，約占10%3、課程設(shè)計，約占10%4、課程結(jié)業(yè)綜合考試，約占70%本課程總成績的組成27第一章緒論緒論1.1儀器儀表概述1.1.1儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類儀器儀表是信息獲取的手段、是認(rèn)識世界的工具，是一個系統(tǒng)或裝置。最基本的作用：是延伸擴(kuò)展補(bǔ)充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。28緒論★幾何量：長度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測量儀器等★機(jī)械量：各種測力儀、硬度儀、加速度與速度測量儀、力矩測量儀、振動測量儀等★熱學(xué)量：溫度、濕度、流量測量儀器等★光學(xué)量：如光度計、光譜儀、色度計、激光參數(shù)測量儀、光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀等1.1.2八類測試計量儀器29緒論★電離輻射量：各種放射性、核素計量，X、γ射線及中子計量儀器等。時間頻率：各種計時儀器與鐘表、銫原子鐘、時間頻率測量儀等★電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、RLC測量儀、靜電儀、磁參數(shù)測量儀等★無線電參數(shù)：如示波器、信號發(fā)生器、相位測量儀、頻譜分析儀、動態(tài)信號分析儀等30儀器儀表是：國民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”科學(xué)研究的“先行官”現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“戰(zhàn)斗力”法庭審判的“物化法官”對儀器儀表重要性的認(rèn)識緒論31緒論1.1.3儀器儀表的發(fā)展過程●第一代為指針式（或模擬式）儀器儀表●第二代為數(shù)字式儀器儀表●第三代就是智能式儀器儀表32緒論第一代是模擬式電子儀器

基本結(jié)構(gòu)：電磁式

原理：基于電磁測量原理，使用指針來顯示最終的測量結(jié)果

舉例：大量指針式的電壓表、電流表、功率表及一些通用的測試儀器，均是典型的模擬式儀器

特點：這一代儀器功能簡單，精度低，響應(yīng)速度慢指針式電壓/電流表33緒論第二代是數(shù)字式電子儀器基本結(jié)構(gòu)中集成A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。特點：精度高，速度快，讀數(shù)清晰、直觀，結(jié)果可打印輸出，也容易與計算機(jī)通信。同時因數(shù)字信號便于遠(yuǎn)距離傳輸，所以數(shù)字式電子儀器適用于遙測和遙控。電壓/電流數(shù)碼表頭數(shù)字萬用表RLC阻抗測試儀34緒論第三代就是智能儀器在數(shù)字化的基礎(chǔ)上用微處理器裝備起來的，是計算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)物。特點：具有數(shù)據(jù)存儲、運算、邏輯判斷能力，能根據(jù)被測參數(shù)的變化自選量程，可自動校正、自動補(bǔ)償、自尋故障等，具備了一定的智能，故被稱為智能儀器。網(wǎng)絡(luò)分析儀示波功率儀電能質(zhì)量分析儀35智能儀器的概念1.1.4智能儀器的概念智能儀器是含有微計算機(jī)或微處理器的測量(或檢測)儀器，它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，具有一定智能的作用

。1984年：我國儀器學(xué)會成立“自動測試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”；1986年：IMEKO(國際測量聯(lián)合會)以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會；1988年：IFAC(國際自動控制聯(lián)合會)的理事會正式確定“智能元件及儀器”。36智能儀器的概念近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。智能儀器：帶有處理器兼有檢測和信息處理功能的儀器37智能儀器四個層次高級人工智能趨勢模型化系統(tǒng)辨識/模式識別初級智能數(shù)學(xué)運算/信號處理聰敏電子/傳感/測量兼容聰敏儀器類初級智能儀器類

模型化智能儀器類

高級智能儀器類

1.2.1分類1.2智能儀器分類與基本結(jié)構(gòu)智能儀器分類38兩種基本類型:●內(nèi)嵌式

●擴(kuò)展式將單片或多片的微處理器與傳統(tǒng)儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)，其形態(tài)是嵌入式儀器。以計算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測量儀器，其形態(tài)可以是計算機(jī)或微機(jī)擴(kuò)展卡式儀器。智能儀器基本結(jié)構(gòu)

1.2.2智能儀器的基本結(jié)構(gòu)39401.2.3智能儀器實例智能儀器實例多通道數(shù)據(jù)采集裝置（DSP28335+光纖）DSP674x+ARM9DSP28377內(nèi)嵌式智能儀器實例41時空分布大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)智能儀器實例內(nèi)嵌式智能儀器實例——大氣環(huán)境監(jiān)測裝置系統(tǒng)組成：傳感器節(jié)點環(huán)境參數(shù)采集、無線上傳GPRS無線基站GPRS聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲、分析、顯示及歷史數(shù)據(jù)的查詢內(nèi)嵌式智能儀器實例——大氣環(huán)境監(jiān)測裝置42智能儀器實例主要功能：傳感器信號調(diào)理、采集無線通信RTCLED顯示無線通信電路470MHz射頻電源電路顯示電路主控部分信號調(diào)理指示及外部驅(qū)動電路輸出通道阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)射頻通信電路74HC595驅(qū)動電路動態(tài)掃描驅(qū)動電路調(diào)試接口調(diào)試及復(fù)位電路內(nèi)嵌式智能儀器實例——大氣環(huán)境監(jiān)測裝置傳感器節(jié)點：43智能儀器實例GPRS無線通信基站：功能：GPRS聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)無線組網(wǎng)RTC校準(zhǔn)傳感器節(jié)點控制星型結(jié)構(gòu)，基站主動查詢傳感器節(jié)點，已建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基站為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點內(nèi)嵌式智能儀器實例——大氣環(huán)境監(jiān)測裝置44智能儀器實例微處理器無線通信電路電源電路配置串口GPRS模塊SIM卡接口網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示系統(tǒng)組成：GPRS模塊：連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，并通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)無線通信電路：470MHz無線通信配置串口：上位機(jī)對GPRS配置接口網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示：等的閃爍頻率表明連接狀態(tài)SIM卡接口：驅(qū)動SIM卡RS232接口電路復(fù)位及啟動電路啟動電路復(fù)位電路SIM卡接口電路內(nèi)嵌式智能儀器實例——大氣環(huán)境監(jiān)測裝置45智能儀器實例遠(yuǎn)程中央監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)嵌式智能儀器實例——大氣環(huán)境監(jiān)測裝置46智能儀器實例微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器的基本結(jié)構(gòu)個人計算機(jī)總線擴(kuò)展槽軟件儀器插件n通用接口儀器插件2儀器插件1電源PC總線擴(kuò)展底板或外部插件箱…GPIB總線總線類型：PCI總線ISA總線PXI總線LXI總線PC-104PCMCIAUSBGPIB47智能儀器實例48擴(kuò)展式智能儀器實例

—基于物聯(lián)網(wǎng)的城市大氣污染氣體測量裝置智能儀器實例遠(yuǎn)程中央監(jiān)控平臺便攜式氣體檢測儀1)操作自動化儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)切換、數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理以及顯示打印等功能用微處理器控制，實現(xiàn)了測量過程的自動化。2)自測功能自補(bǔ)償、自動校準(zhǔn)、自檢、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等功能。比如：自補(bǔ)償能補(bǔ)償環(huán)境溫/濕度等對被測量的影響，補(bǔ)償輸入的非線性；自校準(zhǔn)能通過校準(zhǔn)零點、增益等來保證自身的準(zhǔn)確度；自檢功能可以在儀器啟動時運行，也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護(hù)；自診斷能檢測出故障的部位甚至故障的原因；量程自動轉(zhuǎn)換能根據(jù)被測量的大小自動切換與其匹配的量程。智能儀器的特點491.3智能儀器的特點主節(jié)點傳感器單元DSP單元無線通訊單元混合氣體辨識嗅覺機(jī)器人自測功能舉例50智能儀器的特點3)數(shù)據(jù)分析和處理功能傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進(jìn)行上述測量，而且還具有對測量結(jié)果進(jìn)行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。如用示波器可測交流功率*。4)友好的人機(jī)對話功能智能儀器能輸出多種形式的數(shù)據(jù)，如通過顯示器或虛擬面板將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及處理結(jié)果以數(shù)字或圖形形式輸出。智能儀器的特點51自確認(rèn)壓力傳感器原理框圖自確認(rèn)壓力傳感器信息處理功能舉例52智能儀器的特點5)可程控操作能力一般都配有GPIB、RS232/485、USB、CAN、LAN等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，方便與PC機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。不是所有的智能儀器都必須具備上述所有功能，在設(shè)計具體的智能儀器時應(yīng)根據(jù)實際需要確定其功能。智能儀器的特點注意：5354輸入輸出通道及通信接口功能舉例

放大濾波電路三維加速度傳感器gx,gy,gz三維磁通門傳感器Hx,Hy,Hz加速度計放大濾波電路磁通門放大