《智能儀器設計》智能儀器設計方法與設計過程智能儀器設計原則及方法智能儀器設計的基本要求及原則1智能儀器的研制步驟2內(nèi)容導航智能儀器設計實例3智能儀器設計的基本要求

1.技術及功能指標

2.可靠性

3.便于操作和維護

4.工藝結構與造型設計

主要技術指標

精度、分辨力、測量范圍、工作環(huán)境條件、穩(wěn)定性經(jīng)濟指標

研制投入、市場價格、需求量、利稅、節(jié)能應具備的功能

輸出、人機對話、通信、報警提示、儀器狀態(tài)的自動調(diào)整等技術指標及功能要求

應采取各種措施提高儀器的可靠性，從而保證儀器能長時間穩(wěn)定工作。

可靠性設計與實驗硬件可靠性設計軟件可靠性設計

EMC設計提高可靠性的措施硬件可靠性設計：提高可靠性的措施合理選擇元器件對元器件的負載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術參數(shù)應留有一定的余量對元器件進行老化和篩選極限情況試驗進行低溫、高溫、沖擊、振動、干擾、煙霧等試驗，以保證其對環(huán)境的適應性軟件可靠性設計：提高可靠性的措施模塊化設計方法易于編程和調(diào)試可減小軟件故障率提高軟件的可靠性軟件全面測試檢驗錯誤排除故障

在儀器設計過程中，應考慮操作方便，盡量降低對操作人員的專業(yè)知識的要求，以便產(chǎn)品的推廣應用。儀器的控制開關或按鈕不能太多、太復雜，操作程序應簡單明了，從而使操作者無需專門訓練，便能掌握儀器的使用方法。

易操作性便于操作與維護

智能儀器應有很好的可維護性，為此，儀器結構要規(guī)范化、模塊化，并配有現(xiàn)場故障診斷程序，一旦發(fā)生故障，能保證有效地對故障進行定位，以便更換相應的模塊，使儀器盡快地恢復正常運行。

可維護性便于操作與維護

儀器結構工藝:是影響可靠性的重要因素，首先要依據(jù)儀器工作環(huán)境條件，是否需要防水、防塵、防爆密封，是否需要抗沖擊、抗振動、抗腐蝕等要求，設計工藝結構；

儀器的造型設計:總體結構的安排、部件間的連接關系、面板的美化等都必須認真考慮，最好由結構專業(yè)人員設計，使產(chǎn)品造型優(yōu)美、色澤柔和、外廓整齊、美觀大方。儀器工藝結構與造型設計要求智能儀器的研制步驟確定設計任務硬件和軟件研制軟硬件綜合調(diào)試整機性能測試和評估

三個階段

擬定方案論證方案可行性1.確定設計任務、擬定設計方案項目調(diào)研,了解現(xiàn)狀和動向，明確任務、確定指標功能

寫出設計任務書

擬定設計方案

擬定設計方案

《智能儀器設計任務書》硬件與軟件的劃分、折衷確定系統(tǒng)的構成、給出工作框圖硬件設計方案軟件設計方案2．硬件、軟件研制階段

硬件研制采用功能強的芯片以簡化電路修改和擴展，硬件資源需留有足夠的余地自診斷功能，需附加設計有關的監(jiān)測報警電路硬件抗于擾措施線路板注意與機箱、面板的配合，接插件安排等問題，必須考慮到安裝、調(diào)試和維修的方便。軟件設計研制軟件設計作一個總體規(guī)劃，選擇平臺程序功能塊劃分確定算法分配系統(tǒng)資源和設計流程圖編寫代碼程序調(diào)試和糾錯、各部分程序連接及系統(tǒng)總調(diào)2．硬件、軟件研制階段

3．儀器綜合調(diào)試及整機性能測試

系統(tǒng)調(diào)試，以排除硬件故障和糾正軟件錯誤，并解決硬件和軟件之間的協(xié)調(diào)問題。性能測試按照設計任務書規(guī)定的設計要求擬定一個測試方案，對各項功能和指標進行逐項測試。如果某項指標不符合要求，還得查明原因，作相應調(diào)整；直至完全達到設計要求為止。第10章智能儀器設計實例智能儀器課程設計智能儀器設計原則及方法基于DSP的氣源搜尋嗅覺機器人的設計基于DSP的智能工頻參數(shù)測量儀的設計基于DSP的電動汽車無線充電系統(tǒng)的設計182025/8/8§10.2基于DSP的嗅覺機器人的設計10.2.1設計任務10.2.2總體方案設計10.2.3硬件電路設計10.2.4氣源搜尋策略10.2.5軟件設計1910.2.1設計任務

：儀器功能和技術指標201儀器功能DSP嗅覺機器人功能氣體檢測氣源定位氣源搜尋管道泄漏點查找機場、車站、體育館易燃易爆化學危險品檢測火源探測工業(yè)生產(chǎn)有毒有害氣源搜尋飛船潛艇安全檢查災后倒塌建筑物搜救儀器應用領域212儀器技術指標測量任務氣體濃度環(huán)境風速環(huán)境溫度氣源方向角與距離搜尋時間完成一次氣源搜尋時間2~3min搜尋次數(shù)小于10次就可找到氣源搜尋距離最大搜尋距離3m搜尋成功率搜尋成功率>90%數(shù)據(jù)傳輸方式無線方式，ZigBee其他功能找到氣源后具有聲光報警功能222025/8/810.2.2總體方案設計23工作原理示意圖硬件結構總體框圖軟件功能結構圖1工作原理示意圖242025/8/8無線通信2硬件結構總體框圖252025/8/83軟件功能結構圖262025/8/8氣體傳感器1氣體傳感器n氣體濃度氣源定位氣源搜尋…風速傳感器1風速傳感器n風向測量…多傳感器數(shù)據(jù)融合電機驅動航向控制10.2.3硬件電路設計27DSP的選擇DSP外圍電路設計傳感器電路設計1DSP的選擇DSP任務信號采集—氣體、風速、溫度、磁阻傳感器（8通道）氣源定位—多傳感器融合判斷氣源目標方向氣源搜尋—電機驅動，PID控制無線數(shù)據(jù)傳輸—通過串口與無線單片機通訊28任務性能片內(nèi)硬件資源價格2TI公司DSP產(chǎn)品292025/8/8TMS320F28335

—單精度32位浮點處理器復雜算法的實時性氣源定位與搜尋強大靈活的控制功能小車的控制豐富的片內(nèi)數(shù)字外設擴展功能2000系列–測量、控制24x—16位定點，運行速度30-40MIPS28x—32位定點，運行速度60-150MIPS5000系列–通信、語音

54x—16位定點，運行速度32-532MIPS55x—8-48位浮點，運行速度288-600MIPS6000系列–圖像、視頻62x—32位定點，運行速度1200-2400MIPS64x—32位定點，運行速度3200-4800MIPS67x—32位浮點，運行速度600-1350MFLOPS3浮點和定點的區(qū)別和比較302025/8/8區(qū)別：定點數(shù)xq：Q表示法定標，由符號位、整數(shù)和小數(shù)位組成浮點數(shù)x：由階碼和尾數(shù)兩部分組成，float轉換公式xq=[x*2Q]向下取整比較：定點DSP結構簡單，因而在速度、成本、功耗上強于浮點DSP浮點DSP精度高、處理數(shù)據(jù)范圍大、編程簡單、函數(shù)運算效率高（FFT、除法、平方根等）定點機參與運算的是16位整形數(shù)用Q表示法定標轉化成浮點數(shù)浮點機浮點數(shù)直接參與運算4DSP28335性能簡介312025/8/8外設名稱數(shù)量外設名稱數(shù)量直接數(shù)據(jù)存儲

（DMA）6多通道緩沖串行口(McBSP)2脈寬調(diào)制輸出（PWM）6串行外設接口（SPI）1捕捉單元（CAP）6串口通信接口（SCI）3正交編碼（QEP）2控制局域網(wǎng)（CAN）212位模數(shù)轉換通道（ADC）16內(nèi)部集成電路（I）132位定時器（Times）8通用I/O口（GPIO）88最大工作頻率150MHz，32位浮點處理單元，256K×16位的Flash，34K×16位SRAM16通道12位ADC，輸入電壓范圍0-3V，最大采樣率12.5MPS6個DMA通道，支持ADC，18路PWM輸出，內(nèi)核電壓1.9V，I/O口電壓3.3V外部總線控制接口XINTF，可擴展3個2M×16位的尋址空間DSP28335處理器28335片內(nèi)數(shù)字外設5DSP最小系統(tǒng)322025/8/8TMS320F28335DSP外擴RAM存儲器JTAG在線調(diào)試接口復位電路6DSP外圍電路332025/8/8DSP外圍電路：DSP信號處理與控制單元傳感器及調(diào)理電路實時時鐘外部RAM存儲器外部SD卡存儲器電機驅動電源模塊無線收發(fā)模塊7電機驅動及隔離電路342025/8/8L293D

直流減速電機驅動DSP的I/O口實現(xiàn)方向控制DSP的PWM實現(xiàn)機器人速度控制TLP521光電隔離電機驅動與DSP電路信號隔離8無線通信單元352025/8/8增強8051內(nèi)核無線電收發(fā)機數(shù)字化的接受信號強度指示（RSSI）9無線通信模塊362025/8/8SPP子無線模塊通信單元

主無線模塊通信單元10時鐘電路372025/8/8

X1226——實時時鐘系統(tǒng)時鐘信息文件名文件創(chuàng)建時間屬性11SD卡存儲器382025/8/8

SD卡存儲器建立了FAT16文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存為文本格式12

DSP外設接口（GPIO設置）392025/8/813

DSP電源芯片402025/8/814氣體傳感器測量電路412025/8/8RS/R0采用Figaro公司TGS2620型金屬氧化物半導體氣體傳感器低功耗，對酒精和有機溶劑靈敏度高——各濃度下氣體傳感器電阻值空氣中氣體傳感器電阻值——RSR0VC——測量回路電壓——負載電阻RLVRL——負載電阻電壓即傳感器輸出電壓VOUT氣體濃度15氣體傳感器信號調(diào)理電路422025/8/8射隨濾波限幅DSPADC單元16風向測量原理432025/8/8熱膜引線外殼熱線風速傳感器結構示意圖采用兩個熱線風速傳感器通過風速大小確定風向輸出電壓信號、靈敏度高、成本低F1F2擋板風向風向測量示意圖17風速傳感器測量電路442025/8/8帶溫度補償恒流式熱線風速傳感器測量電路風速RT恒流源電路溫度補償電路18磁阻傳感器及其置位復位電路452025/8/8HMC1022

霍尼韋爾磁阻傳感器可測量垂直兩個方向的磁感應強度高靈敏度、高分辨率、抗干擾能力強置位、復位用來降低溫度漂移效應和高磁場引起的輸出信號丟失IRF7105施加置位/復位電流提高磁阻傳感器靈敏度提高線性度，減少垂直軸的影響和溫度影響19磁阻傳感器信號調(diào)理電路462025/8/8傳感器靈敏度5mv/gauss，大地磁場約為0.5gauss放大倍數(shù)A=200LM385穩(wěn)壓芯片提供1.2V偏置電壓AD623儀用放大器放大信號濾波DSPADC單元20儀器實物照片（視頻*1-4）472025/8/8嗅覺機器人Sink節(jié)點和上位機氣體傳感器

R1

R2R3風速傳感器F1F2觸點傳感器S1S2硬件設計過程總結硬件設計1.DSP的選擇2.DSP最小系統(tǒng)及外圍電路設計3.傳感器電路設計482025/8/810.2.4軟件設計49DSP軟件設計無線通信單元軟件設計上位機軟件設計1軟件設計方案502025/8/82DSP程序設計512025/8/83DSP程序流程圖522025/8/84A/D數(shù)據(jù)采集程序532025/8/85氣源搜尋算法542025/8/86典型搜尋軌跡552025/8/87機器人氣源搜尋路徑562025/8/88電機驅動程序572025/8/8PID控制算法流程電機驅動程序流程9

PID控制程序582025/8/8小車結構圖方向誤差與占空比的映射磁阻傳感器聲源定位當前航向角目標航向角PID控制算法方向角與占空比映射電機驅動電流的方向、占空比控制方向角誤差機器人小車的方向、速度控制10機器人動作方式表592025/8/8編號運動方式左電機右電機1快速左轉反轉正轉2快速右轉正轉反轉3慢速左轉減小轉速增大轉速4慢速右轉增大轉速減小轉速5直線前進正轉正轉11SCI串行通信程序602025/8/8SCI增強收發(fā)FIFO功能接收中斷,查詢發(fā)送12串口通信協(xié)議612025/8/8識別地址功能選擇位數(shù)據(jù)功能Addr=1\2Fn=0停止Addr=1\2Fn=1航向角Addr=1\2Fn=2TempAddr=1Fn=3Gas1Addr=1Fn=4Gas2Addr=1Fn=5Gas3Addr=1Fn=6Wind1Addr=1Fn=7Wind2Addr=1Fn=8搜尋結果Addr=1\2\3Fn=9運行Addr=1\2\3Fn=10自動方式Addr=1\2\3Fn=11手動方式Addr=1\2\3Fn=12手動運行Addr=1\2\3Fn=13手動左轉Addr=1\2\3Fn=14手動右轉Addr=1\2\3Fn=15手動后轉13無線通信程序622025/8/8子無線模塊通信流程

主無線模塊通信流程14PC機應用程序632025/8/8BorlandC++Builder軟件開發(fā)平臺串口通信模塊——Tcomm組件實現(xiàn)通信信息處理模塊——DataConvert、ClassifyData函數(shù)圖形繪制模塊——Timage組件、PaintRobot函數(shù)控制命令模塊——Rhandle、Rauto等命令函數(shù)15PC機軟件界面（視頻*5-6）642025/8/8§10.3基于DSP的智能工頻參數(shù)測量儀的設計10.3.1設計任務10.3.2總體方案設計10.3.3硬件電路設計10.3.4軟件設計10.3.5電磁兼容設計6510.3.1設計任務

：儀器功能和技術指標661儀器功能DSP儀器功能精確測量計算分析結果顯示測量三相工頻電流三相工頻電壓頻率各相電壓電流相位功率因數(shù)有功、無功功率電能儀器功能672儀器技術指標682025/8/8儀器技術指標電流0～20A電壓0～220V頻率45～55Hz功率因數(shù)0～10.2級（無功功率）2.0級（電能）10.3.2總體方案設計69工作原理示意圖硬件結構總體框圖軟件流程圖1工作原理示意圖702025/8/8同步采樣原理框圖2硬件結構總體框圖712025/8/8儀器組成框圖3軟件流程圖722025/8/8系統(tǒng)軟件流程框圖10.3.3硬件電路設計73DSP的選擇DSP外圍電路設計傳感器電路設計1交流電壓/電流互感器742025/8/8電流互感器電壓互感器2交流電壓/電流有效值測量752025/8/8電壓有效值電流有效值平均功率P電壓有效值示意圖復化梯形算法公式真有效值芯片AD736AD637AD8436建立時間(輸出穩(wěn)定時間)：100ms最大測量帶寬：8M3頻率及相位測量762025/8/8滯回比較器過零檢測3頻率及相位測量772025/8/8鎖相倍頻電路原理ud(t)Nfouc(t)f(t)fr整形PDLPFVCO÷N0000tUd(t)fofrtttUc(t)3頻率及相位測量782025/8/8數(shù)字鎖相環(huán)793頻率及相位測量10.3.4軟件設計80DSP軟件設計通信單元軟件設計上位機軟件設計1鎖相環(huán)流程圖812025/8/82采樣計算程序流程圖822025/8/83相位差測量程序代碼832025/8/8voidGet_phase_difference(){T=t5-t4;T1=t4-t1;T2=t5-t2;T3=t6-t3;T_VI=mean3(T1,T2,T3);Delta=T_VI/T*360;//電壓相位減電流相位

if(((Delta>-540)&&(Delta<-360))||((Delta>-180)&&(Delta<0))||((Delta>180)&&(Delta<360))||((Delta>540)&&(Delta<720)))//CAP1電壓CAP2電流

{

if((Delta>-540)&&(Delta<-360))

{Delta=Delta+540;

}

else

if((Delta>-180)&&(Delta<0))

{Delta=Delta+180;

}

else

if((Delta>180)&&(Delta<360))

{Delta=Delta-180;

}

else

if((Delta>540)&&(Delta<720))

{Delta=Delta-540;

}Delta=Delta-30;

}}§10.4基于DSP的電動汽車無線充電系統(tǒng)的設計10.3.1設計任務10.3.2總體方案設計10.3.3硬件電路設計10.3.4軟件設計10.3.5電磁兼容設計84I系統(tǒng)整體結構高頻逆變裝置原級控制電路副邊DC/DC變換器WPT系統(tǒng)負載原級發(fā)射裝置副邊接收裝置高頻整流裝置ZIGBEE無線模塊哈爾濱工業(yè)大學系統(tǒng)整體結構框圖能量流：電能通過無線方式傳輸?shù)匠夒娙萁M，進行恒流充電信息流：副邊向原邊反饋充電狀態(tài)，控制充電的啟/停，故障處理及交互等傳輸距離：20cm傳輸功率：3kW左右系統(tǒng)效率：90%左右充電電流：30A12345678LoadII關鍵技術哈爾濱工業(yè)大學關鍵技術系統(tǒng)啟/停、保護控制通信系統(tǒng)負載檢測、定位與識別等系統(tǒng)電路拓撲超級電容負載模型高頻逆變器設計Buck變換器設計

原副邊線圈與磁芯結構優(yōu)化設計磁屏蔽結構優(yōu)化設計1.磁耦合機構2.高頻能量變換4.控制策略3.通信機制控制算法實現(xiàn)恒流/恒壓充電等系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性控制算法II關鍵技術5.磁耦合機構設計圖1AnsoftMaxwell仿真模型圖2匝數(shù)與互感值仿真通過選取合理的互感值，初步確定線圈原副邊線圈匝數(shù)，進一步能夠確定系統(tǒng)偏移容忍能力。x或y軸偏移特性分析傳輸距離為20cmz軸偏移特性分析水平傳輸距離為10cm哈爾濱工業(yè)大學磁耦合機構優(yōu)化設計5.磁耦合機構設計對比分析圖1與圖2，明顯可知：磁芯具有磁場塑形作用，能夠有效減小線圈周圍的磁場分布范圍同時由仿真數(shù)據(jù)分析可知：采用平板磁芯結