智能儀表軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件

1、智 能 儀 表電氣信息學(xué)院薛智宏第一章 緒論一、智能儀表的產(chǎn)生和發(fā)展 電子工業(yè)發(fā)展： 電子管 晶體管（模擬電路） 集成電路 （數(shù)字電路） 大規(guī)模集成電路 儀器儀表發(fā)展： 機(jī)械式 模擬電子式 數(shù)字電子式 智能式（程控式）20世紀(jì)2040年代：模擬電子儀器儀表20世紀(jì)50年代：數(shù)字儀器儀表問(wèn)世 20世紀(jì)60年代：計(jì)算機(jī)與儀表相結(jié)合 個(gè)別參量測(cè)量 系統(tǒng)多個(gè)參量 單純接收顯示 控制、分析、處理、 計(jì)算與顯示 20世紀(jì)80年代：微處理器用于儀器儀表20世紀(jì)90年代至今：智能技術(shù)用于儀器 儀表 二、概念 智能儀器無(wú)確切的定義1、在各類(lèi)環(huán)境中能自主的或交互式的執(zhí)行 各種擬人功能的機(jī)器 2、具有判斷、推理、證

2、明、識(shí)別、感知、理解、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問(wèn)題求解等與人類(lèi)智能有關(guān)的能力的機(jī)器。3、可獨(dú)立進(jìn)行的微機(jī)化的可編程儀器儀表 智能儀表微機(jī)化儀表（Microcomputer based instrument）(Intelligent instrument)概念：智能儀表指微機(jī)化與傳統(tǒng)儀器儀表有機(jī)接合，采用最新智能技術(shù)，在各類(lèi)環(huán)境中能自主的或交互式的執(zhí)行多種 擬人功能，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)測(cè)量、分析和 控制的機(jī)器或儀表 三、智能儀表的特點(diǎn)1、內(nèi)含微處理器、具有總線結(jié)構(gòu)，具備一定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力，可自動(dòng)處理和故障判斷，交互式可編程運(yùn)行 2、具有良好的人機(jī)對(duì)話(huà)能力。3、具有外部通信接口（GP-IB，RS-2

3、32， USB）4、結(jié)合智能控制技術(shù)或算法。發(fā)展方向：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、功能強(qiáng)、性能高 四、智能儀表的結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng) 1、微機(jī)系統(tǒng)：可選擇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、單片機(jī) 系統(tǒng)或其他嵌入式系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)功能：信號(hào)的數(shù)字化處理和控制顯示、打印、通信、其它智能化處理功能。 組成結(jié)構(gòu)：微處理器（MPU）、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O接口電路。2、輸入輸出電路： 主要功能；通過(guò)I/O電路與微機(jī)系統(tǒng)以總線方式連接，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量及模擬量的輸入輸出，測(cè)量信號(hào)數(shù)字化轉(zhuǎn)換等。 構(gòu)成：由輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、模擬執(zhí)行器和開(kāi)關(guān)電路輸入輸出電路構(gòu)成。3、人機(jī)接口： 主要功能：實(shí)現(xiàn)操作者和儀器之間的信息交流，包括

4、參數(shù)設(shè)置、檢測(cè)信號(hào)的顯示、打印等 構(gòu)成：由鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)及其接口組成。4、通信接口電路：將儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備，以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。軟件系統(tǒng) 1、功能執(zhí)行程序：實(shí)現(xiàn)各種實(shí)質(zhì)性的功能。（測(cè)量、計(jì)算、顯示、打印、輸出） 2、監(jiān)控程序：專(zhuān)門(mén)協(xié)調(diào)各個(gè)執(zhí)行模塊和操作者關(guān)系的程序，在系統(tǒng)程序中發(fā)揮組織調(diào)度作用。（作業(yè)順序調(diào)度型、作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型、鍵碼分析作業(yè)調(diào)度型）五、智能儀表的基本設(shè)計(jì)思想1模塊化設(shè)計(jì)：根據(jù)儀器的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，自頂向下、由大到小、由粗到細(xì)，按儀器的功能層次，把硬件和軟件分成若干模塊，分別進(jìn)行分析和調(diào)試，然后把它們連接起來(lái)進(jìn)行總調(diào)試。 優(yōu)點(diǎn)：各個(gè)模塊相互獨(dú)立，單

5、獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)、研制、調(diào)試和修改，使復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單化。2、模塊之間的連接 硬件模塊的連接方法： A 以主機(jī)系統(tǒng)為核心，通過(guò)內(nèi)部三總線連接各個(gè)模塊。 B 采用標(biāo)準(zhǔn)并行總線（ISA、PCI）或I2C等串行總線連接各個(gè)模塊。軟件模塊的連接： 一般通過(guò) 監(jiān)控模塊調(diào)用各種功能模塊或采用中斷方法實(shí)時(shí)執(zhí)行相應(yīng)服務(wù)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，并按功能層次調(diào)用下一級(jí)。由數(shù)據(jù)變量和標(biāo)志變量形成的數(shù)據(jù)接口連接各個(gè)軟件模塊。六、智能儀表的研制過(guò)程分為三個(gè)階段： 1 確定任務(wù)和擬訂設(shè)計(jì)方案階段 2 硬件和軟件設(shè)計(jì)及儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 儀器統(tǒng)調(diào)和性能測(cè)試1 確定任務(wù)和擬訂設(shè)計(jì)方案階段（1）確定設(shè)計(jì)任務(wù)和儀器功能 根據(jù)儀器最終要達(dá)到的設(shè)

6、計(jì)目標(biāo)，確定需完成的任務(wù)和具備的功能，并以書(shū)面形式寫(xiě)出儀器功能說(shuō)明書(shū)或設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。 A 明確技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍、精度、靈敏度、速度，可靠性指標(biāo)與和工作條件（溫度、濕度、電源、振動(dòng)）。 B 功能指標(biāo)：顯示、人機(jī)接口、輸入、輸出接口特性，通信功能及測(cè)量控制功能 （2） 完成總體設(shè)計(jì)、確定硬件類(lèi)型和數(shù)量 完成儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖和軟件總框圖并制定詳細(xì)的研制計(jì)劃。2、硬件和軟件設(shè)計(jì)及儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的選擇 根據(jù)功能和性能要求選擇8位、16位、單片機(jī)、DSP、其它嵌入式系統(tǒng)處理器。 * 嵌入式系統(tǒng)：指嵌入在宿主設(shè)備中的微處理器系統(tǒng)，以應(yīng)用為主，軟硬件可以裁減，適用于系統(tǒng)對(duì)功能、可靠

7、性、成本和功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。* 嵌入式系統(tǒng)的組成：由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)四部分構(gòu)成，是集軟硬件于一體的可獨(dú)立工作“器件”。*嵌入式系統(tǒng)分為IP（Intellectual Property)核、芯片級(jí)和模塊級(jí)三種不同體系結(jié)構(gòu)形式。*IP（Intellectual Property)核分為硬核和軟核。 硬核：16/32/64位RISC/CISC結(jié)構(gòu)的MPU核 8/16/32位MCU核 16/32/64位DSP核 標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元 網(wǎng)絡(luò)單元和標(biāo)準(zhǔn)接口單元 軟核：圖象單元 聲音單元 軟MODEM單元 軟FAX單元將不同的IP 核集成到一塊芯片上形成系統(tǒng)芯

8、片集（SoC）芯片級(jí)：選擇相應(yīng)的處理器芯片、存儲(chǔ)芯片和I/O芯片組成嵌入式系統(tǒng)，并將相應(yīng)的系統(tǒng)軟件固化在非易失性存儲(chǔ)芯片中。模塊級(jí)：將X86處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中， 把操作系統(tǒng)改造為嵌入式操作系統(tǒng)，把應(yīng)用軟件固化在固態(tài)盤(pán)中。硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試 根據(jù)硬件框圖按模塊分別設(shè)計(jì)各單元電路，然后再進(jìn)行硬件合成，繪制印刷電路板，進(jìn)行裝配和調(diào)試。 軟件設(shè)計(jì)：進(jìn)行程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，畫(huà)出每個(gè)模塊的詳細(xì)流程圖，選擇編程語(yǔ)言，進(jìn)行模塊調(diào)試和總體調(diào)試。（3）儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主要包括儀表的造型、殼體結(jié)構(gòu)、外形尺寸、面板布置、模板固定和連接方式，應(yīng)做到標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、模塊化。3 儀器統(tǒng)調(diào)與性能測(cè)試樣機(jī)裝配完成后，必須進(jìn)行聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)交替調(diào)試，發(fā)現(xiàn)和解決各種硬件和軟件問(wèn)題，編寫(xiě)設(shè)計(jì)文檔。設(shè)計(jì)文檔內(nèi)容：設(shè)計(jì)任務(wù)和儀器功能描述；設(shè)計(jì)方案的論證；性能測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)使用報(bào)告；使用操作說(shuō)明；硬件資料（硬件框圖，電路原理圖，元件布置和接線圖，接插件引腳圖和印刷板電路圖）；軟件資料（程序框圖及說(shuō)明，標(biāo)號(hào)及子程序名稱(chēng)清單，參量定義清單