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XXX學院第八章智能儀器——XXX學校8.4智能儀器實例分析8.1

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

智能儀器是計算機技術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算機的測量儀器。

由于它擁有對數(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,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,微計算機技術得到了迅速發(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的微機化電子儀器,它是在傳統(tǒng)電子儀器的基礎上結(jié)合微處理器技術、總線技術、通信技術發(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,即真空管時代、晶體管時代、集成電路時代,各階段簡要說明如下。8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理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:體積大、功能簡單、精度低、響應速度慢。第二代:數(shù)字式電子測量儀器

主要特點: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:內(nèi)部含有微處理器(或單片機),具有數(shù)據(jù)存儲、運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,可實現(xiàn)自動校正、自動補償、自尋故障、以及遠距離傳輸數(shù)據(jù)、遙測遙控等功能。

智能型電子測量儀器是目前應用最廣泛的一類儀器。8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理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、微機械技術、信息技術等綜合應用于智能儀器的設計與開發(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機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱為虛擬儀器—VI(VirtualInstrument)。8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理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—機對話2、自動校正零點、滿度和切換量程3、多點快速檢測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8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理8.3智能儀器研制方法8.2.1基本硬件結(jié)構

智能儀器通常是指采用了微處理器(或單片機)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;

從計算機的角度看,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備。

因此,智能儀器實際上是一個專用的微型計算機系統(tǒng),它主要由硬件平臺和應用軟件兩大部分組成。8.2基本結(jié)構與工作原理8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理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:主機電路模擬量輸入輸出通道、人機聯(lián)系部件與接口電路、標準通信接口等,其硬件平臺基本結(jié)構如圖所示。圖8-6智能儀器硬件平臺基本結(jié)構8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理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)緩沖器等部分進行通信。

主機電路用來存儲程序、數(shù)據(jù),并進行運算和處理,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算機。

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,然后進行數(shù)據(jù)存儲和分析。

輸出通道通常是決定儀器測量準確度的關鍵部分。8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理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、光盤或打印機相連,以獲得硬拷貝。

人機聯(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、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)構工藝是影響可靠性的重要因素,故應合理選擇元器件和采用在極限情況下進行試驗的方法。

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

應用軟件智能儀器的應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智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理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智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理8.3智能儀器研制方法

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

自頂向下設計原則1)

設計人員根據(jù)儀器功能和設計要求提出儀器設計的總?cè)蝿?,并繪制硬件和軟件總框圖(總體設計)。2)

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

這些低級子任務可采用某些通用模塊,并可作為單獨的實體進行設計和調(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。

在硬件或軟件設計時,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智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理8.3智能儀器研制方法2、

開放式設計原則1)“開放系統(tǒng)”設計思想①

在技術上兼顧今天和明天,既從當前實際可能出發(fā),又留下容納未來新技術機會的余地;②

向系統(tǒng)的不同配套檔次開放,在經(jīng)營上兼顧設計周期和產(chǎn)品設計,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,在服務上兼顧通用的基本設計和用戶的專用要求等等。8.4智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8.2智能儀器基本結(jié)構及工作原理8.3智能儀器研制方法2)“開放系統(tǒng)”設計方法①

基于國際上流行的工業(yè)標準微機總線結(jié)構,針對不同的用戶系統(tǒng)要求,選用相應的有關功能模塊組合成最終用戶的應用系統(tǒng);②

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

組合設計原則1)“組合化”設計思想①

開放式體系結(jié)構和總線系統(tǒng)技術發(fā)展,導致了工業(yè)測控系統(tǒng)采用組合化設計方法的流行,不同的應用系統(tǒng)選用成熟的現(xiàn)成硬件模板和軟件進行組合。②

設計基礎是模塊化,硬、軟件功能模塊化是實現(xiàn)最佳系統(tǒng)設計的關鍵。2)“組合化”設計優(yōu)點①

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

結(jié)構靈活。便于擴充和更新,使系統(tǒng)的適應性強。在使用中可根據(jù)需要通過更換一些模板或進行局部結(jié)構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,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智能儀器實例分析8.1智能儀器概述8

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