自動(dòng)化與智能儀器

1、一、從傳統(tǒng)儀器到智能儀器 二 、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 4個(gè)層次、2種結(jié)構(gòu)、3個(gè)特點(diǎn)三、 推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù) 傳感器， A/D, 單片機(jī)和PC，DSP, FPGA/CPLD, 軟件，網(wǎng)絡(luò)與通信智能儀器11.儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類儀器儀表是信息獲取的工具、是認(rèn)識(shí)世界的工具，是一個(gè)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(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等器官的功能。一、從傳統(tǒng)儀器儀表到智能儀器22、八類測(cè)試計(jì)量?jī)x器幾何量：長(zhǎng)度、角度、形貌、相互位置、位移、距離測(cè)量?jī)x器等 機(jī)械量：各種測(cè)力儀、硬度儀、加速度與速度測(cè)量?jī)x、力矩測(cè)量?jī)x、振動(dòng)測(cè)量?jī)x等熱工量：溫度、濕度、流量測(cè)量?jī)x器等光學(xué)參

2、數(shù)：如光度計(jì)、光譜儀、色度計(jì)、激光參數(shù)測(cè)量?jī)x、光學(xué)傳遞函數(shù)測(cè)量?jī)x等。電離輻射：各種放射性、核素計(jì)量，X、射線及中子計(jì)量?jī)x器等。 3時(shí)間頻率：各種計(jì)時(shí)儀器與鐘表、時(shí)間頻率測(cè)量?jī)x等 電磁量：交、直流電流表、電壓表、功率表、靜電儀、磁參數(shù)測(cè)量?jī)x等電子參數(shù)：無(wú)線電參數(shù)測(cè)量?jī)x器 如示波器、信號(hào)發(fā)生器、相位測(cè)量?jī)x、頻譜分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等。4三代儀器儀表：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5智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量(或檢測(cè))儀器，它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，具有一定智能的作用(表現(xiàn)

3、為智能的延伸或加強(qiáng)等) 。3、智能儀器的概念與歷史6近年來(lái)，智能儀器已開(kāi)始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)處理發(fā)展。模糊判斷、故障診斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器融合、機(jī)件壽命預(yù)測(cè)等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。7二 、智能儀器的分類、基本結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)智能儀器四個(gè)層次 高級(jí)智能人工智能趨勢(shì)模型化系統(tǒng)辨識(shí)、模式識(shí)別初級(jí)智能計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理聰敏電子、傳感、測(cè)量兼容聰敏儀器類 初級(jí)智能儀器類 模型化智能儀器類 高級(jí)智能儀器類 1.分類82、智能儀器的基本結(jié)構(gòu) 其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型:微機(jī)內(nèi)嵌式微機(jī)擴(kuò)展式將單片或多片的微機(jī)芯片與儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)。以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測(cè)量?jī)x器。個(gè)人計(jì)

4、算機(jī)儀器(PCI)或稱微機(jī)卡式儀器。9單片機(jī)或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/D外部通信RS232USB打印機(jī)板（鍵盤、開(kāi)關(guān)、顯示器傳感器電量非電量?jī)?nèi)嵌微處理器智能儀器的基本結(jié)構(gòu)輸入通道輸出通道10 個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖 普通臺(tái)式PCI工控機(jī)PCI筆記本PCI11個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖個(gè)人計(jì)算機(jī)總線擴(kuò)展槽軟件儀器插件通用接口儀器插件儀器插件電源PC總線GPIB總線擴(kuò)展底板或外部插件箱12n12測(cè)量過(guò)程的軟件控制： CPU 軟件控制測(cè)量過(guò)程 “以軟代硬” 靈活性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)數(shù)據(jù)處理 ： 隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理改善測(cè)量的精確度 數(shù)字濾波卷積、反卷積、幅度譜、 相位譜、功率譜等信號(hào)分析提

5、供更多高質(zhì)量的信息量多功能化 ：一機(jī)多用 如智能化電力需求分析儀 3、智能儀器的特點(diǎn)13三、推動(dòng)智能儀器發(fā)展的主要技術(shù) 傳感器技術(shù) A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的 功能與測(cè)量范圍 單片機(jī) DSP的廣泛應(yīng)用 ASIC、FPGACPLD技術(shù) LabVlEW等圖形化軟件技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 141、傳感器技術(shù)為適應(yīng)智能儀器發(fā)展的需要，各種新型傳感器不斷涌現(xiàn)。聾啞傳感器(Dumb Sensor) 智能傳感器(Smart Sensor)網(wǎng)絡(luò)化傳感器(Networked Sensor) 15 傳統(tǒng)的傳感器是模擬儀器儀表時(shí)代的產(chǎn)物。它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號(hào)。這類傳感器的輸出

6、幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被稱為“聾啞傳感器”。聾啞傳感器16微電子技術(shù)、光電子技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，加工工藝逐步成熟，新型敏感材料不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在高新技術(shù)的滲透下，尤其是計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的滲入，使微處理器和傳感器得以結(jié)合，產(chǎn)生了具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并能自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)男乱淮鷤鞲衅髦悄軅鞲衅?。智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命，對(duì)傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 智能傳感器17網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐步走向成熟并滲透到各行各業(yè)，各種高可靠、低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡(luò)接口芯片被開(kāi)發(fā)出來(lái)，微電子機(jī)械加工技術(shù),將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器集成起來(lái)并使通信協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中時(shí)，

7、就產(chǎn)生子網(wǎng)絡(luò)傳感器；網(wǎng)絡(luò)傳感器智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)化傳感器的飛速發(fā)展可大大提高信號(hào)檢測(cè)能力，進(jìn)而推動(dòng)智能儀器總體性能的提高。 18AD芯片是現(xiàn)代科學(xué)儀器不可缺少的核心部件之一，它的速度的提高是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。AD等電路與微處理器集成在一塊(稱為混合電路)傳感器與控制電路都集成在一塊芯片上，這將縮小體積，增強(qiáng)可靠性，從而實(shí)現(xiàn)智能儀器的多功能化2、A/D等新器件增強(qiáng)儀器的功能與測(cè)量范圍193.單片機(jī)、DSP處理器廣泛應(yīng)用單片機(jī):8031、8051、89C51、MSP430 TMS320系列等高速單片數(shù)字信號(hào)處理器(DSPDigital Signa

8、l Processor)是通過(guò)硬件來(lái)完成乘法和加法運(yùn)算的，極大地增強(qiáng)了智能儀器的數(shù)字濾波、FFF、相關(guān)、卷積等信號(hào)處理能力。新型DSP芯片接口功能大大加強(qiáng)，甚至集成了DSP與ARM雙核。204、ASIC、FPGACPLD技術(shù)ASIC(Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路)無(wú)論在價(jià)格、集成度，還是在產(chǎn)量、產(chǎn)值方面均取得了飛速發(fā)展。因此，對(duì)儀器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，很有意義的一項(xiàng)工作是把一些性能要求很高的線路單元設(shè)計(jì)成專用集成電路而使智能儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更優(yōu)良，保密性更強(qiáng)。21FPGA(Field Programmable Gates Arra

9、y，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)CPLD(Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)FPGACPLD的規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路應(yīng)用場(chǎng)合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。這種芯片具有可編程性和實(shí)現(xiàn)方案容易改動(dòng)的特點(diǎn)。電路保持不動(dòng)的情況下，改變內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述，就能實(shí)現(xiàn)一種新的功能。22在計(jì)算機(jī)和必要的儀器硬件確定之后，軟件就是PCI儀器發(fā)展的關(guān)鍵。軟件就是儀器成為流行的說(shuō)法。美國(guó)國(guó)家儀器有限公司NI （National Instruments）公司1986年設(shè)計(jì)的LabVlEWl0，2003年發(fā)展到Labview70，推動(dòng)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。圖形化編程語(yǔ)言建立的虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示功能。虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義；儀器硬件模塊化；可重用和重新配置；系統(tǒng)功能、規(guī)?？赏ㄟ^(guò)修改軟件、更換儀器硬件而增減；技術(shù)更新速度快(12年)，開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低。5、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)虛擬儀器23 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，