【新版】智能儀器第一章介紹

智能儀表的發(fā)展歷程（軟硬件構(gòu)成、功能） 電子儀器儀表發(fā)展史 儀表是獲取信息的工具，是認識世界的工具，是一個系統(tǒng)或設(shè)備。它最基本的功能是擴展、擴展、補充或替代人類聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。 20世紀電子工業(yè)發(fā)展迅速，儀器儀表從電子管時代發(fā)展到模擬電路時代，再到數(shù)字電路時代，隨之而來的是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展。相應(yīng)地，儀器技術(shù)大致經(jīng)歷了模擬---->數(shù)字---->智能儀器的發(fā)展過程。第一代模擬電子電壓表，第二代數(shù)字電子電壓表，德力西智能電能表以電磁測量為基本原理。主要缺點是功能簡單、精度低、響應(yīng)速度慢。將被測模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行測量，并以數(shù)字形式輸出和顯示測量結(jié)果。精度高，響應(yīng)速度快，讀數(shù)清晰直觀，測量結(jié)果可打印出來，易于與計算機結(jié)合，由于數(shù)字信號便于遠距離傳輸，也適用于遙測和遙控。增加了微處理器芯片，具有計算、判斷、記憶、控制等功能。優(yōu)點：功耗低、體積小、可靠性高、價格低。 1915年至1928年，美國首先研制并商業(yè)化了峰值電子電壓表； 1952年，美國NLS公司首先研制出管式4位數(shù)字電壓表； 20世紀60年代和70年代，計算機的引入使儀器具有系統(tǒng)測量和測量數(shù)據(jù)控制、分析、處理、計算和顯示輸出等功能； 1980年代和1990年代，儀器中使用微處理器，從而實現(xiàn)了儀器的智能化，儀器的人機交互更加友好，測量尺度不斷夸大，測量精度和速度不斷提高，信息處理能力不斷增強；近年來，智能儀器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、機器壽命預(yù)測等，使智能儀表的功能向更高層次發(fā)展。 1984年：我國儀器儀表學會成立“自動測試與智能儀器專業(yè)組”； 1986年：IMEKO（國際測量聯(lián)合會）舉辦了以“智能儀器”為主題的專題研討會； 1988年：IFAC（國際自動控制聯(lián)合會）理事會正式確定“智能元器件與儀器”。1989年5月，第一屆國際檢測技術(shù)與智能儀器研討會在我國武漢召開。智能儀器學科：智能儀器是電子測量儀器與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種包含微機或微處理器的測量（或測試）儀器，具有數(shù)據(jù)存儲、計算、邏輯判斷和自動化操作等功能。功能，具有一定的智能性（表示智能的擴展或增強等）1).儀器強大的儀器強大的儀器內(nèi)含微電腦，具有數(shù)據(jù)存儲和處理能力，智能儀器內(nèi)含微電腦。 , 具有數(shù)據(jù)存儲和處理能力。 h 軟件的配合，大大增強了儀器的功能。通過軟件的配合，大大增強了儀器的功能。微處理器的使用提高了儀器的測量精度；它具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表（如傳統(tǒng)數(shù)字萬用表（DMM DMM）只能）只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能數(shù)字測量電阻、交直流電壓、電流等，智能型數(shù)字萬用表不僅可以進行上述測量，還可以對測量結(jié)果進行上述測量。萬用表不僅可以進行上述測量，還可以對測量結(jié)果進行平均值和極值計算、統(tǒng)計分析，以及更復(fù)雜的平均值和極值。計算、統(tǒng)計分析和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。

目前，一些智能儀表也使用了數(shù)據(jù)處理功能。目前，一些智能儀器還采用專家系統(tǒng)和專家系統(tǒng)技術(shù)，使儀器具有更深層次的數(shù)據(jù)分析處理能力，使儀器具有更深層次的數(shù)據(jù)分析處理能力，解決只有求專家解決。解決只有專家才能解決的問題。智能儀器的特點： 說明： 說明： 專家系統(tǒng)（expert system）是人工智能應(yīng)用研究中最活躍、最廣泛的課題之一。專家系統(tǒng)是一種智能計算機程序系統(tǒng)，它包含了某一領(lǐng)域?qū)＜宜降拇罅恐R和經(jīng)驗，可以利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域的問題。換言之，專家系統(tǒng)是具有大量專業(yè)知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng)。它利用人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)，根據(jù)某一領(lǐng)域的一名或多名專家提供的知識和經(jīng)驗進行推理和判斷，模擬人類專家。為了解決需要人類專家處理的復(fù)雜問題，簡言之，專家系統(tǒng)是模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計算機程序系統(tǒng)。 2)。智能儀器的優(yōu)越性能 智能儀器的優(yōu)越性能 微處理器的使用大大提高了儀器的性能。例如，智能儀器使用微處理器操作。例如，智能儀器使用微處理器運算和邏輯判斷功能。根據(jù)一定的算法，它們可以結(jié)合邏輯判斷功能。根據(jù)一定的算法，它們可以很容易地消除漂移、增益變化和干擾。接地消除了漂移、增益變化和干擾等引起的誤差，從而改善了儀器擾動等因素引起的誤差，從而提高了儀器的測量精度。

智能儀器具有測量功率的測量精度。除了測量功能外，智能儀器還具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。除了性能，它還具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。 3)。操作自動化 操作自動化智能儀表采用微處理器控制功能，可方便智能儀表使用微處理器控制功能，可輕松實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自動觸發(fā)電平調(diào)整，實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換、自動調(diào)零、自動觸發(fā)電平調(diào)整、自動校準、故障自診斷等功能，有效提高了調(diào)整、自動校準、故障自診斷等功能，有效提高了儀器的自動測量水平。例如，智能數(shù)字示波器具有儀器自動化測量的水平。例如，智能數(shù)字示波器有一個自動刻度鍵（Auto scale Auto scale 鍵，您只需在測量過程中按下該鍵）。測量過程中只要按下該鍵，儀器就可以根據(jù)被測信號的頻率和幅度進行判斷。 , 通過該按鈕，儀器可以根據(jù)被測信號的頻率和幅度自動設(shè)置最合理的垂直靈敏度、時基和最佳觸摸。設(shè)置最合理的垂直靈敏度、時基和最佳觸發(fā)電平。 , 使信號波形穩(wěn)定地顯示在屏幕上。發(fā)送電平，使信號波形穩(wěn)定顯示在屏幕上。再比如智能儀表一般都有自診斷功能。當儀器像智能儀器時，它具有自診斷功能。當儀器出現(xiàn)故障時，可自動檢測故障部位，并在出現(xiàn)故障時提供協(xié)助。它可以自動檢測故障。它還可以幫助診斷故障原因。

甚至一些智能儀器都有故障原因的自動診斷功能。甚至一些智能儀表具有自動切換備件自動維護的功能，大大方便了儀表自動維護切換備件的功能，大大方便了儀器的維護。維護。 4)。具有友好的人機對話能力。智能樂器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)樂器。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的開關(guān)開關(guān)來控制儀器，從而實現(xiàn)對儀器的控制。改變開關(guān)來實現(xiàn)對儀表的控制自動測量設(shè)備，使儀表盤的布置和儀表內(nèi)部相關(guān)部件的布置不再受限制和參與儀表內(nèi)部相關(guān)部件的布置。經(jīng)營者只需通過，不再相互制約和牽連。操作者只需通過鍵盤輸入指令即可實現(xiàn)一定的測量和處理。鍵盤輸入命令可以實現(xiàn)一定的測量和處理功能。同時，智能儀器還可以集成儀器功能。同時，智能儀器還可以在屏幕上及時顯示儀器的運行狀態(tài)、工作狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)的運行狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)的工作狀態(tài)和處理結(jié)果，以便操作儀器的處理結(jié)果可以及時顯示在屏幕上。使儀器的操作更加方便直觀。它更方便和直觀。 5)。具有可編程操作能力智能儀器通常配備GP-IB通訊接口或RS-232/RS-422/RS-485（推薦標準）通訊接口，使智能儀器具有可編程操作能力。

因此，它可以很容易地與計算機或其他儀器結(jié)合，組成多功能的自動測試系統(tǒng)，以完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。 GP-IB總線是國際電工委員會（IEC）于1978年正式推薦的標準化儀器接口總線。 3.推動智能儀器（無線）發(fā)展的主要技術(shù)傳感器技術(shù)A/ D 將顯著增強儀器的功能和測量范圍。單片機DSP的廣泛應(yīng)用。 LabVlEW、組態(tài)軟件等圖形軟件技術(shù)網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)1、sensor技術(shù)為了適應(yīng)智能儀表發(fā)展的需要，各種新型傳感器層出不窮。啞傳感器 Smart Sensor Networked Sensor Networked Sensor 傳統(tǒng)傳感器是模擬儀表時代的產(chǎn)物。聾啞傳感器的設(shè)計指導(dǎo)思想是將外界信息轉(zhuǎn)化為模擬電壓或電流信號。這類傳感器輸出幅度小、靈敏度低、功能單一，故稱為“聾啞傳感器”。聾啞傳感器微電子和光電子技術(shù)發(fā)展迅速，加工技術(shù)逐漸成熟，新型敏感材料不斷開發(fā)。在高科技的滲透下，特別是計算機軟硬件技術(shù)的滲透下，微處理器和傳感器可以結(jié)合，產(chǎn)生具有一定數(shù)據(jù)處理能力，能夠自檢、自校準、自檢的新一代傳感器。 -補償——智能傳感器。

智能傳感器的出現(xiàn)是傳感技術(shù)的一次革命自動測量設(shè)備，對傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)逐漸成熟并滲透到各行各業(yè)。開發(fā)了多種高可靠性、低功耗、低成本、微體積的網(wǎng)絡(luò)接口芯片。微電子加工技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器相結(jié)合。當集成并將通信協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中時，就會產(chǎn)生一個子網(wǎng)傳感器（為了解決現(xiàn)場總線的多樣性問題，IEEE1451.2工作組建立了智能傳感器接口模塊（STIM） )標準，它描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)適配器或微處理器之間的硬件和軟件接口，是IEEEl451網(wǎng)絡(luò)傳感器標準的重要組成部分，為傳感器連接到各種網(wǎng)絡(luò)提供了條件和便利。網(wǎng)絡(luò)傳感器zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：短距離、低功耗無線通信技術(shù)A/D芯片是現(xiàn)代科學儀器不可缺少的核心部件之一，是實現(xiàn)高速、低功耗、高分辨率、高性能的關(guān)鍵高精度數(shù)據(jù)采集，A/D電路和微處理器、傳感器和控制電路都集成在一個芯片上，這將減小智能i的尺寸儀器，提高可靠性，實現(xiàn)智能儀器的多功能化。 2、A/D等新器件增強儀器功能3.單片機和DSP處理器廣泛應(yīng)用于TMS-320系列（DSP'Digital Signal Processor）通過硬件完成乘法和加法運算，大大增強了智能儀器的數(shù)字濾波和卷積等信號處理能力。

新DSP芯片的接口功能大大增強，甚至集成了雙核DSP和ARM。 TMS-320：德州儀器（TI）4、ASIC，F(xiàn)PGA/CPLD技術(shù)ASIC（Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路）在價格、集成度、產(chǎn)量、產(chǎn)值等方面都取得了快速的發(fā)展。因此，對于儀器設(shè)計人員來說，一項非常有意義的工作就是將一些對性能要求較高的電路單元設(shè)計成專用集成電路，使智能儀器的結(jié)構(gòu)更緊湊、性能更好、更保密。在確定了計算機和必要的儀器硬件后，軟件是智能儀器發(fā)展的關(guān)鍵。 LabVlEWl由NI（National Instruments）于1986.0設(shè)計，2003年發(fā)展為Labview7.0，推動了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。通過圖形化編程語言建立的虛擬儀表盤完成儀表控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等功能。虛擬儀器系統(tǒng)由用戶定義；儀器硬件是模塊化的；它可以重復(fù)使用和重新配置；可以通過修改軟件和更換儀器硬件來增加或減少系統(tǒng)功能和規(guī)模；技術(shù)更新速度快（1-2年），開發(fā)維護成本低。 5、LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)虛擬儀器隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，必將在網(wǎng)絡(luò)時代對測試儀器和測試技術(shù)產(chǎn)生革命性的變化。

表現(xiàn)在兩個方面：智能儀表需要上線完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制和故障診斷；構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)，將各種分散的測試設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源、信息共享、協(xié)同工作，共同完成大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)測試任務(wù)。 6、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)主要由兩部分組成：組成系統(tǒng)的基本功能單元（PC儀器、網(wǎng)絡(luò)化測量儀器、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化測量模塊）；連接基本功能單元的通信 互聯(lián)網(wǎng)。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)需要考慮的問題： 系統(tǒng)必須具有開放性和互操作性；系統(tǒng)的實時性和時間確定性；系統(tǒng)成本盡可能低，通用性好；基本功能單元必須是智能的，具有本地微處理器和存儲器，具有網(wǎng)絡(luò)接口。四 智能儀表的軟硬件構(gòu)成 智能儀表的硬件系統(tǒng)主要包括四部分：微機系統(tǒng)、輸入輸出電路、人機界面和通訊接口電路。第一個評估點 微機系統(tǒng)用于存儲程序和數(shù)據(jù)，并進行一系列的計算和處理。它通常由微處理器（MPU）、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和輸入輸出（I/O）接口電路組成。主機電路可以是單片機，也可以是通用計算機。信號輸入輸出電路包括模擬輸入輸出電路和開關(guān)量輸入輸出電路兩部分。模擬輸入輸出電路由模擬輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和模擬執(zhí)行器等組成，用于實現(xiàn)輸入模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換和輸出數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。驅(qū)動模擬執(zhí)行器等功能；開關(guān)量輸入輸出電路用于實現(xiàn)開關(guān)量的輸入輸出，人機界面電路，人機界面電路主要實現(xiàn)操作者與儀器之間，主要實現(xiàn)操作者與儀器之間的信息通信功能，包括參數(shù)設(shè)置、測量信號信息通訊功能，包括參數(shù)設(shè)置、測量信號顯示和打印功能。

由鍵盤、顯示器、打印顯示和打印功能組成。它由鍵盤、顯示器、打印機等及其接口電路組成。本機等及其接口電路組成。通訊接口電路通訊接口電路用于實現(xiàn)儀器與計算機的連接。用于實現(xiàn)儀器與計算機的連接，使儀器接受計算機程序控制命令，儀器進行測量，儀器接受計算機程序控制命令，將儀器測量數(shù)據(jù)上傳到計算機進行數(shù)據(jù)分析并將數(shù)據(jù)量上傳至計算機進行數(shù)據(jù)分析處理。目前處理的是常用的儀器通訊接口。目前常用的儀表通訊接口有GP GP-IB IB通訊通訊接口、RS-232C接口、RS-232C接口，以及分布式控制系統(tǒng)中使用的接口、CAN總線接口和以太網(wǎng)接口等。分布式控制系統(tǒng)?？偩€接口、以太網(wǎng)接口等。 智能儀表的軟件系統(tǒng)組成 智能儀表的軟件主要分為監(jiān)控程序和功能執(zhí)行程序兩部分。監(jiān)控程序是對儀表盤的鍵盤和顯示器的管理程序。它是用于協(xié)調(diào)各個執(zhí)行模塊與操作者之間關(guān)系的程序，在系統(tǒng)程序中充當組織和調(diào)度的角色。功能執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)測量、計算、顯示、打印、輸出控制、通訊等各種實質(zhì)性功能。監(jiān)控程序的結(jié)構(gòu)大致分為三種：作業(yè)順序調(diào)度型、作業(yè)優(yōu)先級調(diào)度型和關(guān)鍵代碼分析作業(yè)調(diào)度型。第八章有詳細說明。

智能儀表的模塊化設(shè)計理念。模塊化設(shè)計思想是基于儀器的功能要求和技術(shù)指標。它遵循自上而下、由大到小、由粗到細的思想。根據(jù)儀器的功能水平，將硬件和軟件分為幾個模塊，分別進行設(shè)計和調(diào)試；然后將它們連接起來進行整體調(diào)整。硬件模塊通常分為主機、輸入/輸出通道、人機界面組件、通信接口和電源。軟件模塊分為監(jiān)控程序（包括初始化、鍵盤和顯示管理、中斷管理、時鐘管理、自診斷等）、中斷處理程序和各種測控算法等功能模塊。優(yōu)點：各模塊相互獨立，可獨立設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試、修改。該模塊連接到軟件模塊。硬件模塊的連接是以主機系統(tǒng)為核心，通過內(nèi)部三種總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線）和控制總線）第二種連接是使用標準的并行總線（1SA或PCI總線）或串行12C等總線通過監(jiān)控程序連接各種功能模塊，或采用中斷方式實時執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)模塊，實現(xiàn)六大智能儀表開發(fā)過程的評價點 嵌入式系統(tǒng)是一個“設(shè)備”集成軟件/硬件，可獨立工作。它主要包括四個部分：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用方式的不同，嵌入式系統(tǒng)分為三種不同的架構(gòu)形式：IP（知識產(chǎn)權(quán)）、芯片級和模塊級。

請在課后閱讀1.5.2 的內(nèi)容。不熟悉的電子術(shù)語可以通過互聯(lián)網(wǎng)搜索，詳細清晰的解釋。從網(wǎng)絡(luò)解讀嵌入式系統(tǒng)：嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可量身定制，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的應(yīng)用系統(tǒng)專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序四部分組成。它用于控制、監(jiān)視或管理其他設(shè)備。芯片級是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)或IT產(chǎn)品的要求，設(shè)計者選擇相應(yīng)的處理器（如MCU、DSP、MPU等）芯片、存儲芯片和I/0接口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芯片中。常用的嵌入式芯片可分為嵌入式微處理器（EMPU）、嵌入式微控制器（EMCU）和嵌入式DSP處理器。 EMPU在應(yīng)用中組裝在一塊專門設(shè)計的電路板上，并配有ROM、RAM、總線接口和各種外設(shè)等設(shè)備。 EMCU又稱單片機，以一定的微處理器內(nèi)核為核心，將整個計算機系統(tǒng)集成在一個芯片中，在芯片內(nèi)部集成了ROM、EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數(shù)器、網(wǎng)守等。狗、I/O、串口、脈沖調(diào)制輸出PWM、A/D、D/A等元件。

EMCU 是目前嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的主流，其資源比較豐富，特別適合在儀器儀表和控制方面的應(yīng)用。 DSP 專門設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令，適用于執(zhí)行數(shù)字信號處理算法。例如，數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析中的算法編程簡單，執(zhí)行速度快。在模塊層面，將x86處理器組成的計算機系統(tǒng)模塊嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，將操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為嵌入式操作系統(tǒng)，將應(yīng)用軟件固化在固態(tài)硬盤中。適用于工業(yè)控制和儀器儀表。 1、簡述智能儀表的結(jié)構(gòu)和組成。 2、智能儀表的設(shè)計理念是什么？ 3．簡述智能儀器設(shè)計開發(fā)的基本過程。 4. 簡述單片機與嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)系和區(qū)別