第一章第一章 绪论绪论1 电子仪器仪表的发展历史电子仪器仪表的发展历史2 智能仪器的定义和特点智能仪器的定义和特点3 推动智能仪器发展的主要技术推动智能仪器发展的主要技术4 智能仪器的软硬件组成智能仪器的软硬件组成5 智能仪器的模块化设计理念智能仪器的模块化设计理念6 智能仪器的研制过程智能仪器的研制过程本章要解决的问题本章要解决的问题1 1智能仪器的结构组成智能仪器的结构组成? ?（软硬件组成、功能）（软硬件组成、功能）2 2智能仪器的设计思想是什么智能仪器的设计思想是什么? ?3 3设计、研制智能仪器的基本过程？设计、研制智能仪器的基本过程？4 4单单片片机机与与嵌嵌入入式式系系统统的的联联系系和和区区别别？一一 电子仪器仪表的发展历史电子仪器仪表的发展历史 仪器仪表是信息获取的工具、是认识世界的工具，是一个系统或装置。它的最基本的作用：是延伸、扩展、补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。 20世纪电子工业飞速发展，仪器仪表已经从电子管时代发展到模拟电路时代，再发展到数字电路时代，随后计算机技术高速发展起来。相应的，仪器技术也大致经历了模拟式-数字-智能式仪器的发展过程。举例举例:第一代的模拟式电子电压表 第二代的数字式电子电压表德力西智能电能表以电磁测量为基本原理主要缺点是功能简单、精度低、响应速度慢将被测模拟信号转换成数字信号进行测量，测量结果以数字形式输出显示。精度高、响应速度快、读数清晰、直观，测量结果可打印输出，易与计算机相结合，由于数字信号便于远距离传输，也适于遥测遥控。加入了微处理器芯片 具有运算、判断、记忆、控制功能， 优点：功耗低、体积小、可靠性高、价格低廉等。 19151928年,美国首先研制出了峰值电子电压表并使其商品化；1952年,美国NLS公司首先研制出电子管式4位数字电压表； 20世纪60-70年代 ,计算机的引入使仪器具备了系统测量和测量数据的控制、分析、处理、计算与显示输出功能； 20世纪80-90年代，微处理器被用到仪器中，从而实现了仪器的智能化，仪器的人机交互更加友好， 测量规模不断夸大，测量精度和速度不断提高，信息处理能力不断增强； 近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。 19841984年：年：我国仪器学会成立我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器自动测试与智能仪器专业学组专业学组”； 19861986年：年：IMEKO(IMEKO(国际测量联合会国际测量联合会) )以以“智能仪器智能仪器”为主题召开了专门的讨论会；为主题召开了专门的讨论会； 19881988年：年：IFAC (IFAC (国际自动控制联合会国际自动控制联合会) ) 的理事会的理事会正式确定正式确定“智能元件及仪器智能元件及仪器”。19891989年年5 5月月在我国武汉召开了第一届测试技术与智能仪在我国武汉召开了第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会。器国际学术讨论会。智能仪器学科的发展和研究智能仪器学科的发展和研究智能仪器学科的发展和研究智能仪器学科的发展和研究: : : : 智能仪器智能仪器是电子测量仪器与计算机是电子测量仪器与计算机技术相结合的产物，是含有微计算机或技术相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量微处理器的测量( (或检测或检测) )仪器，它拥有仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用化操作等功能，具有一定智能的作用( (表现为智能的延伸或加强等表现为智能的延伸或加强等) ) 。二二 智能仪器的定义和特点智能仪器的定义和特点 1).1).仪器的功能强大仪器的功能强大 智能仪器内含微机，它具有数据存储和处理能智能仪器内含微机，它具有数据存储和处理能力，在软件的配合下，仪器的功能大大增强。力，在软件的配合下，仪器的功能大大增强。微处微处理器的运用提高了仪器的测量精度；具备了复杂的理器的运用提高了仪器的测量精度；具备了复杂的数据处理功能。数据处理功能。例如传统的数字多用表（例如传统的数字多用表（DMMDMM）只能）只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果多用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行平均值和极值运算、统计分析以及更加复杂的进行平均值和极值运算、统计分析以及更加复杂的数据处理功能。目前有些智能仪器还运用了数据处理功能。目前有些智能仪器还运用了专家系专家系统技术统技术，使仪器具有更深层次的数据分析和处理能，使仪器具有更深层次的数据分析和处理能力，解决专家才能解决的问题。力，解决专家才能解决的问题。智能仪器的特点智能仪器的特点智能仪器的特点智能仪器的特点: : : :解释：解释：解释：解释： 专家系统专家系统(expert system)(expert system)是人工智能应用研究是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。最活跃和最广泛的课题之一。 专家系统是一个智能专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。解决领域问题的计算机程序系统。 2).智能仪器的性能优越 微处理器的运用极大地改善了仪器的性微处理器的运用极大地改善了仪器的性能。能。例如智能仪器利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。智能仪器除具有测量功能外，还具有很强的数据处理能力。 3).3).操作自动化操作自动化 智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、故障自诊断等功能，有力地改善了整、自动校准、故障自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。例如智能型数字示波器有仪器的自动化测量水平。例如智能型数字示波器有一个自动分度键（一个自动分度键（Auto scaleAuto scale），测量时只要按下），测量时只要按下这个键，仪器就能根据被测信号的频率及幅度，自这个键，仪器就能根据被测信号的频率及幅度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使信号波形稳定地显示在屏幕上。发电平，使信号波形稳定地显示在屏幕上。 又如智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器又如智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断出故障的原因。甚至有些智能仪器还具有自动诊断出故障的原因。甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自动维修的功能，极大地方便了仪器切换备件进行自动维修的功能，极大地方便了仪器的维护。的维护。4).4).具有友好的人机对话能力具有友好的人机对话能力 智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，来实施对仪器的控制，从而使仪换开关，来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。操作人员只需通过不再相互限制和牵连。操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量和处理键盘输入命令，就能实现某种测量和处理功能。与此同时，智能仪器还可以将仪器功能。与此同时，智能仪器还可以将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时显示在屏幕上，使仪器的操处理结果及时显示在屏幕上，使仪器的操作更加方便直观。作更加方便直观。5).5).具有可程控操作能力具有可程控操作能力 智能仪器通常都配有智能仪器通常都配有GP-IBGP-IB通信接口或通信接口或RS-RS-232/RS-422/RS-485232/RS-422/RS-485（推荐标准）通信接口，使智（推荐标准）通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。从而可以方便地能仪器具有可程控操作的能力。从而可以方便地与计算机或其他仪器一起组成多功能的自动测试与计算机或其他仪器一起组成多功能的自动测试系统，来完成更加复杂的测试任务。系统，来完成更加复杂的测试任务。GP-IBGP-IB总线是总线是国际电工协会（国际电工协会（IECIEC）19781978年正式推荐的一种标准年正式推荐的一种标准化仪用接口总线。化仪用接口总线。三三 推动智能仪器发展的主要技术推动智能仪器发展的主要技术 （无线）（无线）传感器技术传感器技术 A/DA/D等新器件的发展将显著增强仪器的等新器件的发展将显著增强仪器的 功能与测量范围功能与测量范围 单片机单片机 DSPDSP的广泛应用的广泛应用 LabVlEWLabVlEW、组态软件等图形化软件技术、组态软件等图形化软件技术 网络与通信技术网络与通信技术 1 1、传感器技术、传感器技术 为为适适应应智智能能仪仪器器发发展展的的需需要要，各各种种新新型型传感器不断涌现。传感器不断涌现。聋哑传感器聋哑传感器(Dumb Sensor) (Dumb Sensor) 智能传感器智能传感器(Smart Sensor)(Smart Sensor)网络化传感器网络化传感器(Networked Sensor)(Networked Sensor) 传传统统的的传传感感器器是是模模拟拟仪仪器器仪仪表表时时代代的的产产物物。聋聋哑哑传传感感器器的的设设计计指指导导思思想想是是把把外外部部信信息息变变换换成成模模拟拟电电压压或或电电流流信信号号。这这类类传传感感器器的的输输出出幅幅值值小小，灵灵敏敏度度低低，而而且且功功能能单单一一，因因而而被被称称为为“聋聋哑哑传传感感器器”。聋哑传感器聋哑传感器 微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟，新型敏感材料不断被开发出来。在高新技术的渗透下，尤其是计算机硬件和软件技术的渗入，使微处理器和传感器得以结合，产生了具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器智能传感器。智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。 智能传感器网网络络通通信信技技术术逐逐步步走走向向成成熟熟并并渗渗透透到到各各行行各各业业，各各种种高高可可靠靠、低低功功耗耗、低低成成本本、微微体体积积的的网网络络接接口口芯芯片片被被开开发发出出来来，微微电电子子机机械械加加工工技技术术, ,将将网网络络接接口口芯芯片片与与智智能能传传感感器器集集成成起起来来并并使使通通信信协协议议固固化化到到智智能能传传感感器器的的ROMROM中中时时，就就产产生生子子网网络络传传感感器器（寻寻址址）；为为解解决决现现场场总总线线的的多多样样性性问问题题，IEEEl451IEEEl4512 2工工作作组组建建立立了了智智能能传传感感器器接接口口模模块块(STIM)(STIM)标标准准，该该标标准准描描述述了了传传感感器器网网络络适适配配器器或或微微处处理理器器之之间间的的硬硬件件和和软软件件接接口口，是是IEEEl451IEEEl451网网络络传传感感器器标标准准的的重重要要组组成成部部分分，为为使使传传感感器器能能与与各各种种网网络络连连接接提提供供了了条条件件和方便。和方便。网络传感器网络传感器zigbee无线传感器网络：短距离、低功耗的无线通信技术 A AD D芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部件之一，高速、低功耗、高分辨率、高性能实现高速高精度数据采集的关键。A AD D电路与微处理器、传感器与控制电路都集成在一块芯片上，这将缩小智能仪器体积，增强可靠性，从而实现智能仪器的多功能化。2、A/DA/D等新器件增强仪器的功能等新器件增强仪器的功能3.单片机、DSP处理器广泛应用 TMSTMS320320系系列列等等高高速速单单片片数数字字信信号号处处理理器器(DSP(DSPDigital Digital Signal Signal Processor)Processor)是是通通过过硬硬件件来来完完成成乘乘法法和和加加法法运运算算的的，极极大大地地增增强强了了智智能仪器的数字滤波、卷积等信号处理能力。能仪器的数字滤波、卷积等信号处理能力。新新型型DSPDSP芯芯片片接接口口功功能能大大大大加加强强，甚甚至至集集成成了了DSPDSP与与ARMARM双核。双核。TMS320：德州仪器德州仪器(TI)4 4、ASICASIC、FPGAFPGACPLDCPLD技术技术ASIC(Application ASIC(Application Specific Specific Integrated Integrated CircuitsCircuits，专专用用集集成成电电路路) )无无论论在在价价格格、集集成成度度，还还是是在在产产量量、产产值值方方面面均均取取得得了了飞飞速速发发展展。因因此此，对对仪仪器器设设计计者者来来说说，很很有有意意义义的的一一项项工工作作是是把把一一些些性性能能要要求求很很高高的的线线路路单单元元设设计计成成专专用用集集成成电电路路而而使使智智能能仪仪器器的的结结构构更更紧凑，性能更优良，保密性更强。紧凑，性能更优良，保密性更强。在在计计算算机机和和必必要要的的仪仪器器硬硬件件确确定定之之后后，软软件件就就是是智智能仪器仪器发展的关键。能仪器仪器发展的关键。NINI（National National InstrumentsInstruments）公公司司19861986年年设设计计的的LabVlEWlLabVlEWl0 0，20032003年年发发展展到到Labview7Labview70 0，推推动动虚虚拟仪器技术的发展。拟仪器技术的发展。图图形形化化编编程程语语言言建建立立的的虚虚拟拟仪仪器器面面板板，完完成成对对仪仪器器的控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。的控制、数据采集、数据分析和数据显示功能。虚虚拟拟仪仪器器系系统统由由用用户户定定义义；仪仪器器硬硬件件模模块块化化；可可重重用用和和重重新新配配置置；系系统统功功能能、规规模模可可通通过过修修改改软软件件、更更换换仪仪器器硬硬件件而而增增减减；技技术术更更新新速速度度快快(1(12 2年年) )，开发维护费用低。开发维护费用低。5 5、LabVlEWLabVlEW等图形化软件技术等图形化软件技术虚拟仪器虚拟仪器 随随着着网网络络技技术术、通通信信技技术术的的高高速速发发展展与与广广泛泛应应用用，网网络络化化测测试试技技术术受受到到广广泛泛关关注注，这这必必将将对对网网络络时时代代的的测测试试仪仪器器和和测测试试技技术术产产生生革革命命性性变化。表现在两个方面：变化。表现在两个方面： 智智能能仪仪器器要要上上网网，完完成成数数据据传传输输、远远程程控控制与故障诊断等；制与故障诊断等；构构建建网网络络化化测测试试系系统统，将将分分散散的的各各种种不不同同测测试试设设备备挂挂接接在在网网络络上上，通通过过网网络络实实现现资资源源、信信息息共共享享，协协调调工工作作，共共同同完完成成大大型型复复杂杂系系统统的测试任务。的测试任务。6 6、网络与通信技术、网络与通信技术 网络化测试系统主要由两大部分组成：网络化测试系统主要由两大部分组成：组组成成系系统统的的基基本本功功能能单单元元(PC(PC仪仪器器、网网络络化化测测量量仪器、网络化传感器、网络化测量模块仪器、网络化传感器、网络化测量模块) )；连接各基本功能单元的通信网络连接各基本功能单元的通信网络。构建网络化测试系统需考虑的问题：构建网络化测试系统需考虑的问题： 系统要具有开放性和互操作性；系统要具有开放性和互操作性； 系统的实时性和时间的确定性；系统的实时性和时间的确定性； 系统的成本尽可能低，通用性好；系统的成本尽可能低，通用性好； 基本功能单元必须是智能化的，带有本地微基本功能单元必须是智能化的，带有本地微 处理器和存储器，具有网络化接口。处理器和存储器，具有网络化接口。四四 智能仪器的软硬件组成智能仪器的软硬件组成 智能仪器的硬件系统主要包括智能仪器的硬件系统主要包括微机系统、输微机系统、输入入/ /输出电路、人机接口和通讯接口电路输出电路、人机接口和通讯接口电路4 4部分。部分。第一个考核点 微机系统微机系统用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，它通常由微处理器（MPU）、程序存储器、数据存储器及输入输出（I/O）接口电路组成。主机电路可以选择单片机，也可以选择通用计算机。 信号输入输出电路信号输入输出电路包括模拟量输入输出电路及开关量输入输出电路两部分。 模拟量输入输出电路由模拟量输入电路、模拟量输入输出电路由模拟量输入电路、A/DA/D转换器、转换器、D/AD/A转换器及模拟执行器等组成，用于实现对输入模拟量转换器及模拟执行器等组成，用于实现对输入模拟量的调理、数字化转换以及将输出数字量转化为模拟量进的调理、数字化转换以及将输出数字量转化为模拟量进而驱动模拟执行器等功能；而驱动模拟执行器等功能； 开关量输入输出电路用于实现开关量的输入及输出功开关量输入输出电路用于实现开关量的输入及输出功能。能。 人人人人- - - -机接口电路机接口电路机接口电路机接口电路主要实现操作者和仪器之间主要实现操作者和仪器之间的信息交流功能，包括参数的设置、测量信号的信息交流功能，包括参数的设置、测量信号显示和打印等功能。它由键盘、显示器、打印显示和打印等功能。它由键盘、显示器、打印机等及其接口电路组成。机等及其接口电路组成。 通信接口电路通信接口电路通信接口电路通信接口电路用于实现仪器与计算机的联用于实现仪器与计算机的联系，使仪器接受计算机的程控命令，将仪器测系，使仪器接受计算机的程控命令，将仪器测量的数据上传给计算机，以便进行数据分析和量的数据上传给计算机，以便进行数据分析和处理。目前常用的仪器通信接口有处理。目前常用的仪器通信接口有GP-IBGP-IB通信通信接口、接口、RS-232CRS-232C接口以及应用于集散控制系统接口以及应用于集散控制系统中的中的CANCAN总线接口和以太网接口等。总线接口和以太网接口等。智能仪器的软件系统组成智能仪器的软件系统组成 智能仪器的软件主要分为监控程序和功能执行程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，用来协调各个执行模块和操作者关系的程序，在系统程序中充当组织调度的角色。功能执行程序实现各种实质性的功能，如测量、计算、显示、打印、输出控制和通信等 。 监控程序的结构大致分作业顺序调度型、作业优先调度型和键码分析作业调度型3种。第8章有着详细的阐述。 五 智能仪器的模块化设计思想模块化设计思想 根据仪器的功能要求和技术指标，遵循自上向下、由大到小、由粗到细的思想，按仪器的功能层次，把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计和调试；然后把它们连接起来，进行总调。 硬件模块通常分成主机、输入输出通道、人机接口部件、通信接口和电源等. 软件模块分成监控程序(包括初始化、键盘和显示管理、中断管理、时钟管理及自诊断等)、中断处理程序以及各种测量和控制算法等功能模块。 优点：每一个模块都相互独立，能进行独立的设计、研优点：每一个模块都相互独立，能进行独立的设计、研制、调试和修改制、调试和修改第2个考核点模块连接 软件模块的连接软件模块的连接 硬件模块的连接硬件模块的连接 一是以主机系统为核心，通过内部三总线(数据总线、地址总线和控制总线)连接二是采用标准并行总线(1SA或PCI总线)或12C等串行总线来连接 通过监控程序调用各种功能模块，或采用中断方法实时地执行相应服务模块来实现 六 智能仪器的研制过程 第3个考核点嵌嵌入入式式系系统统是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”，主要包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用软件系统等4部分。根据应用方式的不同，嵌入式系统分为IP(Intellectual Property知识产权核)、芯片级和模块级3种不同的体系结构形式。请同学们在课下时间，阅读1.5.2节的内容。其中有关陌生的电子术语，可以通过互联网查询，得到详尽、清晰的解释。 源自网络对嵌入式系统的解释：源自网络对嵌入式系统的解释：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 芯片级是根据应用系统或IT产品的要求，设计人员选择相应的处理器(如MCU、DSP和MPU等)芯片、存储器芯片和I0接口芯片组成嵌入式系统，并将相应系统软件固化在非易失性存储器芯片中。 常用的嵌入式芯片可以分成嵌入式微处理器(EMPU)、嵌入式微控制器(EMCU)和嵌入式DSP处理器。EMPU在应用中装配在专门设计的电路板上，并配上ROM、RAM、总线接口和各种外设等器件。EMCU，又称为单片机，是将整个计算机系统集成到一块芯片中，以某种微处理器内核为核心，并在芯片内部集成ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、IO、串行口、脉冲调制输出PWM、AD和DA等部件。EMCU为目前嵌入式系统工业的主流，其资源比较丰富，尤其适合于仪器仪表与控制方面的应用。DSP对系统结构和指令进行了专门设计，适用于执行数字信号处理算法，如在数字滤波、FFT和频谱分析等算法编程简单，执行速度快。 模块级是将以x86处理器构成的计算机系统模块嵌入到应用系统中，把操作系统改造为嵌入式操作系统，把应用软件固化在固态盘中。它适用于工业控制和仪器仪表。 习习 题题1简述智能仪器的结构组成。2智能仪器的设计思想是什么?3简述设计、研制智能仪器的基本过程。4简述单片机与嵌入式系统的联系和区别