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第1章智能仪器概述智能仪器原理及设计机械与储运工程学院张蓬第1章智能仪器概述课程考核简介•课程性质：实践课•课程安排：理论课（10-16学时）•考核方式：平时成绩（30%）+期末大作业成绩（70%）•考试内容：以教材及课件中内容为主，适当增加相关知识的考查。第1章智能仪器概述1.1仪器仪表概述1.2智能仪器的特点1.3智能仪器课程简介1.4仿真设计软件简介第一章智能仪器概述第1章智能仪器概述第一章智能仪器概述•仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。它的最基本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。•智能仪器是微机技术、电子技术与信息技术相结合的产物，随着新技术、新器件应用领域的扩大，智能仪器已经成为现代仪器仪表发展的主流。•智能仪器的特征是数字化、自动化、智能化。第1章智能仪器概述1.1仪器仪表概述仪器是多种科学技术的综合产物，品种繁多。按功能划分：测量仪器、控制仪器（测控仪器）按用途划分：计算仪器、分析仪器、办公仪器、医疗仪器、地震仪器、天文仪器、航空仪器、石化仪器…第1章智能仪器概述按仪器测量物理量不同可划分为如下八种计量仪器：(1)几何量计量仪器(2)热工量计量仪器(3)机械量计量仪器(4)时间频率计量仪器(5)电磁计量仪器(6)无线电参数测量仪器(7)光学与声学参数测量仪器(8)电离辐射计量仪器第1章智能仪器概述近代仪器技术经历了模拟式（1910’s）→数字式（1950’s）→智能式（1980’s）三个发展阶段模拟式仪器（analogmeter）——用指针或记录笔表征过程变量的仪表。数字式仪器（Digitalinstrument）——用数字形式表征过程变量的仪表。智能式仪器（Intelligent[Smart]Instrument）第1章智能仪器概述示波器第1章智能仪器概述三代万用表比较第1章智能仪器概述智能仪器——以微处理机为核心，应用数字技术和软件技术形成的电子仪器（普遍认同的定义）根据仪器组成形式划分：微机内置式智能仪器微机扩展式智能仪器第1章智能仪器概述⑴微机内置式智能仪器微控制器（MCU）+扩展硬件+测控软件→电子仪器（将计算机嵌入仪器——外形更像仪器）第1章智能仪器概述特点是小型化、多功能、低成本、专用性，可适应恶劣工作环境。第1章智能仪器概述⑵微机扩展式智能仪器通用微机+扩展硬件+测控软件→虚拟仪器（将仪器装入计算机——外形更像计算机）第1章智能仪器概述80年代后期虚拟仪器（VirtualInstrument）虚拟仪器以通用计算机为基础，加上特定的硬件接口设备和为实现特定功能而编制的软件而形成的一种新型仪器。美国国家仪器（NI）公司提出第1章智能仪器概述三大组成模块计算机仪器模块软件虚拟仪器个人计算机（各种通用计算机）各种传感器信号调理器模数转换器数据采集器数据分析过程通讯图形用户界面等软件第1章智能仪器概述GPIBSerialDAQProcessorUnitUnderTestVXIImageAcquisitionMotionControlPXIApplicationSoftwareHardware&DriverSoftware•Windows/CVI•LabVIEW美国国家仪器公司（NationalInstruments）第1章智能仪器概述普通PC存在一些不可避免的弱点，用它构建的虚拟仪器存在一定可靠性问题。NI于1997年推出PXI标准——PCI在仪器领域的扩展(PCIeXtensionsforInstrumentation)第1章智能仪器概述在虚拟仪器中，硬件仅起着信号的输入/输出功能，软件才是仪器的关键。虚拟仪器开发语言：文本式编程语言：如VisualBasic、C++、VisualC、labwidows/CVI等图形化编程语言：LabVIEW、HP-VEE等第1章智能仪器概述LabView（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）专为数据采集、仪器控制、数据分析和数据表达而设计的开发软件。适合于用户组建小型虚拟仪器或用于大系统中某个分系统的编程。第1章智能仪器概述程序流程图图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是程序流程图。前面板特点：图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。第1章智能仪器概述LabWindows/CVI（CcompilerforVirtualInstruments）基于ANSIC的虚拟仪器集成开发环境（平台）为工程师和科学家提供用于创建仪器控制、数据采集、分析测试的全套编程工具。第1章智能仪器概述源代码调试窗口用户界面窗口特点：具有丰富的库函数、专业化的图形控件和灵活的交互式编程环境，且具有与C语言程序较好的融合性。第1章智能仪器概述网络化仪表网络化仪器仪表（随着internet的出现形成的）第1章智能仪器概述两类智能仪器比较微机内置式智能仪器体积小、灵活性高、成本低，但产品研发要求较高的软硬件综合技能，且开发周期较长，适合于作为定型产品方案。微机扩展式智能仪器功能强、性能优、上手快（无需硬件方面的技能）但仪器成本较高，适合于科研和尖端应用领域。从工程应用角度来看，两者各有利弊。因而本课程将以嵌入式智能仪器为教学目标，探讨其工作原理、设计、应用方面的内容。第1章智能仪器概述智能仪器的主要特点1．测量过程的软件控制简化了硬件结构，缩小了体积及功耗，提高了可靠性，增加了灵活性，而且使仪器的自动化程度更高。这就是人们常说的“以软件代硬件”的效果。随着微型计算机时钟频率的大幅度提高，与全硬件实时控制的差距越来越小。第1章智能仪器概述2．数据处理主要体现在误差剔除、精度补偿、函数运算、对在线信号实时采集、存储、显示和分析、数值滤波、时域分析、频域分析。在生物医疗、语音分析、模式识别和故障诊断等方面都有广泛的应用。一台智能仪器也是信号分析仪器。3．多功能化智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理功能一机多用的多功能化易于实现，从而多功能化成为这类仪器的又一特点。第1章智能仪器概述1.1智能仪器概述1.2智能仪器的特点1.3智能仪器课程简介1.4仿真设计软件简介第1章智能仪器概述⑴具有自动校准功能可消除零位漂移误差，自动进行周期性校准。工作原理智能天平1.2智能仪器的特点第1章智能仪器概述⑵自动量程切换功能如何提高测试精度和读数的分辨率？程控放大器PGARARff1第1章智能仪器概述⑶具有复杂数据处理功能通过数字滤波、非线性校正，系统误差修正等软件算法，可提高仪器的测量准确度。第1章智能仪器概述⑷可提供丰富的人机交互形式通过键盘、按钮、触摸屏输入命令或参数；通过数码管、显示器观察仪器运行结果；通过打印机、USB、Web复制测量信息。第1章智能仪器概述⑸具有仪器自检功能，能及时发现问题自检类型：开机自检、周期性自检、键控自检检查内容：特殊功能部件工作状态如，RAM的读写数据是否一致；显示器是否正常发光；A/D转换结果是否正确；ROM是否信息有误；…第1章智能仪器概述⑹能方便地进行功能扩展可以通过更改软件实现新的功能——相同硬件+专用软件→专用仪器第1章智能仪器概述1.1智能仪器的概念1.2智能仪器的特点1.3智能仪器课程简介1.4仿真设计软件简介第1章智能仪器概述学习目标了解智能仪器的工作原理、系统组成和设计方法，掌握智能仪器软件编程与开发的基本技能。主要内容硬件设计：51MCU基本电路+串行接口技术软件设计：智能仪器常用功能的软件编程方法软件工具：仿真软件Proteus+编译软件KeilC常用算法：测量算法与控制算法学习方式理论教学+实践环节+答辩=32h第1章智能仪器概述查阅资料：了解工作原理、制定设计方案电路设计：51MCU系统+虚拟传感器软件开发：C51+汇编语言编程设计报告：方案+软硬设计+分析分组答辩：PPT+仿真运行关于考试完成一台智能仪器的仿真设计任务(大作业)第1章智能仪器概述参考教材第1章单片机基础知识概述第2章MCS-51单片机结构及原理第3章单片机的汇编语言与程序设计第4章单片机的C51语言第5章单片机的中断系统第6章单片机的定时器/计数器第7章单片机的串行通信技术第8章单片机接口技术第9章单片机应用系统的设计与开发附录实验指导第1章智能仪器概述单片机课程学习网站（）第1章智能仪器概述1.1智能仪器的概念1.2智能仪器的特点1.3智能仪器科研实例1.4仿真设计软件简介第1章智能仪器概述英国Labcenter公司的电路分析与实物仿真软件提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能（类似于multisim软件）可仿真多种MCU，如51系列、AVR，PIC等可仿真多种外围电路，如8251、键盘，LED等可提供多种调试虚拟仪器，如示波器、信号源等可实现从概念到产品的完整设计1.4仿真设计软件Proteus简介第1章智能仪器概述第1章智能仪器概述Proteus是集智能原理图输入系统（ISIS）和高级布线与编辑软件（ARES）两大功能与一体的电子设计系统。第1章智能仪器概述1.4.1ISIS——智能原理图输入系统数字与模拟电路原理图绘制数字与模拟电路仿真运行单片机汇编程序编译调试(IntelligentSchematicInputSystem)第1章智能仪器概述单片机系统原理图数字与模拟电路原理图绘制第1章智能仪器概述测频电路原理图第1章智能仪器概述子电路及模块电路子电路模块电路第1章智能仪器概述子电路F1电路原理图第1章智能仪器概述模块电路VCO1电路原理图第1章智能仪器概述可利用线路探针进行电路测量利用不同颜色电路连线显示相应电压利用箭头显示电流方向探针实时显示电压/电流值暂停时，使用VirtualInstruments按钮，可显示元件参数信息数字与模拟电路仿真运行第1章智能仪器概述可利用信号发生器作为电路激励源•DC：直流电压源•Sine：正弦波发生器•Pulse：模拟脉冲发生器•Exp：指数脉冲发生器•SFFM：单频率调频波信号发生器•Pwlin：任意分段线性脉冲信号发生器•File：ASCII文件信号发生器•Audio：音频信号发生器•DState：稳态逻辑电平发生器•DEdge：单边沿信号发生器•DPulse：单周期数字脉冲发生器•DClock：数字时钟信号发生器•DPattern：模式信号发生器第1章智能仪器概述模拟脉冲激励源包括方波、锯齿波、三角波及单周期短脉冲模拟脉冲信号输出第1章智能仪器概述音频信号激励源使用WindowsWAV文件作为输入文件。结合音频分析图表，可以听到电路对音频信号处理后的声音。音频信号输出第1章智能仪器概述数字时钟信号激励源数字时钟信号输出第1章智能仪器概述可利用虚拟仪器检测电路工作状态虚拟示波器(OSCILLOSCOPE)逻辑分析仪(LOGICANALYSER)定时计数器(COUNTERTIMER)虚拟终端(VIRUALTERMINAL)SPI调试器(SPIDEBUGGER)I2C调试器(I2CDEBUGGER)信号发生器(SIGNALGENERATOR)模式发生器(PATTERNGENERATOR)电压表和电流表（voltmeters/ammeters）第1章智能仪器概述虚拟示波器第1章智能仪器概述调幅信号输出信号发生器参数设置虚拟信号发生器第1章智能仪器概述虚拟终端第1章智能仪器概述第一步：输入单片机系统原理图单片机汇编程序编译调试第1章智能仪器概述第二步：建立汇编源代码文件选择代码生成工具建立新的源代码文件定义新的源代码文件名称第1章智能仪器概述第三步:进行源代码调试（自带编译器）第1章智能仪器概述C51语言开发环境；汇编语言开发环境；可进行纯软件仿真；可与Proteus联合仿真。第三方程序编译器——Keil第1章智能仪器概述Proteus与Keil联合调试Keil处于运行状态PROTEUS同时进入运行状态第1章智能仪器概述仿真运行效果第1章智能仪器概述1