【新版】智能仪器第一章介绍
智能仪表的发展历程（软硬件构成、功能） 电子仪器仪表发展史 仪表是获取信息的工具，是认识世界的工具，是一个系统或设备。它最基本的功能是扩展、扩展、补充或替代人类听觉、视觉、触觉等器官的功能。 20世纪电子工业发展迅速，仪器仪表从电子管时代发展到模拟电路时代，再到数字电路时代，随之而来的是计算机技术的飞速发展。相应地，仪器技术大致经历了模拟---->数字---->智能仪器的发展过程。第一代模拟电子电压表，第二代数字电子电压表，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为数字信号进行测量，并以数字形式输出和显示测量结果。精度高，响应速度快，读数清晰直观，测量结果可打印出来，易于与计算机结合，由于数字信号便于远距离传输，也适用于遥测和遥控。增加了微处理器芯片，具有计算、判断、记忆、控制等功能。优点：功耗低、体积小、可靠性高、价格低。 1915年至1928年，美国首先研制并商业化了峰值电子电压表； 1952年，美国NLS公司首先研制出管式4位数字电压表； 20世纪60年代和70年代，计算机的引入使仪器具有系统测量和测量数据控制、分析、处理、计算和显示输出等功能； 1980年代和1990年代，仪器中使用微处理器，从而实现了仪器的智能化，仪器的人机交互更加友好，测量尺度不断夸大，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、机器寿命预测等，使智能仪表的功能向更高层次发展。 1984年：我国仪器仪表学会成立“自动测试与智能仪器专业组”； 1986年：IMEKO（国际测量联合会）举办了以“智能仪器”为主题的专题研讨会； 1988年：IFAC（国际自动控制联合会）理事会正式确定“智能元器件与仪器”。1989年5月，第一届国际检测技术与智能仪器研讨会在我国武汉召开。智能仪器学科：智能仪器是电子测量仪器与计算机技术相结合的产物，是一种包含微机或微处理器的测量（或测试）仪器，具有数据存储、计算、逻辑判断和自动化操作等功能。功能，具有一定的智能性（表示智能的扩展或增强等）1).仪器强大的仪器强大的仪器内含微电脑，具有数据存储和处理能力，智能仪器内含微电脑。 , 具有数据存储和处理能力。 h 软件的配合，大大增强了仪器的功能。通过软件的配合，大大增强了仪器的功能。微处理器的使用提高了仪器的测量精度；它具有复杂的数据处理功能。例如，传统的数字万用表（如传统数字万用表（DMM DMM）只能）只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能数字测量电阻、交直流电压、电流等，智能型数字万用表不仅可以进行上述测量，还可以对测量结果进行上述测量。万用表不仅可以进行上述测量，还可以对测量结果进行平均值和极值计算、统计分析，以及更复杂的平均值和极值。计算、统计分析和更复杂的数据处理功能。
目前，一些智能仪表也使用了数据处理功能。目前，一些智能仪器还采用专家系统和专家系统技术，使仪器具有更深层次的数据分析处理能力，使仪器具有更深层次的数据分析处理能力，解决只有求专家解决。解决只有专家才能解决的问题。智能仪器的特点： 说明： 说明： 专家系统（expert system）是人工智能应用研究中最活跃、最广泛的课题之一。专家系统是一种智能计算机程序系统，它包含了某一领域专家水平的大量知识和经验，可以利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域的问题。换言之，专家系统是具有大量专业知识和经验的程序系统。它利用人工智能技术和计算机技术，根据某一领域的一名或多名专家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家。为了解决需要人类专家处理的复杂问题，简言之，专家系统是模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。 2)。智能仪器的优越性能 智能仪器的优越性能 微处理器的使用大大提高了仪器的性能。例如，智能仪器使用微处理器操作。例如，智能仪器使用微处理器运算和逻辑判断功能。根据一定的算法，它们可以结合逻辑判断功能。根据一定的算法，它们可以很容易地消除漂移、增益变化和干扰。接地消除了漂移、增益变化和干扰等引起的误差，从而改善了仪器扰动等因素引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。
智能仪器具有测量功率的测量精度。除了测量功能外，智能仪器还具有强大的数据处理能力。除了性能，它还具有强大的数据处理能力。 3)。操作自动化 操作自动化智能仪表采用微处理器控制功能，可方便智能仪表使用微处理器控制功能，可轻松实现量程自动转换、自动调零、自动触发电平调整，实现量程自动转换、自动调零、自动触发电平调整、自动校准、故障自诊断等功能，有效提高了调整、自动校准、故障自诊断等功能，有效提高了仪器的自动测量水平。例如，智能数字示波器具有仪器自动化测量的水平。例如，智能数字示波器有一个自动刻度键（Auto scale Auto scale 键，您只需在测量过程中按下该键）。测量过程中只要按下该键，仪器就可以根据被测信号的频率和幅度进行判断。 , 通过该按钮，仪器可以根据被测信号的频率和幅度自动设置最合理的垂直灵敏度、时基和最佳触摸。设置最合理的垂直灵敏度、时基和最佳触发电平。 , 使信号波形稳定地显示在屏幕上。发送电平，使信号波形稳定显示在屏幕上。再比如智能仪表一般都有自诊断功能。当仪器像智能仪器时，它具有自诊断功能。当仪器出现故障时，可自动检测故障部位，并在出现故障时提供协助。它可以自动检测故障。它还可以帮助诊断故障原因。
甚至一些智能仪器都有故障原因的自动诊断功能。甚至一些智能仪表具有自动切换备件自动维护的功能，大大方便了仪表自动维护切换备件的功能，大大方便了仪器的维护。维护。 4)。具有友好的人机对话能力。智能乐器使用键盘代替传统乐器。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的开关开关来控制仪器，从而实现对仪器的控制。改变开关来实现对仪表的控制自动测量设备，使仪表盘的布置和仪表内部相关部件的布置不再受限制和参与仪表内部相关部件的布置。经营者只需通过，不再相互制约和牵连。操作者只需通过键盘输入指令即可实现一定的测量和处理。键盘输入命令可以实现一定的测量和处理功能。同时，智能仪器还可以集成仪器功能。同时，智能仪器还可以在屏幕上及时显示仪器的运行状态、工作状态、测量数据的运行状态、测量数据的工作状态和处理结果，以便操作仪器的处理结果可以及时显示在屏幕上。使仪器的操作更加方便直观。它更方便和直观。 5)。具有可编程操作能力智能仪器通常配备GP-IB通讯接口或RS-232/RS-422/RS-485（推荐标准）通讯接口，使智能仪器具有可编程操作能力。
因此，它可以很容易地与计算机或其他仪器结合，组成多功能的自动测试系统，以完成更复杂的测试任务。 GP-IB总线是国际电工委员会（IEC）于1978年正式推荐的标准化仪器接口总线。 3.推动智能仪器（无线）发展的主要技术传感器技术A/ D 将显着增强仪器的功能和测量范围。单片机DSP的广泛应用。 LabVlEW、组态软件等图形软件技术网络和通讯技术1、sensor技术为了适应智能仪表发展的需要，各种新型传感器层出不穷。哑传感器 Smart Sensor Networked Sensor Networked Sensor 传统传感器是模拟仪表时代的产物。聋哑传感器的设计指导思想是将外界信息转化为模拟电压或电流信号。这类传感器输出幅度小、灵敏度低、功能单一，故称为“聋哑传感器”。聋哑传感器微电子和光电子技术发展迅速，加工技术逐渐成熟，新型敏感材料不断开发。在高科技的渗透下，特别是计算机软硬件技术的渗透下，微处理器和传感器可以结合，产生具有一定数据处理能力，能够自检、自校准、自检的新一代传感器。 -补偿——智能传感器。
智能传感器的出现是传感技术的一次革命自动测量设备，对传感器的发展产生了深远的影响。智能传感器网络通信技术逐渐成熟并渗透到各行各业。开发了多种高可靠性、低功耗、低成本、微体积的网络接口芯片。微电子加工技术将网络接口芯片与智能传感器相结合。当集成并将通信协议固化到智能传感器的ROM中时，就会产生一个子网传感器（为了解决现场总线的多样性问题，IEEE1451.2工作组建立了智能传感器接口模块（STIM） )标准，它描述了传感器网络适配器或微处理器之间的硬件和软件接口，是IEEEl451网络传感器标准的重要组成部分，为传感器连接到各种网络提供了条件和便利。网络传感器zigbee无线传感器网络：短距离、低功耗无线通信技术A/D芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部件之一，是实现高速、低功耗、高分辨率、高性能的关键高精度数据采集，A/D电路和微处理器、传感器和控制电路都集成在一个芯片上，这将减小智能i的尺寸仪器，提高可靠性，实现智能仪器的多功能化。 2、A/D等新器件增强仪器功能3.单片机和DSP处理器广泛应用于TMS-320系列（DSP'Digital Signal Processor）通过硬件完成乘法和加法运算，大大增强了智能仪器的数字滤波和卷积等信号处理能力。
新DSP芯片的接口功能大大增强，甚至集成了双核DSP和ARM。 TMS-320：德州仪器（TI）4、ASIC，FPGA/CPLD技术ASIC（Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路）在价格、集成度、产量、产值等方面都取得了快速的发展。因此，对于仪器设计人员来说，一项非常有意义的工作就是将一些对性能要求较高的电路单元设计成专用集成电路，使智能仪器的结构更紧凑、性能更好、更保密。在确定了计算机和必要的仪器硬件后，软件是智能仪器发展的关键。 LabVlEWl由NI（National Instruments）于1986.0设计，2003年发展为Labview7.0，推动了虚拟仪器技术的发展。通过图形化编程语言建立的虚拟仪表盘完成仪表控制、数据采集、数据分析和数据显示等功能。虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件是模块化的；它可以重复使用和重新配置；可以通过修改软件和更换仪器硬件来增加或减少系统功能和规模；技术更新速度快（1-2年），开发维护成本低。 5、LabVlEW等图形化软件技术虚拟仪器随着网络技术和通信技术的快速发展和广泛应用，网络化测试技术受到了广泛的关注，必将在网络时代对测试仪器和测试技术产生革命性的变化。
表现在两个方面：智能仪表需要上线完成数据传输、远程控制和故障诊断；构建网络化测试系统，将各种分散的测试设备接入网络，实现资源、信息共享、协同工作，共同完成大规模复杂系统测试任务。 6、网络与通信技术 网络化测试系统主要由两部分组成：组成系统的基本功能单元（PC仪器、网络化测量仪器、网络化传感器、网络化测量模块）；连接基本功能单元的通信 互联网。构建网络化测试系统需要考虑的问题： 系统必须具有开放性和互操作性；系统的实时性和时间确定性；系统成本尽可能低，通用性好；基本功能单元必须是智能的，具有本地微处理器和存储器，具有网络接口。四 智能仪表的软硬件构成 智能仪表的硬件系统主要包括四部分：微机系统、输入输出电路、人机界面和通讯接口电路。第一个评估点 微机系统用于存储程序和数据，并进行一系列的计算和处理。它通常由微处理器（MPU）、程序存储器、数据存储器和输入输出（I/O）接口电路组成。主机电路可以是单片机，也可以是通用计算机。信号输入输出电路包括模拟输入输出电路和开关量输入输出电路两部分。模拟输入输出电路由模拟输入电路、A/D转换器、D/A转换器和模拟执行器等组成，用于实现输入模拟、数字转换和输出数字到模拟的转换。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输出，人机界面电路，人机界面电路主要实现操作者与仪器之间，主要实现操作者与仪器之间的信息通信功能，包括参数设置、测量信号信息通讯功能，包括参数设置、测量信号显示和打印功能。
由键盘、显示器、打印显示和打印功能组成。它由键盘、显示器、打印机等及其接口电路组成。本机等及其接口电路组成。通讯接口电路通讯接口电路用于实现仪器与计算机的连接。用于实现仪器与计算机的连接，使仪器接受计算机程序控制命令，仪器进行测量，仪器接受计算机程序控制命令，将仪器测量数据上传到计算机进行数据分析并将数据量上传至计算机进行数据分析处理。目前处理的是常用的仪器通讯接口。目前常用的仪表通讯接口有GP GP-IB IB通讯通讯接口、RS-232C接口、RS-232C接口，以及分布式控制系统中使用的接口、CAN总线接口和以太网接口等。分布式控制系统。总线接口、以太网接口等。 智能仪表的软件系统组成 智能仪表的软件主要分为监控程序和功能执行程序两部分。监控程序是对仪表盘的键盘和显示器的管理程序。它是用于协调各个执行模块与操作者之间关系的程序，在系统程序中充当组织和调度的角色。功能执行程序实现测量、计算、显示、打印、输出控制、通讯等各种实质性功能。监控程序的结构大致分为三种：作业顺序调度型、作业优先级调度型和关键代码分析作业调度型。第八章有详细说明。
智能仪表的模块化设计理念。模块化设计思想是基于仪器的功能要求和技术指标。它遵循自上而下、由大到小、由粗到细的思想。根据仪器的功能水平，将硬件和软件分为几个模块，分别进行设计和调试；然后将它们连接起来进行整体调整。硬件模块通常分为主机、输入/输出通道、人机界面组件、通信接口和电源。软件模块分为监控程序（包括初始化、键盘和显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断等）、中断处理程序和各种测控算法等功能模块。优点：各模块相互独立，可独立设计、开发、调试、修改。该模块连接到软件模块。硬件模块的连接是以主机系统为核心，通过内部三种总线（数据总线、地址总线）和控制总线）第二种连接是使用标准的并行总线（1SA或PCI总线）或串行12C等总线通过监控程序连接各种功能模块，或采用中断方式实时执行相应的服务模块，实现六大智能仪表开发过程的评价点 嵌入式系统是一个“设备”集成软件/硬件，可独立工作。它主要包括四个部分：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件系统。根据应用方式的不同，嵌入式系统分为三种不同的架构形式：IP（知识产权）、芯片级和模块级。
请在课后阅读1.5.2 的内容。不熟悉的电子术语可以通过互联网搜索，详细清晰的解释。从网络解读嵌入式系统：嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可量身定制，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的应用系统专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用程序四部分组成。它用于控制、监视或管理其他设备。芯片级是根据应用系统或IT产品的要求，设计者选择相应的处理器（如MCU、DSP、MPU等）芯片、存储芯片和I/0接口芯片组成嵌入式系统，并将相应的系统软件固化在非易失性存储芯片中。常用的嵌入式芯片可分为嵌入式微处理器（EMPU）、嵌入式微控制器（EMCU）和嵌入式DSP处理器。 EMPU在应用中组装在一块专门设计的电路板上，并配有ROM、RAM、总线接口和各种外设等设备。 EMCU又称单片机，以一定的微处理器内核为核心，将整个计算机系统集成在一个芯片中，在芯片内部集成了ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、网守等。狗、I/O、串口、脉冲调制输出PWM、A/D、D/A等元件。
EMCU 是目前嵌入式系统行业的主流，其资源比较丰富，特别适合在仪器仪表和控制方面的应用。 DSP 专门设计了系统结构和指令，适用于执行数字信号处理算法。例如，数字滤波、FFT、频谱分析中的算法编程简单，执行速度快。在模块层面，将x86处理器组成的计算机系统模块嵌入到应用系统中，将操作系统转化为嵌入式操作系统，将应用软件固化在固态硬盘中。适用于工业控制和仪器仪表。 1、简述智能仪表的结构和组成。 2、智能仪表的设计理念是什么？ 3．简述智能仪器设计开发的基本过程。 4. 简述单片机与嵌入式系统的联系和区别
