智能儀表原理與設(shè)計(jì)

1、智能儀表原理與設(shè)計(jì),智能儀表與PC聯(lián)網(wǎng),智能儀表概述,智能儀表硬件設(shè)計(jì),智能儀表軟件設(shè)計(jì),課程內(nèi)容：,1.3 智能儀表的開發(fā)工具,1.0 智能儀表的發(fā)展,1.1 智能儀表的功能和組成,1.2 智能儀表的設(shè)計(jì)思想和研制步驟,第一章 概述,,,,,客觀世界是一個(gè)物質(zhì)世界，人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)物質(zhì)世界，就必須對(duì)表征物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的各種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。一個(gè)完整的測(cè)試過(guò)程包括：信息的采集信息的變換與傳輸信息的處理和分析信息的顯示和記錄,1.

2、0 智能儀表的發(fā)展,控制過(guò)程包括,控制信息的獲取與傳輸,控制信息（命令）的執(zhí)行,先進(jìn)控制和優(yōu)化控制：CIPS, FCS 20世紀(jì)80年代以后,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展,控制系統(tǒng)的發(fā)展：,基地式：20世紀(jì)50年代,單元組合式： DDZ, QDZ 20世紀(jì)60年代,計(jì)算機(jī)： DDC, DCS 20世紀(jì)70年代,模擬儀表→數(shù)字儀表→智能儀表。,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及儀表的發(fā)展,儀表的發(fā)展：,生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流；過(guò)程優(yōu)化受到普遍關(guān)注；

3、傳統(tǒng)的DCS在走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)；DCS與FCS相結(jié)合；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（CIPS）是發(fā)展方向。,當(dāng)前自動(dòng)控制系統(tǒng)及儀表發(fā)展的一些主要特點(diǎn),儀表的智能性越來(lái)越強(qiáng)。,智能是隨外界條件變化而作出的一種正確反應(yīng)的能力。將人的智能引入儀表，即將人工智能的理論和方法應(yīng)用于儀表產(chǎn)品，則可實(shí)現(xiàn)儀表智能化。,什么是智能化？,智能儀表？,智能儀表的定義：——智能儀表是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)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?jī)x器，

4、它具有對(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，有的還具有自校正、自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能，具有一定智能的作用。 實(shí)際上，早期大多內(nèi)裝單片機(jī)的儀表只具有運(yùn)算、判斷能力，用“智能化”的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量尚有差距，稱之為微機(jī)化儀表更為確切。但現(xiàn)在已經(jīng)有了很大發(fā)展。,智能儀器的發(fā)展,智能儀表的出現(xiàn)至今已有近三十年的歷史。隨微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)而發(fā)展。,在20世紀(jì)70年代，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，智能儀表開始

5、發(fā)展起來(lái)20世紀(jì)80年代初期，出現(xiàn)了高性能的數(shù)字萬(wàn)用表，其數(shù)據(jù)處理功能一般包括百分誤差、絕對(duì)誤差、最大值及最小值、峰-峰值、平均值、有效值、方差及標(biāo)準(zhǔn)差等。并且有的還具有自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)。,到了20世紀(jì)90年代，在高準(zhǔn)確度、高性能、多功能的測(cè)量?jī)x器中已經(jīng)很少有不采用微計(jì)算機(jī)技術(shù)的了。,近年來(lái)，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)處理發(fā)展。體現(xiàn)為模糊判斷、故障診斷、容錯(cuò)技術(shù)、傳感器信息融合等等，使智能儀器的功能向更高的層次發(fā)展。國(guó)際、

6、國(guó)內(nèi)也越來(lái)越重視1984年：我國(guó)電磁測(cè)量信息處理儀器學(xué)會(huì)正式成立“自動(dòng)測(cè)試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”1986年，IMEKO(International Measurement Confederation,國(guó)際測(cè)量聯(lián)合會(huì))以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會(huì)，,1988年，IFAC(International federation of Automatic Control,國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì))的理事會(huì)正式確定“智能元件及儀器”（Intel

7、ligent Components and Instruments）為其系列學(xué)術(shù)委員會(huì)之一1989年5月，在武漢召開了第一屆測(cè)試技術(shù)與智能儀器國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì),智能儀表正趨向于多功能、高精度、低功耗、小型化、成套化，操作也更為簡(jiǎn)便。,,1.1 智能儀表的功能和組成,1.1.1 智能儀表的基本組成,智能儀表包括硬件和軟件兩大部分，其功能很大程度上取決于軟件。,硬件部分:,智能儀表硬件包括主機(jī)電路(微處理器：?jiǎn)纹瑱C(jī)或嵌入式系統(tǒng))、輸入輸

8、出通道、人機(jī)聯(lián)系部件與接口電路以及串行或并行通信接口。,智能儀表的硬件組成,單片機(jī)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向,在HCMOS基礎(chǔ)上的全盤 CMOS 化，該器件具有本質(zhì)低功耗、寬電壓范圍等優(yōu)良性能。,單片機(jī)字長(zhǎng)有4、8、16和32位，但當(dāng)前主流機(jī)型仍是8位機(jī)。 8位單片機(jī)還會(huì)不斷改進(jìn)和完善。,程序存儲(chǔ)器已從片內(nèi)或外接EPROM發(fā)展為OTPROM（一次性編程只讀存儲(chǔ)器）和FlashROM (快擦寫存儲(chǔ)器),硬件的特點(diǎn)：,單片機(jī)內(nèi)部資源不斷豐富和擴(kuò)大，如存儲(chǔ)

9、容量增大，I/O口數(shù)量增多，許多外部接口電路 (ADC、PWM、WDT等)集成到單片機(jī)中。,嵌入式系統(tǒng)。,新一代的單片機(jī)采用 RISC (精簡(jiǎn)指令集) 體系結(jié)構(gòu)，較之傳統(tǒng) CISC,指令的運(yùn)行速度有了很大的提高。,軟件部分:,智能儀表軟件包括監(jiān)控程序、中斷處理(服務(wù)) 程序以及能實(shí)現(xiàn)各種算法的功能模塊。,1.1.2 智能儀表的特點(diǎn),儀表中使用單片微機(jī)、ASIC專用集成電路或DSP 數(shù)字信號(hào)處理芯片、集成開關(guān)電源，并采用表面貼裝技術(shù)。,儀

10、表符合可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、耐環(huán)境性設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)的要求。,儀表具有自動(dòng)校零、滿度和切換量程以及自動(dòng)補(bǔ)償和修正各類誤差的功能，以實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。,儀表具有符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信接口，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。,儀表具有自診斷功能, 一旦發(fā)現(xiàn)故障即能告警, 并 能及時(shí)處理。,儀表具有多種輸入、輸出方式和多種控制功能,可任意設(shè)置或組態(tài)。,1.1.3 過(guò)程控制中常見的智能儀表,現(xiàn)場(chǎng)類智能變送、執(zhí)行儀表，例如智能式壓力、差壓、流量、物位、溫

11、度、成分等傳感、變送器以及執(zhí)行器。,控制、顯示、記錄類智能儀表，例如自整定 PID調(diào)節(jié)儀、可編程調(diào)節(jié)器、可編程控制器、流量積算儀、大屏幕無(wú)紙記錄儀等。,當(dāng)前流行的虛擬儀器(VI) 采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上加入特定的硬件和軟件，使之完成許多儀器的功能，成為新一代的儀器儀表。,,1.2.1 智能儀表的設(shè)計(jì)思想,模塊化設(shè)計(jì)： 依據(jù)儀表的功能要求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo), 自頂向下（由大到?。┑匕磧x表功能層次把硬件和軟件分成若干個(gè)模塊, 分別進(jìn)

12、行設(shè)計(jì)和調(diào)試, 然后把它們連接起來(lái), 進(jìn)行總調(diào), 這就是設(shè)計(jì)儀表的基本思想。,1.2 智能儀表的設(shè)計(jì)思想和研制步驟,模塊的連接： 軟件模塊的連接, 一般是通過(guò)監(jiān)控主程序調(diào)用各種功能模塊，或采用中斷的方法實(shí)時(shí)地執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)；硬件模塊（模板）的連接一般是以主機(jī)模塊為核心，通過(guò)內(nèi)部總線（數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）連接其它模塊。,1.2.2 設(shè)計(jì)、研制的主要內(nèi)容,確定設(shè)計(jì)任務(wù)和儀表功能，提出設(shè)計(jì)初步方案。,繪制硬件及軟

13、件總框圖，確定硬件類型和數(shù)量，注意單片機(jī)的選擇以及權(quán)衡硬、軟件的比例。,硬件電路的設(shè)計(jì)、研制和調(diào)試。用專業(yè)軟件（CAD等） 繪圖布線，力求標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。,儀表總調(diào)、性能測(cè)定。對(duì)設(shè)計(jì)所要求的全部功能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)修改，直至滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。最后要寫出性能測(cè)試報(bào)告。,儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力求造型優(yōu)美、色澤柔和、美觀大方、外廓整齊、細(xì)部精致，便于操作、維修。,應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)、程序編制和調(diào)試。注意結(jié)構(gòu)清晰、編程規(guī)范。通常，用仿真器進(jìn)行調(diào)試。

14、,,1.3 智能儀表的開發(fā)工具,單片機(jī)本身沒(méi)有開發(fā)能力，必須借助開發(fā)工具來(lái)研制、調(diào)試智能儀表的硬件和軟件。,開發(fā)工具是由主處理器、顯示器、鍵盤、在線仿真器、編程器、打印機(jī)以及開發(fā)所需要的軟件組成的一個(gè)系統(tǒng)，故又稱為開發(fā)系統(tǒng)。,1.3.1 開發(fā)工具的功能,編程能力 編輯、匯編、反匯編、編譯等調(diào)試、運(yùn)行能力 調(diào)試、排錯(cuò)仿真功能 模擬被開發(fā)的樣機(jī)系統(tǒng),1.3.2 開發(fā)工具的種類,簡(jiǎn)易型開發(fā)系統(tǒng)軟件模擬開發(fā)系統(tǒng)通用型開發(fā)系統(tǒng)