测控仪器设计教案

时间：2023-04-25 15:49:11 教案我要投稿

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测控仪器设计教案

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测控03《测控仪器设计》教案

测控仪器设计教案

第一章绪论

1.1、仪器发展过程

仪器：是对物质世界信息进行测量与控制的设备。

1、按所采用的电子器件：

真空管-→晶体管-→集成电路(三个时代)

2、按组成结构、工作原理和功能特点：

模拟式-→数字式-→智能化(三个发展阶段)

第一代：模拟式仪器。

如指针式的电压表、电流表、功率表。机械式

特点：功能简单、精度低、响应速度慢。

第二代：数字式仪器。

如数字万用表、数字频率计。数电

基本特点：是将待测的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并向外传送。精度高，响应速度快，读数清晰、直观。

第三代：智能仪器。

概念：是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延伸或加强等)，因而被称之为智能仪器。

(1)是在数字化的基础上发展起来的，是计算机技术与测量仪器相结合的产物。微处理器在智能仪器中的作用主要体现在以下两方面：

①对测试过程的控制：接受来自键盘或通信接口的命令，解释并执行这些命令，控制各部分的工作过程，同时对工作状态进行监测。

②对测试数据的处理：表现为硬件电路只需具备最基本的测试能力，能向微型计算机提供原始数据即可。对数据的进一步处理如滤波、运算等可由软件完成。

(2)智能仪器基本技术指标

测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技术指标。对仪器的误差进行校准可以保证仪器具有规定睥准确度。而对仪器的故障进行检测和诊断则可及进发现错误、排除故障，使仪器可靠的工作。

保证仪器准确度(精度)措施：温度补偿、非线性校正、滤波；保证仪器可靠性措施：冗余设计、故障诊断。故障诊断方法：给被测对象施加一定的检测信号，根据其输出响应信号来判断是否存在故障。

由于具有数字存储、运算、逻辑判断能力，可根据被测参数的变化自动选择量程，具有自动校正、自动补偿、自寻故障等功能，可以完成需要人类的智慧才能胜任的工作，即具备了一定的"智能"，故称之为智能仪器。

智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。

3、智能仪器的硬件发展

(1)单片机

以8位的8031等51系列单片机为仪器硬件主流。

(2)DSP芯片(数字信号处理)

利用硬件处理一些数学运算的芯片：AMD29500 16位双极型DSP完成1024点FFT运算仅需2ms。

(3)ASIC芯片(专用集成电路)

1.2智能仪器的特点

与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下特点：

一、测量过程的软件控制

在测量软件出现以前，是采用数字电路的时序控制。由于硬件的体积和成本的原因，现已采用CPU控制下的软件指令替代硬件时序，使仪器测量变得灵活方便，误差补偿、诊断等。

二、数据处理

对测量数据进行存储和运算。它主要表现为：1，改善测量的精确度；2，对测量结果进行再加工。

测量精确度：对随机误差(软件滤波：限幅、中值、平均值)和系统误差(温度补偿、非线性补偿、零点补偿、增益补偿)进行处理。

测量结果分析：时域的波形分析、频域分析等。使智能仪器提供更多高质量的信息量。

三、多功能化

智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理功能使一机多用的多功能化易于实现。

例如：可以显示实时数值、历史趋势、存储打印、报警联网等。

1.3智能仪器的基本结构

两种结构：微机内置式、微机扩展式

1、微机内置式(嵌入式)智能仪器

微机内置式：主要是单片机加调理电路

2、微机扩展式智能仪器

微机扩展式为个人计算机为核心加上测量板卡(内置)或插件箱(外置)。

1.4虚拟仪器

测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器。

虚拟仪器=传统测量板卡+PC+LV软件。

在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，"软件就是仪器"。因此，有人提出未来仪器的一种可能模式。(参阅教材P8图1-4)

图1虚拟仪器实验平台的硬件组成

图

LABVIEW7.0 U12采集器

AD-JS20测控箱

电脑

传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的"硬件软件化"的发展趋势，因而常被称作"软件仪器"。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。

在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常常感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。

图1.虚拟示波器

在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。

在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。决大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。

图2.模糊PID温度控制器

1.5结束语

智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。

本课程学习中需要注意的几个问题：

1、智能仪器是多种技术的结合，虽然智能仪器与微处理器是紧密相连，但决不能将智能仪器简单地与单片机等同。

2、如果对数据处理的实时性要求不是很高，对于软件的开发完全可由C语言进行，不但可以避免复杂的汇编语言编程，维护难的特点，而且可以大大提高开发进程。

3、智能仪器主要从两个方面学习，一是由单片机硬件为主的智能仪器；二是以LV软件为主的虚拟仪器。

思考题：

1、什么是智能仪器?

2、仪器的基本技术指标?如何保证?

3、故障诊断方法?

4、智能仪器特点?

5、智能仪器有哪两种结构?

6、什么是虚拟仪器?

第2章概述