测控系统原理与设计1-绪论.ppt

1、江辉先修课程：数字电子技术、模拟电子技术、 微机原理及接口技术、单片机使用教材：智能仪器设计基础，史健芳，电子工业出版社参 考 书：1、智能仪器设计基础，赵新民主编，哈尔滨工业大学出版社2、智能仪器 付华主编电子工业出版社3、智能仪器，林君 程德福，机械工业出版社 目前我们正处于信息时代目前我们正处于信息时代检测技术是信息科学的一个分支，它与检测技术是信息科学的一个分支，它与计算机技术、自动控制技术、通信技术计算机技术、自动控制技术、通信技术一起，构成了信息技术的完整学科。一起，构成了信息技术的完整学科。 信息技术的要素包括信息的获取、信息技术的要素包括信息的获取、存储、处理、传输和利用，而信

2、息的获存储、处理、传输和利用，而信息的获取主要靠仪器仪表来实现。所以，检测取主要靠仪器仪表来实现。所以，检测技术是信息工业的源头，如果获取的信技术是信息工业的源头，如果获取的信息是错误的，那么信息的存储、传输和息是错误的，那么信息的存储、传输和处理都毫无意义，更谈不上利用。处理都毫无意义，更谈不上利用。 测控仪器和测控系统是检测技术的测控仪器和测控系统是检测技术的具体实现具体实现 ，是获取信息的工具。，是获取信息的工具。二、智能仪器发展概况二、智能仪器发展概况1.1.智能仪器智能仪器发展发展a a 数据处理（过去）；数据处理（过去）；模糊判断、故障判断、容错技模糊判断、故障判断、容错技术、传感

3、器融合、机件寿命预术、传感器融合、机件寿命预测测 。含有微计算机或微处理器的测量仪含有微计算机或微处理器的测量仪器，拥有对数据的存储、运算、逻器，拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有辑判断及自动化操作等功能，具有一定的智能作用。一定的智能作用。下 页上 页功能功能返 回b b 知识处理（目前）知识处理（目前）； 体积庞大，功能单一，价格昂贵，体积庞大，功能单一，价格昂贵， 开放性差，响应速度慢，精度低开放性差，响应速度慢，精度低 。2. 2. 各个时期的发展各个时期的发展l 典型仪器典型仪器万用表、电子示波器、信号发万用表、电子示波器、信号发生器等磁电式和电子式模拟仪生器等

4、磁电式和电子式模拟仪器仪表器仪表 l 特点特点下 页上 页返 回50年代年代 仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介入，完全由生产厂商在产品出厂前定义好，测入，完全由生产厂商在产品出厂前定义好，测量结果用指针显示。量结果用指针显示。模拟式（指针式）仪器。模拟式（指针式）仪器。 体积庞大，功能单一，价格昂贵，体积庞大，功能单一，价格昂贵， 开放性差，响应速度慢，精度低开放性差，响应速度慢，精度低 。2. 2. 各个时期的发展各个时期的发展l 典型仪器典型仪器万用表、电子示波器、信号发万用表、电子示波器、信号发生器等磁电式和电子式模拟仪生器等磁电式和电子式模拟

5、仪器仪表器仪表 l 特点特点下 页上 页返 回50年代年代 仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介入，完全由生产厂商在产品出厂前定义好，测入，完全由生产厂商在产品出厂前定义好，测量结果用指针显示。量结果用指针显示。模拟式（指针式）仪器。模拟式（指针式）仪器。 2. 2. 各个时期的发展各个时期的发展l 典型仪器典型仪器数字电压表、数字功率计，数数字电压表、数字功率计，数字频率计字频率计 l 基本工作原理基本工作原理下 页上 页返 回60年代年代数字式仪器数字式仪器在测量过程中将模拟信号转换在测量过程中将模拟信号转换为数字信号，测量结果以数字为数字信号，测量

6、结果以数字形式显示和输出形式显示和输出 l 特点特点读数清晰，响应速度快，精度高读数清晰，响应速度快，精度高 随集成电路的出现，以集成电路芯片为基础。随集成电路的出现，以集成电路芯片为基础。2. 2. 各个时期的发展各个时期的发展l 特点特点测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配测量范围宽、精度高、稳定性好。智能仪器一般均配有有GP-IB（或（或RS-232C、RS-485）等通信接口，可跟）等通信接口，可跟另外的智能仪器组成另外的智能仪器组成智能仪器系统智能仪器系统l 功能功能下 页上 页返 回70年代年代微处理器的出现和广泛应用微处理器的出现和广泛应用,产生以微处理器为产生以微处理

7、器为核心核心,将计算机技术与测量仪器相结合的仪器将计算机技术与测量仪器相结合的仪器. 可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行可根据被测参数的变化自动选择合适的量程，进行自动校准、自动补偿、自动判断故障、优化控制等，自动校准、自动补偿、自动判断故障、优化控制等，具有一定的人类智能作用。具有一定的人类智能作用。 独立式智能仪器（简称称智能仪器）独立式智能仪器（简称称智能仪器） 2. 2. 各个时期的发展各个时期的发展l基本工作原理基本工作原理下 页上 页返 回80年代初年代初将仪器中的测量部分配以相应的接口电路组成将仪器中的测量部分配以相应的接口电路组成各种仪器卡，插入到各种仪器卡，插入到P

8、C机的插槽或扩展槽内，机的插槽或扩展槽内，以个人计算机为基础组成的智能仪器。以个人计算机为基础组成的智能仪器。将传统的独立仪器与计算机的软件硬件资源相结合，将传统的独立仪器与计算机的软件硬件资源相结合，利用利用PCPC机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，机的硬件和软件资源完成数据分析和显示，仪器卡完成数据采集，具有较高的性价比。仪器卡完成数据采集，具有较高的性价比。l 特点特点可充分发挥计算机的效能，灵活方便、可充分发挥计算机的效能，灵活方便、标准化程度高、扩展性好。标准化程度高、扩展性好。个人仪器（个人仪器（PC仪器）仪器）2. 2. 各个时期的发展各个时期的发展下 页上 页返 回80年代

9、后期年代后期虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Instrument） 虚拟仪器虚拟仪器 以通用计算机为基础，加上特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定功能而编制的软件而形成的一种新型仪器。一种新型仪器。 美国国家仪器（美国国家仪器（NI）公司提出）公司提出下 页上 页返 回三大组成模块三大组成模块计算机计算机仪器模块仪器模块软件软件虚拟仪器虚拟仪器 个人计算机个人计算机（各种通用计算机）（各种通用计算机）各种传感器各种传感器 信号调理器信号调理器 模数转换器模数转换器 数据采集器数据采集器 数据分析数据分析 过程通讯过程通

10、讯 图形用户界面等软件图形用户界面等软件 虚拟仪器虚拟仪器下 页上 页返 回 计算机和仪器模块组成了虚拟仪器硬件测计算机和仪器模块组成了虚拟仪器硬件测试平台，完成被测输入信号的采集、放大、模试平台，完成被测输入信号的采集、放大、模数转换以及输出信号的数模转换等。当硬件确数转换以及输出信号的数模转换等。当硬件确定后，用户可以通过不同测试功能的软件模块定后，用户可以通过不同测试功能的软件模块（如数据分析、过程通讯以及图形用户界面等（如数据分析、过程通讯以及图形用户界面等软件）的组合实现不同的功能。软件）的组合实现不同的功能。同一个硬件系统，软件不同，就可得到功能完全不同的测量仪器 软件系统是虚拟仪

11、器的核心软件系统是虚拟仪器的核心 即：即：目前较流行的虚拟仪器软件环境目前较流行的虚拟仪器软件环境 文本式的编程语言文本式的编程语言 图形化编程语言图形化编程语言 如：C、Lab WindowsCVI， Visual Basic， Visual C+ 如：LabView、HPVEE 虚拟仪器的优点：虚拟仪器的优点： 测量精度高、速度快、可重复性好、开关、测量精度高、速度快、可重复性好、开关、电缆少、系统组建时间短、测量功能易于扩展等电缆少、系统组建时间短、测量功能易于扩展等优点，有最终取代大量的传统仪器成为仪器领域优点，有最终取代大量的传统仪器成为仪器领域主流产品的趋势主流产品的趋势 。操 作

12、 系 统 ：操 作 系 统 ： D O S , O S , Windows2000/9x/NTWindows2000/9x/NT最大最大I/0I/0速度：速度：1.5 Mbytes/s 1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)IEEE488.1) 7.7 Mbytes/s7.7 Mbytes/s (HS488)(HS488)尺寸：尺寸：133x107 mm133x107 mmNINI的的PCI-GPIBPCI-GPIB卡卡NINI的的DAQDAQ及及VXIVXI产品示例产品示例下 页上 页返 回 在测量测试领域，将仪器、昂贵的外围设备、测在测量测试领域，将仪器、昂贵的外围设备、测试对象

13、以及数据库等资源纳入网络，对测量实现远地试对象以及数据库等资源纳入网络，对测量实现远地化、网络化、以及测量结果信息资源共享化，使一台化、网络化、以及测量结果信息资源共享化，使一台仪器为更多的用户所使用，降低了测试系统的成本，仪器为更多的用户所使用，降低了测试系统的成本，实现资源共享，共同完成测试任务。这种借助于网络实现资源共享，共同完成测试任务。这种借助于网络通信技术与虚拟仪器技术共享软硬件的结合体称为通信技术与虚拟仪器技术共享软硬件的结合体称为可以使测试人员不受时间和空间的限制，可以使测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需信息，同时还可以实现测随时随地获取所需信息，同时还可以实现测试

14、设备的远距离测试与诊断，提高测试效率，试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率，减少测试人员的工作量，方便修改、扩展。减少测试人员的工作量，方便修改、扩展。网络化仪器网络化仪器优点优点网络化仪器网络化仪器下 页上 页返 回网络化仪器网络化仪器 可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时获得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，对远时获得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，对远程仪器的功能和状态进行控制和检测，将远程仪器测程仪器的功能和状态进行控制和检测，将远程仪器测得的数据经网络迅速传递给本地计算机。得的数据经网络迅速传递给本地计算机。 实现过程：实

15、现过程：发展方向：发展方向：网络化仪器是一种涉及多门学科、涵盖范围更网络化仪器是一种涉及多门学科、涵盖范围更宽、应用领域更广的仪器范畴，可以做到从任何地宽、应用领域更广的仪器范畴，可以做到从任何地点、任意时间获取所需要的任何地方的测量信息。点、任意时间获取所需要的任何地方的测量信息。仪器正朝着数字化、网络化和多媒体化方向发展。仪器正朝着数字化、网络化和多媒体化方向发展。下 页上 页返 回综述：综述：智能仪器是计算机科学、电子学、数字智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传等新兴技术与传统仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、统仪器仪表技术

16、的结合。随着专用集成电路、个人仪器、网络技术等相关技术的发展，智个人仪器、网络技术等相关技术的发展，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，各种功能的智能仪发展的动力。可以预料，各种功能的智能仪器将会广泛地使用在各个领域。器将会广泛地使用在各个领域。 普通台式普通台式PCI工控机工控机PCI零点自动校正零点自动校正量程自动切换量程自动切换多点快速测控多点快速测控软件滤波与线性化软件滤波

17、与线性化可实现复杂数据处理和复杂控制规律可实现复杂数据处理和复杂控制规律多媒体功能多媒体功能通信或网络功能通信或网络功能自我诊断功能自我诊断功能 1 1、传感器技术、传感器技术为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。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) A AD D芯片是现代科学仪器不可缺少的核心部件之一，它的速度的提高是实现

18、高速数据采集的关键。在向高速，向低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。A AD D等电路与微处理器集成在一块(称为混合电路)传感器与控制电路都集成在一块芯片上，这将缩小体积，增强可靠性，从而实现智能仪器的多功能化 TMSTMS320320系列等高速单片数字信号处理器系列等高速单片数字信号处理器(DSP(DSPDigital Signal Processor)Digital Signal Processor)是通过硬是通过硬件来完成乘法和加法运算的，极大地增强了智件来完成乘法和加法运算的，极大地增强了智能仪器的数字滤波、能仪器的数字滤波、FFFFFF、相关、卷积等信号、相关、卷积等信号处理能力。处

19、理能力。新型新型DSPDSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSPDSP与与ARMARM双核。双核。下 页上 页返 回根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件 具有智能控制作用的部件对仪器整体性能、具有智能控制作用的部件对仪器整体性能、价格、研制周期等起决定性作用，直接影响硬件、价格、研制周期等起决定性作用，直接影响硬件、软件的设计，是整个仪器的核心。智能仪器中的软件的设计，是整个仪器的核心。智能仪器中的智能控制部件通常可选单片机（智能控制部件通常可选单片机（P P）、信号处理）、信号处理器（器（DSPDSP）、可编程控制器（）、

20、可编程控制器（PLCPLC）或微计算机）或微计算机（MPCMPC）等。大型的智能仪器系统可能包括多种）等。大型的智能仪器系统可能包括多种多个智能控制部件，小型的智能仪器一般只用其多个智能控制部件，小型的智能仪器一般只用其中之一，应根据具体情况选择。中之一，应根据具体情况选择。下 页上 页返 回1).1).单片机单片机 单片机是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、时钟、定时/计数器、串行、并行I/O口等的微型计算机，有些型号的单片机包括A/D、D/A、模拟比较器、脉宽调制器、USB口等，功能强、体积小、价格低、支持软件多、便于开发，智能仪器多选单片机作为智能控制部件。在选择具体型号时，应考

21、虑字长、指令功能、寻址范围、寻址方式、内部存储器容量、位处理、中断处理能力、配套硬件、芯片价格及开发平台等。本书的智能控制部件以单片机为主。下 页上 页返 回2). DSP DSP比单片机集成度高、速度快、容量大，主要比单片机集成度高、速度快、容量大，主要用于信号处理及其它高速要求的场合，用于信号处理及其它高速要求的场合，DSP器件采用器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速硬件乘法器、增强的同时存取程序和数据。内置高速硬件乘法器、增强的多级流水线、使多级流水线、使DSP器件具有高速的数据运算能力。器件具有

22、高速的数据运算能力。DSP器件指令执行时间比器件指令执行时间比16位单片机快位单片机快810倍，完倍，完成一次乘运算的时间比单片机快成一次乘运算的时间比单片机快1630倍，倍，DSP器件器件还提供了高度专业化的指令集，提高了快速傅里叶变还提供了高度专业化的指令集，提高了快速傅里叶变换（换（FFT）和滤波器的运算速度。但）和滤波器的运算速度。但DSP目前价格较目前价格较高。在满足速度要求的情况下可首选单片机。高。在满足速度要求的情况下可首选单片机。 下 页上 页返 回3). PLC PLC是为工业测控系统专门设计的高可靠产品，是为工业测控系统专门设计的高可靠产品，适合中规模的现场检测及控制，用适

23、合中规模的现场检测及控制，用PLC设计的系统设计的系统便于更改和维护。便于更改和维护。一般指一个完整的计算机系统，包括基本输入一般指一个完整的计算机系统，包括基本输入输出设备及常用外围设备，具有完善的操作系统。输出设备及常用外围设备，具有完善的操作系统。其选型应根据系统可靠性要求确定。其选型应根据系统可靠性要求确定。4).微计算机微计算机FPGA(Field Programmable Gates ArrayFPGA(Field Programmable Gates Array，现场可编，现场可编程门阵列程门阵列) )CPLD(Complex Programmable Logic DeviceC

24、PLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可，复杂可编程逻辑器件编程逻辑器件) )FPGAFPGACPLDCPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用ICIC芯芯片。片。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。电路保持不动的情况下，改变内部硬件连接关系的描电路保持不动的情况下，改变内部硬件连接关系的描述，就能实现一种新的功能。述，就能实现一种新的功能。比较典型的有比较典型的有Xilinx

25、公司的公司的FPGA器件系列器件系列Altera公司的公司的CPLD器件系列。器件系列。 （1 1）FPGAFPGACPLDCPLD芯片的规模也越来越大，其单芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到数十万门，它所能实现的功能也片逻辑门数已达到数十万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。越来越强，同时也可以实现系统集成。 （2 2）FPGAFPGACPLDCPLD芯片在出厂之前都做过百分之百芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件人员只需在自己的实验室

26、里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能指定。研制开发费用相对环境来完成芯片的最终功能指定。研制开发费用相对较低。较低。 （3 3）F FPGAF FPGACPLDCPLD芯片和芯片和EPROMEPROM配合使用时，用配合使用时，用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的的情况下用不同的EPROMEPROM就可实现不同的功能。就可实现不同的功能。 （4 4）FPGAFPGACPLDCPLD芯片的电路设计周期很短。软件芯片的电路设计周期很短。软件包中不但有各种输入工具和仿真工具，而且还有版图设包中不但有各种输入工具和仿真

27、工具，而且还有版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作后芯片的制作( (物理版图映射物理版图映射) )。当电路有少量改动时，。当电路有少量改动时，更能显示出更能显示出FPGAFPGACPLDCPLD的优势。它大大加快了新产品的优势。它大大加快了新产品的试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，的试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。从而提高了企业在市场上的竞争能力和应

28、变能力。 （5 5）电路设计人员使用）电路设计人员使用FPGAFPGACPLDCPLD进行电路设计时，进行电路设计时，不需要具备专门的不需要具备专门的IC(IC(集成电路集成电路) )深层次的知识，深层次的知识，FPGAFPGACPLDCPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计。电路设计。FPGAFPGACPLDCPLD适合于正向设计适合于正向设计( (从电路原理图从电路原理图到芯片级的设计到芯片级的设计) )，对知识产权的保护也非常有利。，对知识产权的保护也非常有利。在计算机和必要的仪器硬件确定之后，软件就是在计算机和必要的仪器硬

29、件确定之后，软件就是PCIPCI仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法。仪器发展的关键。软件就是仪器成为流行的说法。NINI（National InstrumentsNational Instruments）公司）公司19861986年设计的年设计的LabVlEWlLabVlEWl0 0，20032003年发展到年发展到Labview7Labview70 0，推动虚，推动虚拟仪器技术的发展。拟仪器技术的发展。图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，完成对仪器图形化编程语言建立的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、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。虚拟仪器系统

30、由用户定义；仪器硬件模块化；可重虚拟仪器系统由用户定义；仪器硬件模块化；可重用和重新配置；系统功能、规模可通过修改软件、用和重新配置；系统功能、规模可通过修改软件、更换仪器硬件而增减；技术更新速度快更换仪器硬件而增减；技术更新速度快(1(12 2年年) )，开发维护费用低。开发维护费用低。 随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛随着网络技术、通信技术的高速发展与广泛应用，网络化测试技术受到广泛关注，这必将应用，网络化测试技术受到广泛关注，这必将对网络时代的测试仪器和测试技术产生革命性对网络时代的测试仪器和测试技术产生革命性变化。表现在两个方面：变化。表现在两个方面： 智能仪器要上网，完成数据传

31、输、远程控智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等；制与故障诊断等；构建网络化测试系统，将分散的各种不同构建网络化测试系统，将分散的各种不同测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。的测试任务。6 6、网络与通信技术、网络与通信技术1、微型化2、多功能化 3、人工智能化 4、网络化5、虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 1. 检测系统：又称数据采集系统。检测系统：又称数据采集系统。传感器模拟输入通道微机模拟输出通道模拟显示器数据记录器报警器被测参数2. 程序控

32、制系统程序控制系统微机微机控制电路控制电路执行器执行器参数及动参数及动作次序作次序3. 测控测控 系统系统测控对象传感器执行器传感器执行器模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道微型计算机通信接口人机接口操作员其他微机下 页上 页返 回5 5、智能仪器设计要求、原则及步骤、智能仪器设计要求、原则及步骤1 1智能仪器设计的基本要求智能仪器设计的基本要求 1) 1) 功能及技术指标要求功能及技术指标要求智能仪器应具备的功能如输出形式、人机对智能仪器应具备的功能如输出形式、人机对话、通信、报警提示、仪器状态的自动调整等。话、通信、报警提示、仪器状态的自动调整等。仪器的主要技术指标如精

33、度、测量范围、工作环仪器的主要技术指标如精度、测量范围、工作环境条件、稳定性等。境条件、稳定性等。下 页上 页返 回 仪器的故障将造成整个生产过程混乱，甚至引仪器的故障将造成整个生产过程混乱，甚至引起严重后果，所以仪器能否正常可靠地工作，将直起严重后果，所以仪器能否正常可靠地工作，将直接影响测量结果，也将影响工作效率和仪器的信誉，接影响测量结果，也将影响工作效率和仪器的信誉，为保证仪器能长时间稳定的工作，应采取各种措施为保证仪器能长时间稳定的工作，应采取各种措施提高仪器的可靠性。提高仪器的可靠性。2) 2) 可靠性要求可靠性要求注意： 在硬件方面，应合理选择元器件，即在设计时对元器件在硬件方面

34、，应合理选择元器件，即在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数留有一定的余量，的负载、速度、功耗、工作环境等技术参数留有一定的余量，并对元器件进行老化和筛选。另外，采用在极限情况下进行并对元器件进行老化和筛选。另外，采用在极限情况下进行试验，即在研制过程中，让样机承受低温、高温、冲击、振试验，即在研制过程中，让样机承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。在软件动、干扰、烟雾等试验，以保证其对环境的适应性。在软件方面，采用模块化设计方法，并对软件进行全面测试。可减方面，采用模块化设计方法，并对软件进行全面测试。可减小软件故障率，提高软件可靠性。小软件故

35、障率，提高软件可靠性。下 页上 页返 回 在仪器设计过程中，应考虑操作方便，控制开关或在仪器设计过程中，应考虑操作方便，控制开关或按钮不要太多、太复杂，尽量降低对操作人员专业知识按钮不要太多、太复杂，尽量降低对操作人员专业知识的要求，从而使操作者无需专门训练，便能掌握仪器的的要求，从而使操作者无需专门训练，便能掌握仪器的使用方法，便于产品的推广应用。另外，仪器结构要尽使用方法，便于产品的推广应用。另外，仪器结构要尽量规范化、模块化，并配有现场故障诊断程序，一旦发量规范化、模块化，并配有现场故障诊断程序，一旦发生故障，能保证有效地对故障进行定位，以便更换相应生故障，能保证有效地对故障进行定位，以

36、便更换相应的模块，使仪器具有良好的可维护性。的模块，使仪器具有良好的可维护性。3) 3) 便于操作和维护便于操作和维护 结构工艺是影响仪器可靠性的重要因素之一，依据结构工艺是影响仪器可靠性的重要因素之一，依据仪器工作环境条件，确定是否需要防水、防尘、防爆密仪器工作环境条件，确定是否需要防水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等设计工艺结封，是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等设计工艺结构；认真考虑仪器的总体结构、部件间的连接关系、面构；认真考虑仪器的总体结构、部件间的连接关系、面板的美化等，使产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、板的美化等，使产品造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。美

37、观大方。4) 4) 仪器工艺结构与造型设计要求仪器工艺结构与造型设计要求 下 页上 页返 回智能仪器的设计原则智能仪器的设计原则 设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计的总任务，绘制硬件和软件总框图计的总任务，绘制硬件和软件总框图(总体设计总体设计)。然后将任务分解成一批可独立表征的子任务，直然后将任务分解成一批可独立表征的子任务，直到每个子任务足够简单，可以直接而且容易地实到每个子任务足够简单，可以直接而且容易地实现为止。子任务可采用某些通用模块，并可作为现为止。子任务可采用某些通用模块，并可作为单独的实体进行设计和调试。单独的实体进行设计和调试。

38、1 1从整体到局部从整体到局部( (自顶向下自顶向下) )的原则的原则: :模块化设计方式，简化设计，缩短设模块化设计方式，简化设计，缩短设计周期，结构灵活，维修方便快捷、便于计周期，结构灵活，维修方便快捷、便于扩充和更新，增强系统的适应性，以最低扩充和更新，增强系统的适应性，以最低的难度和最高的可靠性组成系统。的难度和最高的可靠性组成系统。特点特点下 页上 页返 回不应盲目追求复杂、高级的方案。在满足性能指标的前提不应盲目追求复杂、高级的方案。在满足性能指标的前提下，尽可能采用简单成熟的方案。就第一台样机而言，样机的下，尽可能采用简单成熟的方案。就第一台样机而言，样机的硬件成本不是考虑的主要

39、因素，系统设计、调试和软件开发等硬件成本不是考虑的主要因素，系统设计、调试和软件开发等研制费用是主要的。当样机投入生产时，仪器硬件成本成为产研制费用是主要的。当样机投入生产时，仪器硬件成本成为产品成本的重要因素。生产数量越大，每台产品的平均研制费用品成本的重要因素。生产数量越大，每台产品的平均研制费用越低。仪器投入使用时，应考虑维护费、备件费、运转费、管越低。仪器投入使用时，应考虑维护费、备件费、运转费、管理费、培训费等。在综合考虑各种因素后正确选用合理的设计理费、培训费等。在综合考虑各种因素后正确选用合理的设计方案。方案。2 2较高的性能价格比原则较高的性能价格比原则科学技术飞速发展，产品更

40、新换代快、市场竞争激烈，科学技术飞速发展，产品更新换代快、市场竞争激烈，设计时采用开放式设计原则，留下容纳未来新技术的余地，设计时采用开放式设计原则，留下容纳未来新技术的余地，同时向系统的不同配套档次开放、向用户不断变化的特殊要同时向系统的不同配套档次开放、向用户不断变化的特殊要求开放、兼顾通用和专用设计，以便满足用户不同层次、不求开放、兼顾通用和专用设计，以便满足用户不同层次、不断变化的要求。断变化的要求。 3 3开放式设计原则开放式设计原则下 页上 页返 回智能仪器的设计步骤智能仪器的设计步骤 全面了解设计的内容，搞清要解决的问题，必要全面了解设计的内容，搞清要解决的问题，必要时到用户方调

41、研，根据仪器最终要实现的设计目标，时到用户方调研，根据仪器最终要实现的设计目标，做出详细的设计任务说明书，明确仪器的功能和应达做出详细的设计任务说明书，明确仪器的功能和应达到的技术指标。到的技术指标。 1 1确定设计任务确定设计任务 根据设计任务说明书制定设计方案。最好提出几种根据设计任务说明书制定设计方案。最好提出几种可能的方案，每种方案包括仪器的工作原理、采用的技可能的方案，每种方案包括仪器的工作原理、采用的技术路线等，然后对各方案进行可行性论证，包括理论分术路线等，然后对各方案进行可行性论证，包括理论分析、计算及必要的模拟实验，验证方案是否可达到设计析、计算及必要的模拟实验，验证方案是否

42、可达到设计要求，最后从总体的先进性、可靠性、成本、制作周期、要求，最后从总体的先进性、可靠性、成本、制作周期、可维护性等各方面比较、择优，综合制定设计方案。可维护性等各方面比较、择优，综合制定设计方案。2 2拟定总体设计方案拟定总体设计方案下 页上 页返 回3 3方案实施方案实施 根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件 设计和调试仪器设计和调试仪器根据总体设计方案，确定系统的核心部件，根据总体设计方案，确定系统的核心部件，软硬件的分配，采用自上而下的设计方法，把仪软硬件的分配，采用自上而下的设计方法，把仪器划分成便于实现的功能模块，绘制各模块软硬器划分成便于实

43、现的功能模块，绘制各模块软硬件的工作流程图，并分别进行调试，各模块调试件的工作流程图，并分别进行调试，各模块调试通过之后，再进行统调，完成智能仪器的设计。通过之后，再进行统调，完成智能仪器的设计。具体包含：具体包含：下 页上 页返 回（1 1）根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件）根据仪器总体方案，确定仪器的核心部件 具有智能控制作用的部件对仪器整体性能、具有智能控制作用的部件对仪器整体性能、价格、研制周期等起决定性作用，直接影响硬件、价格、研制周期等起决定性作用，直接影响硬件、软件的设计，是整个仪器的核心。智能仪器中的软件的设计，是整个仪器的核心。智能仪器中的智能控制部件通常可选单片机（智能

44、控制部件通常可选单片机（P P）、信号处理）、信号处理器（器（DSPDSP）、可编程控制器（）、可编程控制器（PLCPLC）或微计算机）或微计算机（MPCMPC）等。大型的智能仪器系统可能包括多种）等。大型的智能仪器系统可能包括多种多个智能控制部件，小型的智能仪器一般只用其多个智能控制部件，小型的智能仪器一般只用其中之一，应根据具体情况选择。中之一，应根据具体情况选择。一般而言，硬件速度快、可减轻软件设计工作量，一般而言，硬件速度快、可减轻软件设计工作量，但成本高，灵活性差，可扩展性弱。软件成本低、灵但成本高，灵活性差，可扩展性弱。软件成本低、灵活性大、只要修改软件可改变模块功能，但增加了编活

45、性大、只要修改软件可改变模块功能，但增加了编程的复杂性，降低了速度。增加硬件的比例可提高系程的复杂性，降低了速度。增加硬件的比例可提高系统的速度，实时性好，但成本高，灵活性、适应性差；统的速度，实时性好，但成本高，灵活性、适应性差；增加软件的比例则刚好相反。可从仪器的功能、成本、增加软件的比例则刚好相反。可从仪器的功能、成本、研制周期和费用等方面综合考虑，合理分配软硬件比研制周期和费用等方面综合考虑，合理分配软硬件比例，使系统达到较高的性价比。例，使系统达到较高的性价比。 对于即可用硬件又可用软件实现的功能模块，对于即可用硬件又可用软件实现的功能模块，应仔细权衡哪些模块用硬件完成、哪些模块用软

46、件应仔细权衡哪些模块用硬件完成、哪些模块用软件完成。完成。注意：（2 2）设计和调试仪器）设计和调试仪器下 页上 页返 回下 页上 页返 回硬件和软件联合调试硬件和软件联合调试（2 2）设计和调试仪器）设计和调试仪器 硬件、软件分别调试合格后，需软、硬件联合硬件、软件分别调试合格后，需软、硬件联合调试。调试中出现问题，若属于硬件故障，可修改调试。调试中出现问题，若属于硬件故障，可修改硬件电路，若属于软件问题，则修改程序，如属于硬件电路，若属于软件问题，则修改程序，如属于系统问题则对软件、硬件同时修改，直至符合性能系统问题则对软件、硬件同时修改，直至符合性能指标。智能仪器设计调试步骤如图指标。智能仪器设计调试步骤如图1-21-2所示。所示。图图1-2数据采集技术数据采集技术测控系统测控系统人机接口与通信人机接口与通信数据处理数据处理软件设计方法软件设计方法可靠性与抗干扰技术可靠性与抗干扰技术设计原则步骤与实例设计原则步骤与实例