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測(cè)控儀器設(shè)計(jì)教案
大學(xué)課件下載網(wǎng)測(cè)控03《測(cè)控儀器設(shè)計(jì)》教案
第一章緒論
1.1、儀器發(fā)展過(guò)程
儀器：是對(duì)物質(zhì)世界信息進(jìn)行測(cè)量與控制的設(shè)備。
1、按所采用的電子器件：
真空管-→晶體管-→集成電路(三個(gè)時(shí)代)
2、按組成結(jié)構(gòu)、工作原理和功能特點(diǎn)：
模擬式-→數(shù)字式-→智能化(三個(gè)發(fā)展階段)
第一代：模擬式儀器。
如指針式的電壓表、電流表、功率表。機(jī)械式
特點(diǎn)：功能簡(jiǎn)單、精度低、響應(yīng)速度慢。
第二代：數(shù)字式儀器。
如數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)字頻率計(jì)。數(shù)電
基本特點(diǎn)：是將待測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示并向外傳送。精度高，響應(yīng)速度快，讀數(shù)清晰、直觀。
第三代：智能儀器。
概念：是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微型計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量?jī)x器，由于它擁有對(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，具有一定智能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強(qiáng)等)，因而被稱之為智能儀器。
(1)是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物。微處理器在智能儀器中的作用主要體現(xiàn)在以下兩方面：
①對(duì)測(cè)試過(guò)程的控制：接受來(lái)自鍵盤(pán)或通信接口的命令，解釋并執(zhí)行這些命令，控制各部分的工作過(guò)程，同時(shí)對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
②對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理：表現(xiàn)為硬件電路只需具備最基本的測(cè)試能力，能向微型計(jì)算機(jī)提供原始數(shù)據(jù)即可。對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理如濾波、運(yùn)算等可由軟件完成。
(2)智能儀器基本技術(shù)指標(biāo)
測(cè)量的準(zhǔn)確度和可靠性是智能儀器的兩項(xiàng)基本技術(shù)指標(biāo)。對(duì)儀器的誤差進(jìn)行校準(zhǔn)可以保證儀器具有規(guī)定睥準(zhǔn)確度。而對(duì)儀器的故障進(jìn)行檢測(cè)和診斷則可及進(jìn)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、排除故障，使儀器可靠的工作。
保證儀器準(zhǔn)確度(精度)措施：溫度補(bǔ)償、非線性校正、濾波；保證儀器可靠性措施：冗余設(shè)計(jì)、故障診斷。故障診斷方法：給被測(cè)對(duì)象施加一定的檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)其輸出響應(yīng)信號(hào)來(lái)判斷是否存在故障。
由于具有數(shù)字存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷能力，可根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化自動(dòng)選擇量程，具有自動(dòng)校正、自動(dòng)補(bǔ)償、自尋故障等功能，可以完成需要人類(lèi)的智慧才能勝任的工作，即具備了一定的"智能"，故稱之為智能儀器。
智能儀器的出現(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢(shì)，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
3、智能儀器的硬件發(fā)展
(1)單片機(jī)
以8位的8031等51系列單片機(jī)為儀器硬件主流。
(2)DSP芯片(數(shù)字信號(hào)處理)
利用硬件處理一些數(shù)學(xué)運(yùn)算的芯片：AMD29500 16位雙極型DSP完成1024點(diǎn)FFT運(yùn)算僅需2ms。
(3)ASIC芯片(專用集成電路)
1.2智能儀器的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下特點(diǎn)：
一、測(cè)量過(guò)程的軟件控制
在測(cè)量軟件出現(xiàn)以前，是采用數(shù)字電路的時(shí)序控制。由于硬件的體積和成本的原因，現(xiàn)已采用CPU控制下的軟件指令替代硬件時(shí)序，使儀器測(cè)量變得靈活方便，誤差補(bǔ)償、診斷等。
二、數(shù)據(jù)處理
對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算。它主要表現(xiàn)為：1，改善測(cè)量的精確度；2，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行再加工。
測(cè)量精確度：對(duì)隨機(jī)誤差(軟件濾波：限幅、中值、平均值)和系統(tǒng)誤差(溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償、增益補(bǔ)償)進(jìn)行處理。
測(cè)量結(jié)果分析：時(shí)域的波形分析、頻域分析等。使智能儀器提供更多高質(zhì)量的信息量。
三、多功能化
智能儀器的測(cè)量過(guò)程、軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能使一機(jī)多用的多功能化易于實(shí)現(xiàn)。
例如：可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)值、歷史趨勢(shì)、存儲(chǔ)打印、報(bào)警聯(lián)網(wǎng)等。
1.3智能儀器的基本結(jié)構(gòu)
兩種結(jié)構(gòu)：微機(jī)內(nèi)置式、微機(jī)擴(kuò)展式
1、微機(jī)內(nèi)置式(嵌入式)智能儀器
微機(jī)內(nèi)置式：主要是單片機(jī)加調(diào)理電路
2、微機(jī)擴(kuò)展式智能儀器
微機(jī)擴(kuò)展式為個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心加上測(cè)量板卡(內(nèi)置)或插件箱(外置)。
1.4虛擬儀器
測(cè)量?jī)x器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機(jī)的軟件來(lái)完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于PC機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱為虛擬儀器。
虛擬儀器=傳統(tǒng)測(cè)量板卡+PC+LV軟件。
在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測(cè)量?jī)x器�？梢�(jiàn)，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，"軟件就是儀器"。因此，有人提出未來(lái)儀器的一種可能模式。(參閱教材P8圖1-4)
圖1虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件組成
圖
LABVIEW7.0 U12采集器
AD-JS20測(cè)控箱
電腦
傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術(shù)中用了某種計(jì)算機(jī)技術(shù)，而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級(jí)性，能為用戶帶來(lái)極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無(wú)法比擬的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。
虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開(kāi)發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國(guó)際上流行的"硬件軟件化"的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作"軟件儀器"。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便，不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。
在儀器計(jì)量系統(tǒng)方面，示波器、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀、電壓電流表是科研機(jī)關(guān)、企業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、大專院所的必備測(cè)量設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)繪系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的儀器設(shè)備缺乏相應(yīng)的計(jì)算機(jī)接口，因而配合數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理十分困難。而且，傳統(tǒng)儀器體積相對(duì)龐大，多種數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)常常感到捉襟見(jiàn)肘，手足無(wú)措。我們常見(jiàn)到硬件工程師的工作臺(tái)上堆砌著紛亂的儀器，交錯(cuò)的線纜和繁多待測(cè)器件。然而在集成的虛擬測(cè)量系統(tǒng)中，我們見(jiàn)到的是整潔的桌面，條理的操作，不但使測(cè)量人員從繁復(fù)的儀器堆中解放出來(lái)，而且還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理。其方便之極固不必多言，而設(shè)備成本的大幅降低卻不可不提。一套完整的實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備少則幾萬(wàn)元，多則幾十萬(wàn)元。在同等的性能條件下，相應(yīng)的虛擬儀器價(jià)格要低二分之一甚至更多。虛擬儀器強(qiáng)大的功能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使得它在儀器計(jì)量領(lǐng)域具有很強(qiáng)的生命力和十分廣闊的前景。
圖1.虛擬示波器
在專用測(cè)量系統(tǒng)方面，虛擬儀器的發(fā)展空間更為廣闊。環(huán)顧當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)無(wú)不轉(zhuǎn)向智能化、自動(dòng)化、集成化。無(wú)所不在的計(jì)算機(jī)應(yīng)用為虛擬儀器的推廣提供了良好的基礎(chǔ)。虛擬儀器的概念就是用專用的軟硬件配合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)專有設(shè)備的功能，并使其自動(dòng)化、智能化。因此，虛擬儀器適合于一切需要計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠?jì)量場(chǎng)合。測(cè)量與處理、結(jié)果與分析相脫節(jié)的面貌將大為改觀。數(shù)據(jù)的拾取、存儲(chǔ)、處理、分析一條龍操作，既有條不紊又迅捷快速。推而廣之，一切計(jì)量系統(tǒng)，只要技術(shù)上可行，都可用虛擬儀器代替，由此可見(jiàn)虛擬儀器應(yīng)用空間是多么的寬廣。
在自動(dòng)控制和工業(yè)控制領(lǐng)域，虛擬儀器同樣應(yīng)用廣泛。決大部分閉環(huán)控制系統(tǒng)要求精確的采樣，及時(shí)的數(shù)據(jù)處理和快速的數(shù)據(jù)傳輸。虛擬儀器系統(tǒng)恰恰符合上述特點(diǎn)，十分適合測(cè)控一體化的設(shè)計(jì)。尤其在制造業(yè)，虛擬儀器的卓越計(jì)算能力和巨大數(shù)據(jù)吞吐能力必將使其在溫控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力儀表系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)等工控領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
圖2.模糊PID溫度控制器
1.5結(jié)束語(yǔ)
智能儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、人工智能、VLSI等新興技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)的結(jié)合。隨著專用集成電路、個(gè)人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。作為智能儀器核心部件的單片計(jì)算機(jī)技術(shù)是推動(dòng)智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動(dòng)力。可以預(yù)料，各種功能的智能儀器在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)廣泛地使用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。
本課程學(xué)習(xí)中需要注意的幾個(gè)問(wèn)題：
1、智能儀器是多種技術(shù)的結(jié)合，雖然智能儀器與微處理器是緊密相連，但決不能將智能儀器簡(jiǎn)單地與單片機(jī)等同。
2、如果對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求不是很高，對(duì)于軟件的開(kāi)發(fā)完全可由C語(yǔ)言進(jìn)行，不但可以避免復(fù)雜的匯編語(yǔ)言編程，維護(hù)難的特點(diǎn)，而且可以大大提高開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
3、智能儀器主要從兩個(gè)方面學(xué)習(xí)，一是由單片機(jī)硬件為主的智能儀器；二是以LV軟件為主的虛擬儀器。
思考題：
1、什么是智能儀器?
2、儀器的基本技術(shù)指標(biāo)?如何保證?
3、故障診斷方法?
4、智能儀器特點(diǎn)?
5、智能儀器有哪兩種結(jié)構(gòu)?
6、什么是虛擬儀器?
第2章概述
一、教學(xué)目標(biāo)及基本要求
教學(xué)目標(biāo)：
使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的組成和本質(zhì)，并初步掌握三種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即DCS、FCS、PLC控制系統(tǒng)。
基本要求：
學(xué)生經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的組成，并熟悉DCS、FCS、PLC這三種控制系統(tǒng)。
二、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配
教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)分配
第1節(jié)計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的概念1
第2節(jié)計(jì)算機(jī)工來(lái)控制系統(tǒng)的分類(lèi)1
計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的概念：
圖1-1計(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域用上了電腦，而電腦軟、硬件技術(shù)和可靠性的提高，使得計(jì)算機(jī)用于工業(yè)控制日趨成熟。工業(yè)計(jì)算機(jī)由原來(lái)的開(kāi)關(guān)量為主的PLC控制，到以模擬量控制為主的DCS控制，以及將來(lái)以總線、網(wǎng)絡(luò)為主的FCS控制，也只不過(guò)經(jīng)歷了暫短的十幾年。
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