智能仪表原理与设计基础.ppt
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1、智能仪表原理与设计 第一章 智能仪表原理与设计基础,主要内容,一、智能仪表原理 二、 设计基础 三、 设计原则与设计内容,一、 智能仪表原理,仪器仪表概述 (Instrument) . 定义:对各种变量(参数)进行检测 (计量)、计录、调节和 处理的各种装置的总称。(包含了自动化装置) . 传感器 (Sensor) 区别 (Transducer) 是检测仪表的重要组成部分,是信息获取的前端。 结构:独立安装的,如热电偶、热电阻(温度传感器); 与仪表电路一体化的,如压力变送器; . 分类 多种分法;如按作用分: 测量仪表(传感器、变送器,仪、计、), 调节仪表,显示仪表,执行仪表;,1. 智能
2、仪表原理,一、 智能仪表原理, 传统仪表:性能主要取决于仪表内部元器件的精密性和稳定性,元器件的温度漂移(包括零点和增益漂移)和时间漂移都会反应到测量结果和仪表输出中去。另外,传统仪表对其内部故障缺乏诊断和处置能力,往往在故障情况下给出结果,显然这种结果是不可能正确的。 智能仪表原理:应用新的采集技术、处理技术、硬件平台和人工智能技术,使仪表的性能(如精度)、功能、可靠性、可维护性和可测试性都得到了提高。,1. 智能仪表原理,一、 智能仪表原理,工业自动化仪表的发展过程 机械式(基地式)-电动单元组合式(模拟)-微机化(模、数)-智能仪表(全数字),2智能仪表产生与发展,模拟式示波器,弹簧压力
3、表,数字式超声波探伤仪,一、智能仪表原理,各种智能仪表的硬、软件系统差别很大。 简单的只含几个芯片和少量程序,如井下压力计、温度显示调节器等;复杂的含大量芯片,丰富的软件(操作系统)和齐全的外设,甚至于使用多个单片机;有的智能仪表的复杂程度甚至超过通用型个人计算机,如色谱质谱仪。 尽管如此,在结构上仍然存在着一些共同之处。,3智能仪表的结构与特点,井下压力计,温度显示调节器,井下压力计,一、智能仪表原理,精密色谱仪,3智能仪表的结构与特点,一、智能仪表原理,如图为典型智能仪表结构,由三个层次构成 。,3智能仪表的结构与特点,一、智能仪表原理,智能仪表的特点 可以自动进行量程转换、零点和增益误差
4、补偿,测量特性的自动校准,按照一定的规律自动寻找最优的算法参数,从而极大的提高了仪表的性能。 按照事先的安排(体现在编制的程序上)可以对仪表的主要元器件进行自动检测,对故障进行定位,还可以对故障部分进行隔离或对系统进行重组,大大提高了仪表的容错性和可靠性。 应用模糊识别与模糊控制、人工神经网络建模与识别、专家系统、多传感器信息融合处理方法等智能技术。 新工艺,经串口或扫描口(JTAG)即可下载和仿真。 如:贴片工艺;多层艺; 屏蔽与防护工艺;ISP与IAP工艺,3智能仪表的结构与特点,主要内容,一、智能仪表原理 二、 设计基础 三、 设计原则与设计内容,二、设计基础,需求分析: 通过需求分析确
5、定智能仪表任务要求应包括以下几点 功能要求 测量功能:哪些量?有实时在线要求否?什么输出形式? ( 显示、打印、传输、通信); 控制功能:什么对象?模型为何?哪些状态?需构成什么系统? (随动、恒值、串级控制); 管理功能:操作要求、数据库要求、打印报表、决策分析、统计 分析。,1. 需求分析与方案论证,二、设计基础,性能要求 测量范围 测量精度 测量灵敏度(分辨率) 稳定性、可靠性要求(MTBF) 响应速度 动态特性 数据库浏览(查询)方式、容量、安全性,1. 需求分析与方案论证,二、设计基础,对象特性 输入输出关系(传递函数、用户以往的经验、作法、 其它图纸资料) 各变量的性质(幅度、变化
6、率、分布性等) 生产使用规律 环境条件 其它: 用户长远发展规划、扩展、升级的计划 调查研究的结果应形成需求分析报告,以便设计方 案。,1. 需求分析与方案论证,二、设计基础,. 方案论证: 总方案论证包括测量(工作)原理分析、推导,智能仪表的系统组成说明,总体的硬、软件结构描述,主要性能、功能的计算、分析和说明等内容。 在进行总体方案设计时,既要仔细研究仪表的功能要求、技术指标、环境条件等因素,还要与可以达到的技术水平,设备、资金的拥有量,必要的实验场地,必备的元器件来源,以及投入的人力和规定的完成时间等条件相比较,在此基础上确立总体方案的可行性。,1. 需求分析与方案论证,二、设计基础,.
7、机型的选择 首先是指选择CPU型号,相同CPU内核的单片机很多,根据性能、资源和熟悉程度选择 。下表列出几种常用微处理器和单片机的CPU性能指标。,2.机型选择与嵌入式系统,二、设计基础,.嵌入式系统(Embedded system) 为了区别于原有的通用计算机系统,人们把嵌入到对象体系中的专用计算机称为嵌入式计算机系统,简称嵌入式系统。嵌入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统,如内含嵌入式系统的智能仪表。 嵌入式系统按其外型分为板级(如嵌入式PC104,P级嵌入式SBC)和芯片级(如单片机,MCU,SOC),前者主要应用在计算量大,有网络
8、应用或多媒体应用要求的情况,后者主要应用在要求体积小,功耗低,功能相对简单的情况。 嵌入式系统作为计算机技术的两大分支之一,其发展方向是更好的嵌入性,更高的可靠性和单芯片化结构,而不是总线速度的无限提升,存储容量的无限扩大。,2.机型选择与嵌入式系统,二、设计基础,. 微控制器与SOC 单片机(SCM)是寻求最佳单片形态嵌入式系统的最初体系结构,走出了与通用计算机完全不同的发展与应用道路。为了满足嵌入式应用的进一步要求,微控制器(MCU)在单片机基础上扩展了各种外围电路与接口电(CTC,UART,RAM,ROM,I/O),使其测控能力大幅上升。 SOC(system on chip)是单片机发
9、展的又一趋势,是应用系统在芯片上的最大化解决(MCU+ AMP +ADC +DAC +WDT+-)。 MCU: 8031,89C51,89S51,SST89E ; SOC: C8051F00* ; AD836(12,24) ;,2.机型选择与嵌入式系统,二、设计基础,总线是智能仪表中单片机与外围芯片、电路板与电路板、智能仪表与其它设备之间相互连接的桥梁与纽带。 总线有自行定义的非标准总线与权威机构规定的标准总线之分。标准总线不只是一簇无源导线的简单汇集,它对于信号根数、排列方式、连接件形式、信号的名称、性质及传送方向、定时关系等都有明确而严格的规定。通常某一标准总线规约需通过相应的逻辑电路或特
10、定的接口芯片来实现。,3. 总线结构,二、设计基础,. 内总线 用于计算机设备内部板与板之间连接的总线称为内总线。智能仪表根据需要可采用如下三种内部连接形式。 (1) 单板结构 结构可以简化设计、降低成本、缩小占用的立体空间。 必须合理地布局和走线以减少有害的耦合与发热的影 响; (2) 多板非标准连接 将仪表按功能划分为几种功能模块,每一模块分别设计 制版,然后通过自定义总线装配连接。 (3) 多板标准总线连接 STD , PXI , VXI , PCI , 当仪表功能复杂时,为了避免重复开发设计,宜选用标准总线组 成的多板结构。,3. 总线结构,二、设计基础,. I2C总线 I2C总线(I
11、nter IC bus,集成电路芯片间总线) I2C总线规范及传输协议 I2C总线实际只有两根信号线,一根是串行数据线SDA,由当时发送数据的器件使用,另外一根是串行时钟线SCL,由当时具有最高优先权的主器件占有。如图为I2C总线数据传送图。,3. 总线结构,二、设计基础,. I2C总线 . I2C总线应用 I2C总线的出现对减少连线,缩小线路板的面积,实现硬件电路的模块化等具有重大的意义,为智能仪表中微机系统,特别是单片机系统的扩展提供了极大的便利。如图为I2C总线典型应用电路原理图。,3. 总线结构,二、设计基础,. I2C总线 单片机应用系统中采用I2C总线技术将带来以下好处: 最大限度
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