智能仪表原理与设计.ppt

智能仪表原理与设计,智能仪表与PC联网,智能仪表概述,智能仪表硬件设计,智能仪表软件设计,课程内容：,1.3 智能仪表的开发工具,1.0 智能仪表的发展,1.1 智能仪表的功能和组成,1.2 智能仪表的设计思想和研制步骤,第一章 概述,,,,,客观世界是一个物质世界，人们为了认识物质世界，就必须对表征物质运动的各种信号进行测量。 一个完整的测试过程包括： 信息的采集 信息的变换与传输 信息的处理和分析 信息的显示和记录,1.0 智能仪表的发展,控制过程包括,控制信息的获取与传输,控制信息（命令）的执行,先进控制和优化控制：CIPS, FCS 20世纪80年代以后,控制系统结构及仪表的发展,控制系统的发展：,基地式：20世纪50年代,单元组合式： DDZ, QDZ 20世纪60年代,计算机： DDC, DCS 20世纪70年代,模拟仪表→数字仪表→智能仪表。,控制系统结构及仪表的发展,仪表的发展：,生产装置实施先进控制成为发展主流； 过程优化受到普遍关注； 传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统； DCS与FCS相结合； 综合自动化系统（CIPS）是发展方向。,当前自动控制系统及仪表发展的一些主要特点,仪表的智能性越来越强。,智能是随外界条件变化而作出的一种正确反应的能力。将人的智能引入仪表，即将人工智能的理论和方法应用于仪表产品，则可实现仪表智能化。,什么是智能化？,智能仪表？,智能仪表的定义： ——智能仪表是计算机技术与测试技术相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器，它具有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有的还具有自校正、自诊断、自适应、自学习的功能，具有一定智能的作用。 实际上，早期大多内装单片机的仪表只具有运算、判断能力，用“智能化”的标准来衡量尚有差距，称之为微机化仪表更为确切。但现在已经有了很大发展。,智能仪器的发展,智能仪表的出现至今已有近三十年的历史。随微电子技术、微机械技术、微计算机技术、控制技术而发展。,在20世纪70年代，随着微处理技术的发展，智能仪表开始发展起来 20世纪80年代初期，出现了高性能的数字万用表，其数据处理功能一般包括百分误差、绝对误差、最大值及最小值、峰-峰值、平均值、有效值、方差及标准差等。并且有的还具有自动校准技术。,到了20世纪90年代，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了。,近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展。体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器信息融合等等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。 国际、国内也越来越重视 1984年：我国电磁测量信息处理仪器学会正式成立“自动测试与智能仪器专业学组” 1986年，IMEKO(International Measurement Confederation,国际测量联合会)以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会，,1988年，IFAC(International federation of Automatic Control,国际自动控制联合会)的理事会正式确定“智能元件及仪器”（Intelligent Components and Instruments）为其系列学术委员会之一 1989年5月，在武汉召开了第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会,智能仪表正趋向于多功能、高精度、低功耗、小型化、成套化，操作也更为简便。,,1.1 智能仪表的功能和组成,1.1.1 智能仪表的基本组成,智能仪表包括硬件和软件两大部分，其功能很大程度上取决于软件。,硬件部分:,智能仪表硬件包括主机电路(微处理器：单片机或嵌入式系统)、输入输出通道、人机联系部件与接口电路以及串行或并行通信接口。,智能仪表的硬件组成,单片机技术发展动向,在HCMOS基础上的全盘 CMOS 化，该器件具有本质低功耗、宽电压范围等优良性能。,单片机字长有4、8、16和32位，但当前主流机型仍是8位机。 8位单片机还会不断改进和完善。,程序存储器已从片内或外接EPROM发展为OTPROM（一次性编程只读存储器）和FlashROM (快擦写存储器),硬件的特点：,单片机内部资源不断丰富和扩大，如存储容量增大，I/O口数量增多，许多外部接口电路 (ADC、PWM、WDT等)集成到单片机中。,嵌入式系统。,新一代的单片机采用 RISC (精简指令集) 体系结构，较之传统 CISC,指令的运行速度有了很大的提高。,软件部分:,智能仪表软件包括监控程序、中断处理(服务) 程序以及能实现各种算法的功能模块。,1.1.2 智能仪表的特点,仪表中使用单片微机、ASIC专用集成电路或DSP 数字信号处理芯片、集成开关电源，并采用表面贴装技术。,仪表符合可靠性设计、电磁兼容性设计、耐环境性设计、人机工程学设计、造型设计的要求。,仪表具有自动校零、满度和切换量程以及自动补偿和修正各类误差的功能，以实现高精度检测。,仪表具有符合标准协议的通信接口，可实现联网。,仪表具有自诊断功能, 一旦发现故障即能告警, 并 能及时处理。,仪表具有多种输入、输出方式和多种控制功能,可任意设置或组态。,1.1.3 过程控制中常见的智能仪表,现场类智能变送、执行仪表，例如智能式压力、差压、流量、物位、温度、成分等传感、变送器以及执行器。,控制、显示、记录类智能仪表，例如自整定 PID调节仪、可编程调节器、可编程控制器、流量积算仪、大屏幕无纸记录仪等。,当前流行的虚拟仪器(VI) 采用虚拟现实技术，在计算机上加入特定的硬件和软件，使之完成许多仪器的功能，成为新一代的仪器仪表。,,1.2.1 智能仪表的设计思想,模块化设计： 依据仪表的功能要求和技术经济指标, 自顶向下（由大到小）地按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块, 分别进行设计和调试, 然后把它们连接起来, 进行总调, 这就是设计仪表的基本思想。,1.2 智能仪表的设计思想和研制步骤,模块的连接： 软件模块的连接, 一般是通过监控主程序调用各种功能模块，或采用中断的方法实时地执行相应的服务模块来实现；硬件模块（模板）的连接一般是以主机模块为核心，通过内部总线（数据总线、地址总线和控制总线）连接其它模块。,1.2.2 设计、研制的主要内容,确定设计任务和仪表功能，提出设计初步方案。,绘制硬件及软件总框图，确定硬件类型和数量，注意单片机的选择以及权衡硬、软件的比例。,硬件电路的设计、研制和调试。用专业软件（CAD等） 绘图布线，力求标准化、规范化。,仪表总调、性能测定。对设计所要求的全部功能进行测试，发现问题，应及时修改，直至满足设计指标。最后要写出性能测试报告。,仪表结构设计，力求造型优美、色泽柔和、美观大方、外廓整齐、细部精致，便于操作、维修。,应用软件的设计、程序编制和调试。注意结构清晰、编程规范。通常，用仿真器进行调试。,,1.3 智能仪表的开发工具,单片机本身没有开发能力，必须借助开发工具来研制、调试智能仪表的硬件和软件。,开发工具是由主处理器、显示器、键盘、在线仿真器、编程器、打印机以及开发所需要的软件组成的一个系统，故又称为开发系统。,1.3.1 开发工具的功能,编程能力 编辑、汇编、反汇编、编译等 调试、运行能力 调试、排错 仿真功能 模拟被开发的样机系统,1.3.2 开发工具的种类,简易型开发系统 软件模拟开发系统 通用型开发系统 专用开发系统 单片机的在线编程技术,1.3.3 实时多任务操作系统（RTOS）,Linux vxWorks eCos uCos qnx,编程大多用C语言（基于RTOS的C程序有好的移植性）,,