测控技术与仪器专业概论.ppt

测控技术与仪器专业概论,,应用,没有测量就没有科学，至少是没有真正意义上的科学。,绪论,业务培养目标：本专业培养具备精密仪器设计制造以及测量与控制方面基础知识与应用能力，能在国民经济各部门从事测量与控制领域内有关技术、仪器与系统的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理等方面的高级工程技术人才。,专业简介,专业简介  本专业是以高新技术综合运用和系统集成为特点的宽口径工科专业，以微机化智能化电子仪器和测控系统设计为专业特色，并向光、机、电相结合的精密仪器方向拓展。培养具有扎实的数学、物理和电子信息基础知识，具备现代测控系统和智能仪器仪表设计研发能力的复合型高级专门人才 。,主干课程,主干课程  电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、信号系统与信号处理、微机接口技术、电子测量、自动控制原理、传感器与检测技术、智能仪器、精密仪器设计。,就业方向,就业方向  适合到信息产业、测量与控制等高新技术领域内从事仪器装备设计制造、科技开发、运行管理等工作，适宜到科研部门和学校从事科研或教学，也可攻读仪器科学与技术及相关学科的研究生。,,,,,我校,一、人才培养目标： 本专业培养测控技术与仪器的基本知识、基本理论、基本方法，面向现代仪器仪表和测控技术装备，具有创新能力和工程实践能力，能从事现代测量、控制与仪器仪表工作的维护、设计的应用型高级专门人才，和在中、高等职业技术学校从事测控技术与仪器教学工作的“一体化”职教师资。,业务培养要求,二、业务培养要求： 1、具有良好的思想道德品质、较好的文化修养以及较好的身心素质，具有较好的专业素质、较好的工程素质，具有较强的获取知识的能力以及应用知识的能力，具有一定的创新能力；,业务培养要求,2、毕业生应具有较扎实的自然科学基础，较好的人文社会科学基础和外语综合能力，在掌握专业知识，并具有现代仪器仪表和测控技术与系统的应用、维护、维修、设计、实施、开发能力，在本专业领域内具备一定的科学研究、科技开发和组织管理能力，具有较强的工作适应能力；,业务培养要求,3、获得较好的技能和工程实践训练，依据学校相关规定获得至少一个与本专业相关的中级职业技能资格证书（或专业资格、水平证书）；,业务培养要求,4、具有良好的教师职业道德素养，熟悉教育法规和教育教学规律，掌握并能够初步运用职业教育心理学、职业教育学和自动化技术相关教育学的理论，具有运用现代教育技术、从事测控技术与仪器及相关专业教学的基本能力。,,三、主干学科：仪器科学与技术、控制科学与工程、光学工程、计算机科学与技术。 四、主要课程：电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、光学基础、机械设计基础、信号与系统、误差理论与数据处理、微机原理及接口、传感器原理、控制工程基础、现代检测技术、智能仪器及应用、测控与系统、过程控制。,,五、主要实践教学环节：金工实习、电子技术课程设计、仪器仪表技能训练、专业综合设计、教育实习、毕业实习、毕业设计及大学生创新实践等。 六、修业年限：标准学制四年。 七、授予学位：工学学士。 八、学时与学分: 总学分 203 理论课最低学时/学分 2523/158 集中实践环节周数/学分 39/39 课外活动与社会实践学分 10,华北地区,【北京市】清华大学、北京科技大学、北京交通大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北京化工大学、北京工业大学、中国地质大学、北京机械工业学院、北京邮电大学、北京石油化工学院 　　【天津市】天津大学、天津理工学院、天津科技大学、天津工程师范学院 　　【河北省】河北工业大学、华北电力大学、河北科技大学、燕山大学、河北理工学院、河北大学、河北建筑科技学院、石家庄铁道学院、河北农业大学 　　【山西省】太原理工大学、华北工学院、太原重型机械学院 　　【内蒙古自治区】内蒙古工业大学、包头钢铁学院,东北地区,【辽宁省】东北大学、辽宁大学、沈阳工业大学、辽宁工程技术大学、大连铁道学院、沈阳工业学院、沈阳化工学院、辽宁工学院、辽宁石油化工大学、鞍山科技大学 　　【吉林省】吉林大学、长春理工大学、东北电力学院、长春工业大学、吉林化工学院 　　【黑龙江省】哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨理工大学、大庆石油学院,华东地区,【上海市】上海交通大学、华东理工大学、上海大学、上海理工大学、上海电力学院 　　【江苏省】东南大学、中国矿业大学、南京理工大学、南京航空航天大学、南京邮电学院、南京工程学院、南京师范大学、苏州大学、扬州大学、南京工业大学、南通工学院、常州工学院、华东船舶工业学院、淮阴工学院、南京林业大学 　　【浙江省】浙江大学、中国计量学院、杭州电子工业学院、浙江工业大学、浙江工程学院 　　【安徽省】中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽工业大学、安徽理工大学、安徽工程科技学院,陕甘宁,【陕西省】西安交通大学、西北工业大学、西安电子科技大学、西安理工大学、陕西科技大学、西安工业学院、西安石油大学、西安工程科技学院、陕西理工学院、西安邮电学院、西安建筑科技大学、西安科技学院 　　【甘肃省】兰州交通大学、兰州理工大学 　　【宁夏回族自治区】西北第二民族学院,西南地区,【重庆市】重庆大学、重庆工商大学、重庆邮电学院、重庆工学院 　　【四川省】四川大学、电子科技大学、西南交通大学、成都理工大学、西南石油学院、成都信息工程学院、西华大学、四川理工学院 　　【贵州省】贵州工业大学 　　【云南省】昆明理工大学,中原地区,【山东省】山东大学、青岛科技大学、山东科技大学、烟台大学、山东理工大学 　　【河南省】河南大学、郑州大学、河南科技大学、郑州轻工业学院、中原工学院 　　【湖北省】武汉大学、华中科技大学、武汉理工大学、湖北工学院、武汉化工学院、湖北科技大学、中国地质大学、江汉大学、武汉科技学院,两广,【广东省】广东工业大学 　　【广西壮族自治区】桂林电子工业学院、广西工学院,,【湖南省】湖南大学、湘潭大学、湖南科技大学 【福建省】厦门大学、华侨大学、集美大学 【江西省】南昌航空工业学院、华东交通大学、南方冶金学院、南昌大学、东华理工学院,推荐报考院校：,,清华大学、 浙江大学、 哈尔滨工业大学、 天津大学、 北京航空航天大学,数 学,高等数学 数学实验 线性代数 复变函数与积分变换 概率论与数理统计,,大学物理,力学 热学 电磁学 光学 近代物理学,,学科基础课程,数学 英语 计算机基础 大学物理 机械制图 机械设计概论,专业基础课程,电路原理 模拟电子技术 数字电子技术 光学基础 微机原理及接口 信号与系统 传感器原理 误差理论与数据处理,专业课程,必修:虚拟仪器技术 现代检测技术 测控与系统智能 仪器及应用 专业英语,技术模块1,限选: 单片机原理及应用 PLC原理及应用 控制仪表与装置 至少选二门 CPLD设计 数字信号处理 智能机器人 过程控制 测控电路 计算机网络,技术模块2,限选： 机电控制元件 现场与测试总线（至少选二门） 控制工程基础 图像采集及处理 精密机械与仪器设计 精密光电测量技术,学科专业课,选修课教育模块 现代教育技术 教育科研方法 教育测量与评价 德育与班主任,管理模块,经济管理概论 人力资源管理 市场营销 财务会计 经济法基础,必修：军训 金工实习 计算机绘图训练 电子技术课程设计 仪器仪表技能训练 工艺实习仪器 仪表技能训练专业综合设计 毕业设计学科教学法(含微格教学) 教育实习 毕业实习,电路原理,（1）电路原理具有很强的数学特点，电路模型的建立与分析，除了常规的微积分等计算外，还要用到线性代数、图论、集合论等，但大家若把它作为数学来学习，那大为不妙！因为这里的数学概念是与专业物理概念紧密结合在一起的；,本课程与普通物理有着密切的联系，许多概念直接来自物理学中的电磁学和波动力学，其它概念的建立也以此为基础，但本课程的专业特色要比普通物理更鲜明、直接，概念也更多、更具体；,电路原理,电路原理,本课程作为第一门专业基础课，与专业课和有些专业基础课相比，其基础性更强。,电路原理,主要内容包括：直流电路、含有运算放大器电路、正弦交流稳态电路、非正弦交流电路、三相电路、暂态电路、二端口网络、非线性电路、分布参数电路等。通过本课程的学习，学生可以掌握后续课程所必须的电路的基本理论知识、基本分析方法和初步的实验技能，培养学生分析、解决和处理电路问题的能力，为后续课程的学习打下坚实的电路理论基础。,电路原理,基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律 戴维南定理、诺顿定理 三要素法 三相电源的Y接和接 线电压(电流)与相电压（电流） 傅里叶级数 拉普拉斯变换 二端口网络,,电子技术,电子技术的基本任务可称之为“信号的产生、信号的传输、信号的处理”，任务的完成取决于对电子器件、电子电路、电子系统的性能的研究。 按照功能和构成原理的不同，电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类。,电子技术,1.1.1 模拟量与数字量 模拟量：时间和数值连续的物理量。 时间的连续函数 数字量：时间和幅度都是离散的。,模拟电子技术,本课程着重讨论模拟电路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本应用。 主要内容:(1)简要地介绍信号与电子系统的基本概念，(2)讨论模拟电路的基本单元电路——放大器（模型）及其性能。 基本要求:(1)了解电子系统的基本概念及组成(2)了解信号的分类方法及放大电路的分类(3)熟悉放大电路的主要性能指标。,模拟电子技术,第一章 半导体二极管及其基本电路 第二章 半导体三极管及放大电路 第三章 场效应管放大电路 第四章 功率放大电路 第五章 集成运算放大电路 第六章 反馈放大电路 第七章 信号的运算与处理电路 第八章 信号产生电路 第九章 直流稳压电源,数字电子技术,一、数字逻辑电路 ⒈数字信号 ⑴ 数字量：在时间和幅度上不连续变化的物理量。 ⑵数字信号：表示数字量的信号 例： 灯的开关－－2种取值 人的性别－－2种取值 学生的籍贯－－32种取值 学生的民族－－56种取值 东西南北方位－－4种取值 产品的计数－－N个种取值,（1）工作信号是二进制的数字信号，在时间上和数值上是离散的（不连续），反映在电路上就是低电平和高电平两种状态（即0和1两个逻辑值）。 （2）在数字电路中，研究的主要问题是电路的逻辑功能，即输入信号的状态和输出信号的状态之间的关系。 （3）对组成数字电路的元器件的精度要求不高，只要在工作时能够可靠地区分0和1两种状态即可。,1、数字电路的特点,数字电子技术,数字电子技术,第一章 逻辑代数基础 第二章 门电路 第三章 组合逻辑电路 第四章 触发器 第五章 时序逻辑电路 第六章 脉冲波形的产生和整形 第七章 半导体存储器 第八章 可编程逻辑器件,,C P L D,COMPLEX PROGRAMMABLE LOGIC DEVICE,PLD,,CPLD,FPGA,FLIED PROGRAMMABLE GATE ARRAY,现场,可编程,门,阵列,,DEVICE,: 集成电路（IC）,ASIC :Application Specific IC,产 生：,存储器,,,,,发展：,1. PROM、EPROM 、EEPROM,2. 专业的PLD芯片：PAL(可编程阵列逻辑)和 GAL(通用阵列逻辑)。,3. 复杂的PLD芯片：CPLD和FPGA。,：ALTERA公司,：XILINEX公司,；乘积项技术,；查找表技术,；基于Flash rom或EEPROM,；基于SRAM,掉电后程序丢失！,厂家：,Lattice的ISP技术,Lattice的世界第一个模拟PLD器件,莱迪思的可编程模拟集成电路：ispPAC 器件,ALTERA公司的开发工具 ：,Altera公司推出的的第三代PLD开发系统,MAX+PLUSII,QuartusII,新一代FPGA/PLD开发软件，适合新器件和大规模FPGA的开发，将逐步取代MaxplusII。,常见英文缩写解释： ASIC: Application Specific Integrated Circuit. 专用IC EDA: Electronic Design Automation. 电子设计自动化 PAL: Programmable Array Logic. 可编程阵列逻辑 GAL: Generic Array Logic. 通用阵列逻辑 CPLD:Complex Programmable Logic Device. 复杂可编程逻辑器件 FPGA: Field Programmable Gate Array. 现场可编程门阵列 SOC: System On a Chip. 片上系统 HDL: Hardware Description Language. 硬件描述语言 VHDL:Very high speed integrated circuit Hardware Description Language. 超高速集成电路硬件描述语言,微机原理,《微机原理及接口技术》是计算机应用及其相关专业本科的专业基础课。它以《计算机概论》、《计算机原理》、《电路分析》、《电子技术》等课程为先修课程，与《汇编语言程序设计》、《微机接口实验》相互配合，形成完整的教学和实践体系，是一门具有重要地位的主干课程。掌握微型计算机原理及接口技术，可为今后单片机、DSP原理、检测、控制等后续课程学习以及开发应用打下基础。,微机原理,微型计算机的基础知识,微型计算机系统的组成 微型计算机的工作原理 微型计算机的特点、应用及发展 计算机运算基础,微机原理,计算机的产生与发展 电子计算机，它是一种能够自动、高速、精确地完成各种信息的存储、处理和控制功能的电子器件。 电子计算机的产生 社会需求 电子器件,微机原理,计算机的产生与发展 电子计算机的几个阶段 电子计算机和电子器件相互影响、相互促进 电子器件的发展 电子管--晶体管--集成电路--大规模集成电路 电子计算机的发展 电子管计算机--晶体管计算机--集成电路计算机 --大规模集成电路计算机--人工智能计算机,微机原理,计算机的产生与发展 微型计算机的发展 第一代(1971━1974年)主要是4位和低档8位微型机。（4004） 第二代(1974-1978年)主要是中高档8位微型机。（8080、8085、Z80） 第三代(1978-1981年)主要为16位微型机（8086） 第四代(1981-1993年)主要为32位高档微型机。（80386、80486） 第五代(1993年至今)主要为64位高档微机。（Pentium、 Pentium‖）,微机原理,微处理器与系统结构 微处理器的发展 微处理器的基本结构 Intel 8086微处理器 80386微处理器 80486微处理器 Pentium 处理器,微机原理,指令系统 数据传送指令 数据加工类指令： 算术指令：＋、－ 、×、 ÷、增量、减量 逻辑指令：AND、OR、NOT、XOR、移位、循环 串处理指令：数据块的传送、比较、搜索 控制转移指令：程序的转移、子程序的调用、返回 CPU控制指令：标志的处理、CPU的状态控制 其它指令：如高速缓存处理指令等,微机原理,汇编语言及其程序设计 汇编语言的特点 格式 编辑环境 基本程序设计： 顺序结构，分支结构，循环结 构，子程序结构,微机原理,半导体存储器 存储器接口技术 存储器接口中应考虑的问题 存储器地址译码方法 主存储器接口 EPROM与CPU的接口（以Intel 2716为例） SRAM与CPU的接口（以Intel 2114为例） DRAM与CPU的接口（以Intel 2164为例） 高速缓冲存储器接口 虚拟存储器,微机原理,总线技术 总线与接口 总线的分类、特点 系统总线：ISA PCI 串行总线：USB,微机原理,I/O接口与中断技术 I/O接口 中断的基本原理 8086中断系统 8259中断控制器,微机原理,接口技术,计时器 并行接口 串行接口 DMA D/A 与A/D,单片机原理,主要介绍微型计算机应用形态、单片机的特点及应用领域、单片机应用系统开发方式。 1.1 电子计算机的发展概述 1.2 单片机的发展过程及产品近况 1.3 单片机的特点及应用领域 1.4 单片机应用系统开发简介,1.1 电子计算机发展概述,1.1.1 电子计算机的问世及其经典结构,,,1946年2月15日，第一台电子数字计算机ENIAC问世，这标志着计算机时代的到来。 （CALCULATOR）,ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100 KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算。 与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。,,,匈牙利籍数学家冯·诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。,,1.1 单片机的概念,控制器,运算器,存储器,输入/输出设备,,CPU,,单片机,电子管,晶体管,集成电路,大规模、超大规模集成电路,,甚大规模集成电路,发展方向：,1.高速度、大容量、高性能,2.体积小、价格廉、稳定可靠,1.1 单片机的概念,1.1.1 单片机的名称,一片芯片相当于一个计算机系统,,单片机 Single Chip MicroComputer,微控制器 Micro Control Unit,,国内通称,国际通称,嵌入式微控制器 Embed,1.1 单片机的概念,1.1.1 单片机的名称,1.1.2 通用单片机和专用单片机,,ASIC,1.1.3 单片机和单片机系统,（1）单片机：芯片本身,（2）单片机系统：以单片机为中心组成的一定功能的 计算机系统。,1.1.5 单片机的程序设计语言和软件,（1）单片机的程序设计语言：,机器语言、,汇编语言、,C语言,（2）单片机的软件：,编程软件、,仿真软件、,编译软件、,写入软件、,监控软件。,1.1.4 单片机的应用系统和开发系统,（1）应用系统,（2）开发系统：仿真器,1.1 单片机的概念,1.2 单片机的发展,1.2.1 单片机的发展概述,1946 第一台计算机诞生,1971 第一个微处理器诞生,1976 MCS-48(8位),1980 MCS-51(8位),80年代末 Motorola 680X Zilog Z-8 Rockwell 650X•••,1983 MCS-96(16位),当前：,(1) MCS-51、MCS-96系列发展。,(2) PIC (Microchip公司),(6) DSP,(3) ARM,(5) AVR,(4) 凌阳单片机,,二、微型计算机的应用形态 从应用形态上，微型计算机可以分成三种： （1）多板机（系统机） 将CPU、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）上，再通过系统总线和其它多块外设适配板卡连接键盘、显示器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 工业PC机 也属于多板机。,,（2） 单板机 将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片和简单的I/O设备（小键盘、LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上监控程序（固化在ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。,,,单板机的I/O设备简单，软件资源少，使用不方便。早期主要用于微型计算机原理的教学及简单的测控系统，现在已很少使用。,,单片机 在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。 三种应用形态的比较 ：,,系统机（多板机）,单板机,单片机,3.1 可编程控制器概述,可编程控制器的英文名称是Programmable Controller，早期简称PC，后来为了与个人计算机（PC）区分，在行业中多称之为Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可编程控制器的起源和它本身的特点有关。,返回,3.1.1 可编程控制器的产生与发展,美国数字设备公司（DEC）根据提出10项指标，于1969年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。,至上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间 。,返回,3.1.2 可编程控制器的特点,可编程控制器的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下特点：,CPU为可靠性高，抗干扰能力强； 灵活性强，控制系统具有良好的柔性； 编程简单，使用方便； 控制系统易于实现，开发工作量少，周期短； 维修方便； 体积小，能耗低； 功能强，性能价格比高 。,3.2 可编程控制器的组成,PLC的基本组成部件如下图所示：,,返回,3.2.1 中央处理单元（CPU）,中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有 ：,接受并存储由编程器键入的用户程序和数据； 诊断电源故障以及用户程序的语法错误； 读取输入状态和数据并存储到相应的存储区； 读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。,返回,3.2.2 存储器单元,PLC的存储器单元分成两个部分：,系统程序存储器；用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。 用户程序存储器。可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。,3.2.3 电源单元,电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。,电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LCD）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。,3.2.4 输入输出单元,PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。 I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。,工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。,3.2.5 接口单元,接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。,PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元 。,3.2.6 外部设备,PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：,编程设备；除了用于编程，还可对系统作一些设定，以确定PLC的工作方式。 监控设备；将现场数据动态实时显示出来，以便操作人员随时掌握系统运行的情况。 存储设备；用于保存用户数据，避免程序丢失。 输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专用设备。,返回,测量与传感技术,,,参考书籍,,测量与传感技术,是自动化技术的重要组成部分。 是机械、电子、计算机有机结合的中间环节。 专业基础课程 ——电工学、电子技术、光学等。,一、传感器的作用,测量与传感技术,人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律及生产活动中它们的功能远远不够。为适应这种情况，传感器就应运而生了。因此可以说，传感器是人类五官的延长， 又称为电五官。,新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。,测量与传感技术,目前，传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、健康管理、生物工程、甚至文物保护等及其广泛的领域。,可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。,测量与传感技术,没有测量就没有科学，至少是没有真正意义上的科学。,常见的传感器,智能仪器,一、 智能仪器的典型结构,,智能仪器由硬件和软件两大部分组成。  硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。 智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序；接口管理程序是面向通信接口的管理程序，接收并分析来自通信接口总线的远控命令。,智能仪器,二、 智能仪器的主要特点,(1)、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。有利于提高仪器技术指标，并方便了仪器的操作。 例如，传统仪器中与衰减器相连的旋转式开关必须安装在衰减器正前方的面板上，这样，可能由于面板的布置受仪器内部结构的限制，不能充分考虑用户使用的方便性；也可能由于衰减器的安装位置必须服从面板布局的需要，而给内部电气连接带来许多的不便。,二、 智能仪器的主要特点,(2) 微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。 例如：利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。 例如：传统的数字多用表(DMM)只能测量电阻、交直流电压、电流等， 而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行诸如零点平移、平均值、极值、统计分析以及更加复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理中解放出来。 目前有些智能仪器还运用了专家系统技术，使仪器具有更深层次的分析能力，解决专家才能解决的问题。,二、 智能仪器的主要特点,(3) 智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。 例如：智能型的数字示波器有一个自动分度键(Autoset)，测量时只要一按这个键， 仪器就能根据被测信号的频率及幅度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使信号的波形稳定地显示在屏幕上。 例如：智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断故障的原因，甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自维修功能，极大地方便了仪器的维护。,二、 智能仪器的主要特点,(4) 智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只需通过键盘打入命令， 仪器就能实现某种测量和处理功能，与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉使用人员，使人机之间的联系非常密切。,(5) 智能仪器一般都配有GPIB或RS232等通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。 从而可以很方便地与计算机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。,,典型智能仪器 — 数字多用表,,典型智能仪器 — 函数信号发生器,,典型智能仪器 — 数字存贮示波器,,典型智能仪器 — 频谱分析仪,2、自动测试系统,,自动测量系统,被测器件或过程,,,,GP-IB仪器总线,…,,,,,A/D 转换器,D/A 转换器,输入 电路,模拟 执行器,I/O接口,,,,,,,被测量,智能仪器 卡式仪器的演变,,计算机部分,,测试部分,虚拟仪器,虚拟仪器概述,虚拟仪器通常是指以通用计算机作为控制器，添加必要的模块化硬件来完成数据采集，由高效、功能强大的软件系统完成人机交互及数据处理的一种计算机系统。 　　虚拟仪器的出现使测量仪器与计算机之间的界限模糊了，用户操作这台计算机就像操作一台他自己专门设计的传统电子仪器一样。,虚拟仪器概念是在个人仪器和计算机软件不断发展的基础上提出来的。它更加强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的思想。 　　用户通过在已建立的通用仪器平台上，调用不同的测试软件就可以构成各种功能的虚拟仪器。这个概念克服了传统仪器的功能在制造时就被限定而不能变动的限制，打破了仪器功能只能由厂家定义，用户无法改变的模式。,虚拟仪器设计举例,本节拟通过虚拟电子实验室系统的设计说明虚拟仪器的设计方法,仪器功能： 示波器 动态信号分析仪 任意波形发生器 函数发生器 数字万用表 数字记录仪 等精度频率计,软件平台： LabView,硬件平台： NI-6024E DAQ 板 　　自研信号调理器,设计目标：把电子实验室的主要仪器功能”装进”计算机内部,基于 LabView 虚拟电子实验室系统的设计,计算机,信号调理器,NI-6024E,自制,通用计算机(LabVIEW),“虚拟电子实验室系统”的整体结构,DAQ板采用NI公司生产的PCI—6024E DAQ多功能数据采集板，它具有16个模拟输入的程控放大器；一个12bit A/D转换器；两个12bit的D/A转换器；两个24bit的定时器/计数器以及8个TTL电平的数字I/O端口等资源。 　　它采用了先进的即插即用，不需要任何开关与跨接器，仅通过安装驱动程序即可实现设备的完全配置。驱动程序可以从NI网站上下载。,下图为虚拟电子实验室系统的总面板，选择不同的“软键”，便可以进入不同的虚拟仪器的环境。,EDA,系统工具软件：C、VB、VC 专业设计软件：Protel、DXP 专业仿真软件：EWB、 Multisim 专业工具软件：Matlab 专业配套软件： PLD设计 MaxplusII、QuartusII PLC设计 Step 7 虚拟仪器 Labview 单片机 Keil c,EDA,,集成计数器构成任意进制计数器,1、用复位法组成N进制计数器,例:用复位法将CT74LS161组成十二进制计数器。,,2、用置数法组成N进制计数器,例:用置数法将CT74LS161组成十二进制计数器。,,集成计数器构成任意进制计数器,1、用复位法组成N进制计数器,OFFICE工具,Word Excel Powerpoint Viso,主要内容 概述 自动控制的一般概念 控制系统的数学模型 线性系统的时域分析法 频域响应法 控制系统补偿和综合,EDA,测控与系统,控制工程问题的提出 控制对象：实实在在的 事物 例：水钟（如右图所示）,例：飞球调节器 机械装置用来测量驱动杆的转速并利用飞球的转动来控制阀门，进而控制进入蒸汽机的蒸汽流量。,测控与系统,1769年：James Watt发明飞球调节器，用来控制蒸汽机的转速 1868年：J. C. Maxwell发表《调速器》，提出反馈控制的概念及稳定性条件 1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论 1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据,自动控制理论发展简史,自动控制理论发展简史,1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法 1948年：N. Wiener发表《控制论》，标志经典控制理论基本形成 1950年：W. R. Evans提出根轨迹法，并应用于反馈控制系统的设计 1954年：钱学森发表《工程控制论》,自动控制理论发展简史,1956年：蓬特里亚金（Pontryagin）提出极大值原理 1957年：R. I. Bellman提出动态规划理论 1960年：R. E. Kalman提出卡尔曼滤波理论 1960～1980年：确定性系统的最优控制、随机系统的最优控制、复杂系统的自适应和自学习控制 1980迄今：鲁棒控制、H∞控制、非线性控制、智能控制等,测控与系统,本课程主要任务 控制系统性能分析 动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等 稳态性能：控制精度（稳态误差） 控制系统设计 选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统的性能使其满足控制要求。,光学基础,辐射度学起源于物理学上对物体热辐射特性的研究。随着光学辐射在工业、农业、军事和科学研究等方面的应用日益广泛，辐射测量的重要性也与日俱增。使光度技术从以目视法占统治的状态，逐渐过渡到使用各种光电和热电接收器的物理方法，大大改善了测量精度和提高了工作效率。另一方面，在辐射度技术中，也借用了光度学的表达方法来描述辐射源和辐照场的各种辐射度特性，而建立起与光度学相似的理论体系。这两门学科之间建立了紧密的联系。,光学基础,一、基本概念 在光度学和辐射度学中，测量对象都是光学辐射，仅仅是所依据的评价标准不同。常用的光度量和辐射度量如表。,光学基础,光学基础,光学辐射是指波长为 1纳米到1毫米范围的电磁辐射,它包括真空紫外辐射、紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。 辐射度学就是对光学辐射进行定量评价的一门实验科学。 可见辐射作用于人眼所引起的“光”感觉，是一种生理效应，它与辐射的组成、强弱及人的视觉器官的生理特性和人的心理活动都有关系；光度学就是根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应。,光学基础,对于具有连续光谱的辐射，某种辐射度量Χe（如辐射强度、辐射亮度等）的光谱密集度定义为：在包含给定波长λ的无限小波长间隔内，相应的辐射度量与该波长间隔之商，Χe,λ= dΧe /dλ。辐射度量的光谱密集度与波长的函数关系叫做该辐射度量的光谱分布。对于光度量也可给出类似的定义。光度量和辐射度量之间的关系可以表示为： ΧV = K m ∫Χe,λV(λ)dλ Χ’V = K’m ∫Χe,λV’(λ)dλ 式中ΧV和Χ’V分别为与Χe,相对应的明视觉光度量和暗视觉光度量，K m ＝683流明／瓦，K’m≈1700流明／瓦，分别为明视觉和暗视觉的最大光谱光视效能。,光学基础,二、基本原理 光度学和辐射度学的研究对象主要是非相干光学辐射，并且认为辐射的传播服从几何光学定律。 1、距离平方反比法则和照度的余弦法则： 点辐射(光)源在处于某方向的面元上建立的照度与点源朝该方向的辐射（发光）强度I成正比，与点源和面元之间距离d的平方成反比，与面元法线和入射光线夹角的余弦成正比（见图1.2.1-2 ）， E = cosθ/d2 。,