南阳师院课程（课时）教学计划 课程：智能仪器设计基础 教 师： 秦怡 院（系： 机电工程学院 学年学期：2017-2018第-学期
南阳师院课程（课时）教学计划 课 程： 智能仪器设计基础 教 师： 秦怡 院（系）： 机电工程学院 学年学期： 2017-2018 第一学期
南阳师范学院课程教学安排 教材名称及使用版本 智能仪器设计基础 本课程教学计划课时数 本课程实际安排课时 54 数 第一章绪论(4学时) 教 第二章智能仪器的数据采集技术(10学时) 内 第三章智能仪器外设及其接口技术(6学时) 及 第四章智能仪器软件设计(8学时) 第五章数据处理与信号处理技术(10学时) 分 第六章自动校准和自动诊断技术(6学时) 况 第六章智能仪器抗干扰技术(4学时) 第八章智能仪器工程设计(6学时) 备
南阳师范学院课程教学安排 教材名称及使用版本 智能仪器设计基础 本课程教学计划课时数 54 本课程实际安排课时 数 54 教 学 内 容 及 课 时 分 配 情 况 第一章 绪论 （4 学时） 第二章 智能仪器的数据采集技术 （10 学时） 第三章 智能仪器外设及其接口技术 （6 学时） 第四章 智能仪器软件设计 （8 学时） 第五章 数据处理与信号处理技术 （10 学时） 第六章 自动校准和自动诊断技术 （6 学时） 第六章 智能仪器抗干扰技术 （4 学时） 第八章 智能仪器工程设计 （6 学时） 备 注
南阳师范学院课时教学计划 章节 第一章 课题 绪论 计划课时数4 授课班级 自动化 教 学 了解智能仪器的发展史、定义及相关技术 目 的 教 学 智能仪器的分类及特点 重 点 教 学 推动智能仪器发展的关键技术 难 点 方 法 讲授，讨论 和 手 段 备 注
南阳师范学院课时教学计划 章节 第一章 课题 绪论 计划课时数 4 授课班级 自动化 教 学 目 的 了解智能仪器的发展史、定义及相关技术 教 学 重 点 智能仪器的分类及特点 教 学 难 点 推动智能仪器发展的关键技术 教 学 方 法 和 手 段 讲授，讨论 备 注
教学内容 批注 第一章绪 论 一、从传统仪器到智能仪器 1.仪器仪表定义、作用、行业分类 仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装 置。 最基本的作用：是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器 官的功能。 测量仪器，分析仪器，生物医疗仪器，地球探测仪器，天文仪器， 航空航天航海仪表，汽车仪表，电力，石油，化工仪表等，遍及国 民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落。 2、八类测试计量仪器 ■几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等 ■机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、力矩测量 仪、振动测量仪等 ■热工量：温度、湿度、流量测量仪器等 ▲光学参数：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学 传递函数测量仪等。 ▲电离辐射：各种放射性、核素计量，X、Y射线及中子计量仪器 等。 ★时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时间频率测量仪 等 ★电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC测量仪、静电 仪、磁参数测量仪等 ★无线电参数测量仪器：如示波器、信号发生器、相位测量仪、 频谱分析仪、动态信号分析仪等 ★集成电路测试仪器
教学内容 批注 第一章 绪 论 一、从传统仪器到智能仪器 1.仪器仪表定义、作用、行业分类 仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装 置。 最基本的作用：是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器 官的功能。 测量仪器，分析仪器，生物医疗仪器，地球探测仪器，天文仪器， 航空航天航海仪表，汽车仪表，电力，石油，化工仪表等，遍及国 民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落。 2、八类测试计量仪器 ■几何量：长度、角度、形貌、相互位置、位移、距离测量仪器等 ■机械量：各种测力仪、硬度仪、加速度与速度测量仪、力矩测量 仪、振动测量仪等 ■热工量：温度、湿度、流量测量仪器等 ▲光学参数：如光度计、光谱仪、色度计、激光参数测量仪、光学 传递函数测量仪等。 ▲电离辐射：各种放射性、核素计量，X、γ射线及中子计量仪器 等。 ★时间频率：各种计时仪器与钟表、铯原子钟、时 间频率测量仪 等 ★电磁量：交、直流电流表、电压表、功率表、RLC 测量仪、静电 仪、磁参数测量仪等 ★无线电参数测量仪器 ：如示波器、信号发生器、相位测量仪、 频谱分析仪、动态信号分析仪等。 ★集成电路测试仪器:
教学内容 批注 三代仪器仪表： ●第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表 ●第二代为数字式仪器仪表 ●第三代就是智能式仪器仪表 3、智能仪器的概念与历史 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机 或微处理器的测量（或检测）仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻 辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用（表现为智能的延 伸或加强等)。 1984年：我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学组”： 1986年：IMEKO(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：FAC(国际自动控制联合会)的理事会正式确定“智能 元件及仪器”。 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。 模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等 使智能仪器的功能向更高的层次发展。 智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是 仪器设计的里程碑。 4、对仪器仪表重要性的认识 仪器仪表是： 国民经济的“倍增器” 科学研究的“先行官” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的物化法官 门捷列夫：“科学是从测量开始的
教学内容 批注 三代仪器仪表： ●第一代为指针式（或模拟式）仪器仪表 ●第二代为数字式仪器仪表 ●第三代就是智能式仪器仪表 3、智能仪器的概念与历史 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机 或微处理器的测量(或检测)仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻 辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用(表现为智能的延 伸或加强等) 。 1984 年：我国仪器学会成立“自动测试与智能仪器专业学组”； 1986 年：IMEKO(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 (国际自动控制联合会) 的理事会正式确定“智能 元件及仪器”。 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。 模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等， 使智能仪器的功能向更高的层次发展。 智能仪器对仪器仪表的发展以及科学实验研究产生了深远影响，是 仪器设计的里程碑。 4、对仪器仪表重要性的认识 仪器仪表是： 国民经济的“倍增器” 科学研究的“先行官” 现代战争的“战斗力” 法庭审判的“物化法官” 门捷列夫：“科学是从测量开始的
教学内容 批注 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测 量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成。测量技术是关键利 基础” 科学仪器是信息的源头 。 科学仪器产业是信息产业 王大珩院士：“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民 族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略 英国著名科学家HPay曾经明确指出：Nothing begets good science like development of a good instrument" (发展一种好的仪器对于一门科学的贡献超过了任何其他事情) 美国能源部杰出科学家R.Hirsch博士在最近一篇获奖演说中指 出：“由新工具开创的科学新方向远比由新概念开创的科学新方向要 多。由概念驱动的革命影响是用新概念去阐明旧事物。而由工具驱 动的革命影响是去发现需要阐明的新事物” 二、智能仪器的分类、基本结构与特点 1.分类 高级智能仪器类 趋 人工智能 型化智能仪器类 系统辨识、模式识别 初级智能仪器类 计腰瞽处理 电子、传感、测量 聪敏仪器类 2.智能仪器的基本结构
教学内容 批注 钱学森：“新技术革命的关键技术是信息技术。 信息技术由测 量技术、计算机技术、通 讯技术三部分组成。测量技术是关键和 基础” • 科学仪器是 信息的源头 • 科学仪器产业是信息产业 王大珩院士：“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民 族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略” 英国著名科学家 H.Pavy 曾经明确指出：“Nothing begets good science like development of a good instrument” （发展一种好的仪器对于一门科学的贡献超过了任何其他事情） 美国能源部杰出科学家 R. F. Hirsch 博士在最近一篇获奖演说中指 出：“由新工具开创的科学新方向远比由新概念开创的科学新方向要 多。由概念驱动的革命影响是用新概念去阐明旧事物。而由工具驱 动的革命影响是去发现需要阐明的新事物” 二 、智能仪器的分类、基本结构与特点 1.分类 2.智能仪器的基本结构
教学内容 批注 其结构可有两种基本类型 ●微机内嵌式 将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单 机，其形态是仪器。 输出通道 RS232 USB EPROM 传感AD 10接 打印机 电 电 输入通道」 量 键盘、开关 显示器 内嵌微处理器智能仪器的基本结构 ●微机扩展式 以个人计算机(PC℃)为核心的应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器 (PC)或称微机卡式仪器。其形态可以是计算机。 个人仪器结构图 个人计算机 总线扩展槽 软件 PC总线 插件 接 … 源 扩展底板或外部插件箱 GPIB总线 3.智能仪器的特点
教学内容 批注 其结构可有两种基本类型: ●微机内嵌式 将单片或多片的微处理器与传统仪器有机地结合在一起形成的单 机，其形态是仪器。 ●微机扩展式 以个人计算机(PC)为核心的应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器 (PCI)或称微机卡式仪器。其形态可以是计算机。 3.智能仪器的特点
教学内容 批注 ◆测量过程的软件控制： CU一软件控制测量过程 “以软代硬”一灵活性强、可靠性强 ◆数据处理： 数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准等处理一改善测量 的精确度 相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析一提 供更多高质量的信息 ◆多功能化：一机多用（智能化电力需求分析 三、雄动智能仪器发展的主要技术 >传感器技术 >AD等新器件的发展将显著增强仪器的性能与测量范围 单片机与DSP的广泛应用 嵌入式系统与片上系统SO○) ASIC、FPGA/CPLD技术 LabVIEW等图形化软件技术 网络与通信技术 1、传感器技术 为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。 聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器(Smart Sensor) 网络化传感器(Networked Sensor) 聋哑传感器 传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。它的设计指导思想是把
教学内容 批注 ◆测量过程的软件控制： CPU→ 软件控制测量过程 “以软代硬” →灵活性强、可靠性强 ◆数据处理 ： 数字滤波、随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改善测量 的精确度 相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析→提 供更多高质量的信息 ◆多功能化 ：一机多用(智能化电力需求分析仪) 三、推动智能仪器发展的主要技术 ➢ 传感器技术 ➢ A/D 等新器件的发展将显著增强仪器的性能与测量范围 ➢ 单片机与 DSP 的广泛应用 ➢ 嵌入式系统与片上系统(SOC) ➢ ASIC、FPGA／CPLD 技术 ➢ LabVlEW 等图形化软件技术 ➢ 网络与通信技术 1、传感器技术 为适应智能仪器发展的需要，各种新型传感器不断涌现。 聋哑传感器(Dumb Sensor) 智能传感器(Smart Sensor) 网络化传感器(Networked Sensor) 聋哑传感器 传统的传感器是模拟仪器仪表时代的产物。它的设计指导思想是把
教学内容 批注 外部信息变换成模拟电压或电流信号。这类传感器的输出幅值小， 灵敏度低，而且功能单一，因而被称为“聋哑传感器”。 智能传感器 微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟， 新型敏感材料不断被开发出米。在高新技术的渗透下，尤其是计算 机硬件和软件技术的渗入，使微处理器和传感器得以结合，产生了 具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器 一智能传感器。智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传 感器的发展产生了深远的影响。 网络传感器 网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功 耗、低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工 技术，将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到 智能传感器的ROM中时，就产生了网络传感器： 为解决现场总线的多样性问题，EEE451.2工作组建立了智能传 感器接口模块(STM)标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处 理器之间的硬件和软件接口，是EEE1451网络传感器标准的重要组 成部分，为使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。 2、AD等新器件增强仪器的功能与测量范围 A/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 提高是实现高速信号采集的关键。在向高速，低功耗、高分辨率、 高性能的方向发展。 A/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。 3.单片机、DSP处理器广泛应用
教学内容 批注 外部信息变换成模拟电压或电流信号。这类传感器的输出幅值小， 灵敏度低，而且功能单一，因而被称为“聋哑传感器”。 智能传感器 微电子技术、光电子技术获得了迅猛的发展，加工工艺逐步成熟， 新型敏感材料不断被开发出来。在高新技术的渗透下，尤其是计算 机硬件和软件技术的渗入，使微处理器和传感器得以结合，产生了 具有一定数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器 ——智能传感器。智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传 感器的发展产生了深远的影响。 网络传感器 网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、低功 耗、低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工 技术,将网络接口芯片与智能传感器集成起来并使通信协议固化到 智能传感器的 ROM 中时，就产生了网络传感器； 为解决现场总线的多样性问题，IEEEl451．2 工作组建立了智能传 感器接口模块(STIM)标准，该标准描述了传感器网络适配器或微处 理器之间的硬件和软件接口，是 IEEEl451 网络传感器标准的重要组 成部分，为使传感器能与各种网络连接提供了条件和方便。 2、A/D 等新器件增强仪器的功能与测量范围 A／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 提高是实现高速信号采集的关键。在向高速，低功耗、高分辨率、 高性能的方向发展。 A／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。 3.单片机、DSP 处理器广泛应用
教学内容 批注 单片机：8031、8051、89C51、MSP430、AVR、ARM TMS一320系列等高速单片数字信号处理器(DSP‘Digital Signal Processor)是通过硬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、FFF、相关、卷积等信号处理能力。 新型DSP芯片接口功能大大加强，甚至集成了DSP与ARM双核。 51系列单片机的时钟频率目前可以提高至33一40MH2,提升到20 MPS。集成片上Flash存储器，集成密度高并实现了ISP(在系统烧 录程序)和IAP(在应用烧录程序)。 例如Philips公司P89C51RC2/RD2、32KB/64 KBFlash存储器， 8KB容量的RAM。 瑞典Xemic公司生产的XE8301,其工作电压的范围为1.2-5.5V, 1MPS时电流为200μA,暂停模式下仅需要1μA电流维持时钟 的运行。 许多公司还采用了数字一模拟混合集成技术，将A/D、D/A、锁 相环以及USB、CAN总线接口等都集成到单片机中，大大地减少 片外附加器件的数目，进一步提高了系统的可靠性。 4、嵌入式系统与片上系统(S0C)将使智能仪器的设计提升到一个新 阶段 计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统（简称嵌入式 系统)。而嵌入式系统则是指把微处理器、单片机（微控制器）、DSP 芯片等作为控制与处理部件”，虽然嵌入式系统的核心是计算机， 但它是以某种设备的形式出现的，其外观不再具备计算机的形态。 很显然，智能仪器属于嵌入式系统，它虽然以微型计算机为核心， 但它不以计算机的形态出现：而是作为宿主设备的控制器智能地体 现仪器设备的功能。 ●嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976年8048微控制
教学内容 批注 单片机:8031、8051、89C51、MSP430、AVR、 ARM TMS—320 系列等高速单片数字信号处理器(DSP‘Digital Signal Processor)是通过硬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、FFF、相关、卷积等信号处理能力。 新型 DSP 芯片接口功能大大加强，甚至集成了 DSP 与 ARM 双核。 51 系列单片机的时钟频率目前可以提高至 33—40MHz，提升到 20 MIPS。集成片上 Flash 存储器，集成密度高并实现了 ISP(在系统烧 录程序)和 IAP(在应用烧录程序)。 例如 Philips 公司 P89C51RC2／RD2 、32KB／64KBFlash 存储器， 8KB 容量的 RAM。 瑞典 Xemic 公司生产的 XE8301，其工作电压的范围为 1.2—5.5V， 1 MIPS 时电流为 200μA，暂停模式下仅需要 1μA 电流维持时钟 的运行。 许多公司还采用了数字—模拟混合集成技术，将 A／D、D／A、锁 相环以及 USB、CAN 总线接口等都集成到单片机中，大大地减少 片外附加器件的数目，进一步提高了系统的可靠性。 4、嵌入式系统与片上系统(SOC)将使智能仪器的设计提升到一个新 阶段 计算机可以分成通用计算机系统和嵌入式计算机系统(简称嵌入式 系统)。而嵌入式系统则是指把微处理器、单片机(微控制器)、DSP 芯片等作为“控制与处理部件”，虽然嵌入式系统的核心是计算机， 但它是以某种设备的形式出现的，其外观不再具备计算机的形态。 很显然，智能仪器属于嵌入式系统，它虽然以微型计算机为核心， 但它不以计算机的形态出现；而是作为宿主设备的控制器智能地体 现仪器设备的功能。 ● 嵌入式系统的发展曾出现过两次高潮。1976 年 8048 微控制