第五章智能仪器软件设计
智能仪器设计课程设计
智能仪器设计课程设计课程简介本课程旨在为学生提供智能仪器设计的基本知识和技能，通过介绍智能仪器的基本组成部分、采集系统的原理、信号处理算法等内容，培养学生的理论和实践能力，提高学生的创新意识和实际操作能力。
课程目标本课程的学习目标如下：•掌握智能仪器的基本概念及其组成部分；•熟悉采集系统的原理和方法；•掌握信号处理的基本算法；•熟悉智能仪器的应用领域和应用案例；•能够独立开展智能仪器的设计和开发工作。
课程内容本课程的主要内容如下：1.智能仪器的基本概念和组成部分：介绍仪器的基本功能和组成部分，包括传感器、信号放大器、滤波器、模数转换器等。
2.采集系统的原理和方法：介绍数据采集系统的原理和方法，包括传感器的选型、信号放大器的设计和调试、模数转换器的工作原理等。
3.信号处理的基本算法：介绍常用的信号处理算法，包括滤波算法、离散傅里叶变换、小波变换等。
4.智能仪器的应用领域和应用案例：介绍智能仪器在生产、医疗、环保等领域的应用，包括温度测量、湿度测量、光学测量等实际案例。
5.智能仪器的设计和开发工作：通过实践案例，培养学生对智能仪器的设计和开发能力，包括原型设计、软件开发、系统测试等。
课程教学方法本课程采用课堂讲授、课外阅读、实验演示以及项目实践等多种教学方法，结合理论和实践，提高学生的综合能力。
具体教学方法如下：1.课堂讲授：通过课堂讲授，传授理论知识，丰富学生的学习内容；2.课外阅读：通过课外阅读，让学生深入了解智能仪器的应用领域和案例；3.实验演示：通过实验演示，让学生亲自操作仪器，深入了解仪器的组成和工作原理；4.项目实践：通过项目实践，让学生独立开展智能仪器的设计和开发工作，提高学生的实践能力；课程评估方式本课程的评估方式包括平时成绩、实验报告和设计项目。
具体评估方式如下：1.平时成绩：包括参与讨论、课堂表现、作业完成情况等；2.实验报告：学生需按照要求撰写实验报告，对实验过程和结果进行详细描述；3.设计项目：学生需独立完成智能仪器设计项目，并提交设计和测试报告，对设计过程和测试结果进行详细描述。
智能仪表软件设计
智能仪表的功能是由硬件电路和软件程序共同 实现的， 实现的，智能仪表的软件设计是仪表设计者的重要 任务之一。 任务之一。 对同一个硬件电路配以不同的软件，所实现的 对同一个硬件电路配以不同的软件， 功能也不相同。 功能也不相同。同时一些硬件电路的功能也可以由 软件来实现。 软件来实现。 研制一台复杂的智能仪表， 研制一台复杂的智能仪表，软件研制的工作量 往往大于硬件设计的工作量， 往往大于硬件设计的工作量，所以智能仪表的设计 很大程度上是软件的设计。 很大程度上是软件的设计。
系列单片机构成的智能仪表软件系统框架： 由MCS-51系列单片机构成的智能仪表软件系统框架： 系列单片机构成的智能仪表软件系统框架
；地址常量定义 ADCH EQU 0EDFEH ;读取 读取A/D转换高字节地址 读取 转换高字节地址 ADCL EQU 0EDFEH ;读取 读取A/D转换低字节地址 读取 转换低字节地址 …… ；变量定义与资源分配 ZLH DATA 30H ;当前采样数据的高字节 当前采样数据的高字节 ZLL DATA 31H ;当前采样数据的低字节 当前采样数据的低字节 MS100 DATA 40H ;100ms计时器 计时器 …… 标志定义与资源分配 FLAG DATA WORK BIT KEYOK BIT DISP_FLAG BIT AD_FLAG BIT MS1_FLAG BIT
智能仪器软件系统是由监控程序和功能模块两大 智能仪器软件系统是由监控程序和功能模块两大 监控程序 部分组成。 部分组成。 （1）监控程序：是软件设计的核心问题，包括监 ）监控程序：是软件设计的核心问题， 控主程序和命令处理子程序。 控主程序和命令处理子程序。
监控主序 监控主程序
初 始 化 管 理
4.1 总体设计
智能仪器设计课程教学大纲
《智能仪器设计》课程教学大纲Design of intelligent Instrument一、课程教学目标1、任务和地位：没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进。
要测量就必须有正确的测量方法和先进的仪器仪表。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，特别是单片微机的出现和发展，使传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都不得发生了巨大变化，形成一种完全突破传统概念的新一代测试仪器——智能仪器。
现在很多厂商、研究所以及高等院校都在研制开发各种智能化测量控制仪表，广大的仪表设计、生产和使用人员都不得迫切希望了解和掌握单片机在测量控制仪表中的应用技术。
为了跟上时代的步伐，本课程是测控专业学生必不可少的一门技术基础课。
2、知识要求：要求必须具备电路、电子仪器与测量技术、汇编原理及单片机原理的学习知识，通过本课程的学习为以后学生出去工作打下基础。
3、能力要求：系统地阐述基于单片机的智能化测量控制仪表的基本原理与设计方法，智能化测量控制仪表的人机接口、过程通道接口、串行和并行通讯接口、硬件和软件抗干扰技术、数据处理技术、仪表硬件及软件的设计方法。
通过课程设计加强学生综合知识的应用能力和设计动手能力。
二、教学内容的基本要求和学时分配2、具体要求：第一章绪论[目的要求]让学生了解智能化测量控制仪表的功能特点、智能化测量控制仪表的设计方法[教学内容]学习智能化测量控制仪表的基本与发展、智能化测量控制仪表的功能特点、智能化测量控制仪表的设计方法[重点难点]智能化测量控制仪表的功能特点[教学方法]板书，以教、学相结合来进行讲解。
[作业]课后复习思考题[课时]0.5学时第二章智能化测量控制仪表中专用微处理机[目的要求]让学生掌握MCS－51系列单片机的结构、MCS－51单片机的指令系统[教学内容]介绍了MCS－51系列单片机的特点、 MCS－51系列单片机的结构、CHMOS型单片机的节电工作方式、MCS－51单片机的指令系统[重点难点]MCS－51系列单片机的结构、CHMOS型单片机的节电工作方式、MCS －51单片机的指令系统[教学方法]板书，以教、学相结合来进行讲解。
智能仪器控制软件研制任务书
智能仪器控制软件研制任务书任务书一、项目背景和目标智能仪器控制软件作为一种集成了传感器、控制器和计算机技术的软件，可以对仪器设备进行远程监控和控制，实现自动化操作和数据采集分析。
在科学研究、工业生产和实验室测试等领域具有广泛的应用价值，对提高效率、减少人力成本和提高产品质量有重要作用。
本项目旨在研发一种智能仪器控制软件，实现对仪器设备的远程监控和控制，提供友好的用户界面，方便用户进行操作和数据分析。
具体目标包括：1.实现仪器设备的远程监控功能，可以随时了解设备的状态和数据情况。
2.提供实时数据采集和存储功能，方便用户进行数据分析和后续处理。
3.支持对设备的远程控制功能，例如开关设备、调整参数等。
4.设计友好的用户界面，使用户操作简单方便。
二、项目内容和要求本项目的主要内容包括软件需求分析、系统设计、编码实现、系统测试和用户文档编写等。
具体要求如下：1.软件需求分析：对应用环境进行调研，收集用户需求，并进行需求分析和功能设计，明确软件的功能、性能和界面要求。
2.系统设计：根据需求分析结果，进行系统总体设计和模块设计，确定软件的架构和各模块的功能和接口。
3.编码实现：根据系统设计，使用合适的编程语言和开发工具进行编码实现，确保软件能够满足需求，并具有良好的性能和稳定性。
4.系统测试：进行单元测试、集成测试和系统测试，确保软件的各项功能和性能可以正常运行。
5.用户文档编写：编写使用手册和操作指南，详细介绍软件的功能和操作步骤，方便用户使用和维护。
三、项目进度安排本项目的工作进度安排如下：1.第一周：完成软件需求分析，包括调研、需求收集和需求分析等。
2.第二周：完成系统设计，包括总体设计和模块设计等。
3.第三周至第六周：完成编码实现和系统测试，包括编码、单元测试、集成测试和系统测试等。
4.第七周至第八周：完成用户文档编写和最终测试。
四、项目组织和人员分工本项目的组织结构如下：1.项目经理：负责项目的组织和协调，监督项目进展，解决项目中的问题。
智能仪器的设计与开发
3）信号控制功能块是单片机与控制对象相互联 系的重要部分。信号控制功能模块由单片机输出 的数字量、开关量或频率量转换(模数转换或频 率电压转换)后，再由各种驱动回路来驱动相应 执行器实现控制功能。 4）人机对话功能模块包括键盘、显示器(LED、 LCD或CRT)打印机及报警系统等部分。为实现它 与单片机的接口，采用专用接口芯片(如8279)或 通用串并行接口芯片。
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什么是DSP？
DSP（digital singnal processor）是一种独特的 微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作 原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字
信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字
数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程 性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令
FPGA？
FPGA （现场可编程门阵列）是专用集成电 （ASIC）中集成度最高的一种，用户可对FPGA内 部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的 逻辑，因而也被用于对CPU的模拟。用户对FPGA的 编程数据放在Flash芯片中，通过上电加载到FPGA 中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现 系统在线重构，这一特性可以构建一个根据计算 任务不同而实时定制的CPU，这是当今研究的热门 领域。
求考虑，对于普通要求规模较小的应用系统，可
采用单机系统；对于高可靠性系统，即使系统规
模不大，但为了可靠，也常采用双机系统。
一、单机系统结构设计
用单片机进行适当扩充和接口，可满足一般智能 仪器的需要。单片机应用系统设计涉及单片机系 统、信号测量功能模块、信号功能控制模块、人 机对话功能模块和远程通讯功能模块。 1）单片机系统包括基本部分和扩展部分 包括存储器的扩展（RAM、ROM、EEPROM等） 接口的扩展（8255、8155、8279、8251等）
智能仪器控制软件研制任务书
智能仪器控制软件研制任务书一、项目背景随着科技的不断发展，智能仪器在各个领域的应用越来越广泛。
为了满足市场对于智能仪器功能和性能的不断提升的需求，提高仪器的自动化程度和精度，我们决定开展智能仪器控制软件的研制工作。
二、项目目标本次智能仪器控制软件研制的总体目标是开发一款功能强大、稳定可靠、易于操作的控制软件，实现对智能仪器的精确控制和数据采集、处理与分析，提高仪器的工作效率和性能。
具体目标包括但不限于以下几点：1、实现对智能仪器的各种参数的实时监测和控制，包括温度、压力、流量等。
2、支持多种通信协议，能够与其他设备进行有效的数据交互。
3、具备数据采集、存储和分析功能，能够生成详细的报告和图表。
4、提供友好的用户界面，操作简单直观，方便用户进行设置和操作。
5、保证软件的稳定性和可靠性，能够长时间稳定运行，不易出现故障。
三、项目范围1、软件功能范围仪器参数设置：允许用户设置仪器的工作模式、测量范围、精度等参数。
实时数据监测：实时显示仪器采集到的数据，并以直观的方式呈现给用户。
控制指令发送：根据用户的设置和实际需求，向仪器发送控制指令，实现对仪器的控制。
数据存储与管理：将采集到的数据进行存储，并提供数据查询、删除、导出等管理功能。
数据分析与处理：对存储的数据进行分析和处理，提取有用信息，生成报告和图表。
系统设置：包括用户管理、权限设置、通信参数设置等。
2、软件适用范围适用于本公司研发的各类智能仪器，包括但不限于_____、＿____等型号。
四、项目时间计划1、需求分析阶段（开始时间 1 结束时间 1）与相关部门和用户进行沟通，了解需求和期望。
对现有类似软件进行调研和分析，吸取经验教训。
编写详细的需求规格说明书，明确软件的功能和性能要求。
2、设计阶段（开始时间 2 结束时间 2）根据需求规格说明书，进行软件的总体设计和详细设计。
确定软件的架构、模块划分、数据结构和算法等。
编写设计文档，包括架构设计文档、模块设计文档等。
《智能仪器设计》课件
技术更新
智能仪器技术不断发展，如何及时更新设 备和技术以保持其竞争力是一个挑战。
THANK YOU
通信技术
通信技术是智能仪器实现远程 控制和数据传输的关键技术之 一。
通信技术包括有线通信和无线 通信两种方式，能够实现仪器 与计算机、仪器与仪器之间的 数据传输和控制。
通信技术的性能指标包括传输 速率、传输距离、传输质量和 可靠性等，直接影响智能仪器 的远程控制和数据传输效果。
随着通信技术的不断发展，智 能仪器可以实现更快速、更稳 定、更可靠的数据传输和控制 。
04
智能仪器设计实例
智能温度计设计
总结词
实时监测、远程控制、高精度测量
详细描述
智能温度计采用高精度传感器和微处理器，能够实时监测环境温度，并通过无 线通信技术将数据传输到手机等设备上。用户可以通过手机应用程序远程查看 温度数据和控制温度计的开关，方便实用。
智能血压计设计
总结词
一键测量、自动分析、云端存储
智能仪器的发展历程
01
02
03
04
20世纪70年代
随着微处理器和计算机技术的 快速发展，智能仪器开始出现
。
20世纪80年代
智能仪器在工业生产中得到广 泛应用，成为工业自动化领域
的重要支柱。
20世纪90年代
随着计算机技术的不断进步， 智能仪器的功能越来越强大，
智能化程度越来越高。
21世纪
智能仪器已经成为工业自动化 领域不可或缺的重要部分，广
详细描述
智能血压计具备一键测量功能，用户只需将手臂放在血压计的感应区域内，血压计即可自动测量并记录数据。同 时，血压计内置的微处理器会对测量结果进行自动分析，并将数据上传至云端存储，方便用户随时查看和跟踪自 己的血压状况。
智能仪器课程设计报告
智能仪器课程设计报告一、课程设计目的智能仪器课程设计是一门综合性实践课程，旨在培养我们对智能仪器的设计、开发和应用能力。
通过本次课程设计，我们要将所学的理论知识应用到实际项目中，提高我们的工程实践能力、创新能力和解决问题的能力。
二、课程设计要求本次课程设计要求我们设计一款具有特定功能的智能仪器。
具体要求包括：1、明确仪器的功能和性能指标。
2、选择合适的传感器、微处理器和其他电子元件。
3、设计硬件电路，包括信号调理、数据采集、处理和控制等部分。
4、编写软件程序，实现仪器的功能控制和数据处理。
5、进行系统调试和性能测试，确保仪器满足设计要求。
三、设计方案（一）功能需求分析经过充分的讨论和分析，我们确定设计一款智能温度测量仪。
该仪器能够实时测量环境温度，并在液晶显示屏上显示温度值。
同时，当温度超过设定的阈值时，能够发出声光报警信号。
（二）传感器选择考虑到测量精度和成本等因素，我们选择了数字式温度传感器DS18B20。
该传感器具有精度高、接口简单、易于编程等优点，能够满足我们的设计需求。
（三）微处理器选择我们选用了 STM32F103 微处理器作为系统的控制核心。
STM32F103 具有丰富的资源、高性能和低功耗等特点，能够为系统的稳定运行提供保障。
（四）硬件电路设计1、电源电路设计了稳定的 5V 和 33V 电源电路，为整个系统提供可靠的电源。
2、传感器接口电路根据DS18B20 的接口规范，设计了传感器与微处理器的连接电路。
3、显示电路选用了液晶显示屏（LCD1602），通过微处理器的 GPIO 口进行控制，实现温度值的显示。
4、声光报警电路当温度超过设定阈值时，通过驱动蜂鸣器和发光二极管实现声光报警。
（五）软件设计1、系统初始化包括微处理器的时钟配置、GPIO 口初始化、定时器初始化等。
2、传感器驱动程序编写了 DS18B20 的驱动程序，实现温度数据的读取。
3、数据处理程序对读取的温度数据进行处理，转换为实际的温度值。
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开发阶段主要是确定这样的软件怎么
做，即软件开发人员必须确定对所开发 软件采用怎样的数据结构和体系结构， 怎样的过程细节，怎样把设计转换成编 程语言，以及怎样进行测试等。开发阶 段各异，但一般有三个具体步骤：
✓软件设计：主要是把软件的需求翻译为 一系列的表达式来描述数据结构、体系 结构、算法过程，以及界面特征等。
系统需求分析
软件需求分析
设计
编码
调试
维护
软件工程开发模式
其他开发模型
• 原型开发模型 • 四代技术(4GT) • 面向对象生存期模型 • 过程开发模型(混合模型)
软件工程开发模式
软件开发，特别是开发的早期阶段，应该 是一个学习和实践的过程，它的活动应该包括 开发人员和用户两个方面。为了使其更有效， 不仅要求开发人员要与用户紧密合作，而且还 要有一个实际的工作系统，只有这样才能获得 成功。尽管用户在开始时说不清楚所要求的未 来软件系统是什么样子，但他们却可以对现有 系统非常熟练地进行挑剔。
Байду номын сангаас 软件工程开发模式
软件工程是一系列方法、语言、工 具和过程的步骤所组成。这些步骤通常 叫做软件工程模式。
生存期模型是系统开发项目总貌的 一种描述，生存期模型着眼于对项目管 理的控制和逐步逼近的策略。其目的是 给出软件开发项目一个降低风险的结构。
软件工程开发模式
瀑布式模型是传统的软件工程生存期模式，是 一种系统的和顺序的软件开发方法。
第五章 智能仪器软件设计
• 软件开发模型与设计方法 • 基于裸机的软件设计 • 基于操作系统的软件设计 • 软件测试
智能仪器已不再是简单的 硬件实体，而是硬件、软件 相结合，软件决定仪器智能 高低的新型仪器。
第一节 软件开发模型与设计方法
• 软件的含义与软件工程 • 智能仪器中软件的主要功能
• 软件工程开发模式
虽然根据不同的软件工程模式，定义 阶段所使用的方法不同，但有三个基本 步骤：
✓系统分析：主要定义计算机系统中每个 元素的任务。
✓软件项目计划：包括确定工作域、风险 分析、资源规定、成本估算、以及工作 任务和进度安排等。
✓需求分析：软件工作域的定义只给软件 提出了方向，但还要对信息域和软件功 能进行细节的定义，这是工作开始前及 其重要的。
软件工程开发模式
原型开发模型的主要哲学论点就是允许失 败，它的目标之一就是减少维护的工作量，原 型开发可采用三种形式：
1）一种纸面的原型或基于PC 的原型，它描绘了 人机对话的形式，使用户据此能够了解对话如 何进行。
2）一种可运行的原型，它可以实现开发软件所 要求功能的一些子集。
3）一种现有程序，它能够完成部分或全部所期 望的功能，但应有其他一些特性，即它能够在 此基础上形成所需的新系统。
（3）描述程序功能需求以及如何操作 和使用所要求的文档。
软件的特点
（1）表现形式不同，软件是无形的； （2）生产方式不同，软件的开发，是
人智力的高度发挥； （3）要求不同，软件产品不允许有误
差； （4）维护不同，软件维护要比硬件复
杂。
软件的种类
（1）系统软件，是服务于其他程序的程序集， 一般由计算机生产厂家配置；
（2）应用软件，是在系统软件的基础上为解 决特定领域应用开发的软件，可分为： 1）事物软件 2）实时软件 3）工程和科学软件 4）嵌入式软件 5）个人计算机软件
6）人工智能软件
软件的种类
（3）工具软件，是系统软件和应用软 件之间的支持软件，用来辅助和支持 开发人员开发和维护应用软件，包括： 需求分析工具，设计工具，编码工具， 测试工具，维护工具和管理工具；
软件工程开发模式
过程开发模型(混合模型)
是把几种不同的模型组合为一种混合 模型，它允许一个项目沿着最有效的路 径发展。
（四） 软件开发阶段
不管选用哪种软件工程模式，不管软 件的应用领域、项目规模或复杂程度 如何，软件开发都要经历三个阶段： 定义、开发和维护阶段。
定义阶段主要是要弄清软件做什么？ 即软件开发人员必须确定处理的是什么 信息，它们要达到哪些功能和性能，建 立什么样的界面，存在什么样的设计限 制，以及要求什么样的确认准则来确定 系统是否成功，还要弄清系统的关键需 求，才能确定该软件。
(三) 软件工程开发模式
软件工程是由硬件和系统工程派生出来的，
他包括四个关键元素：方法、语言、工具和 过程。
方法是提供如何构造软件的技术、包括一 组广泛的任务。
语言是以支持软件的分析、设计和实现。 工具为方法和语言提供自动化或半自动化 的支持。 过程是粘结剂，把方法、语言和工具粘结 在一起，它能使计算机软件开发理性化和适 时化。
软件工程开发模式
原型开发模型
需求分析 快速设计 建立原型 用户评价原型 修改原型 生产产品
软件工程开发模式
四代技术（4GT）：拥有一组工具，它们都有 一个共同的特点，即每种工具都能使软件开发 人员在高层次上定义软件的某些特性，并把开 发人员定义的这些特性自动地生成源代码。
需求分析
设计策略
用4GT实现
• 软件开发阶段 • 模块化与结构化程序设计 • 面向对象程序设计
(一) 软件的含义与软件工程
• 软件的含义、特点和种类 • 软件工程的定义
运用系统的、规范的和可定量的方法 来开发、运行和维护软件。
软件的含义
（1）当运行时，能够提供所要求功能 和性能的指令或计算机程序集合；
（2）该程序能够满意地处理信息的数 据结构；
测试
软件工程开发模式
面向对象（Object-Oriented，OO）生存期模 型有五种方案可以选择：
1）在整个开发过程中，都采用OO的方法（O-O-O） 2）保留传统的分析方法，采用OO的设计与实现
（T-O-O） ； 3）保留传统的实现（用过程性语言），采用OO的
分析与设计（O-O-T） ； 4）采用OO的分析和传统的设计与实现（O-T-T）； 5）采用OO的实现和传统的分析与设计（T-T-O） 。
软件的种类
（4）可重用软件，包括各种标准程序 库，是计算机厂家提供的系统软件的 一部分，这些标准程序库里的标准子 程序，稍加改造，甚至不经改造就可 以把它们编入新开发的程序中。
(二) 智能仪器中软件的主要功能
1）采集信息 2）与外界对话 3）记忆信息 4）处理信息 5）控制功能 6）自检自诊断 7）自补偿自适应 8）自校准自学习