第八章 智能仪器设计实例
第一节 智能仪器的设计原则及研制
第二节 固体密度测试仪的研制
第三节 基于 DSP处理器的地下管道
漏水检测仪设计
第一节 智能仪器的设计原则及研制
一、智能仪器设计的基本要求
二、智能仪器的设计原则
三、智能仪器的研制步骤
智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程 。
为完成仪器的功能, 实现仪器的指标, 提高研
制效率, 并能取得一定的研制效益, 应遵循正
确的设计原则, 按照科学的研制步骤来开发智
能仪器 。
一、智能仪器设计的基本要求
无论仪器的规模多大，其基本设计要求大
体上是相同的，在设计和研制智能仪器时必须
予以认真考虑。
1、功能及技术指标应满足要求
主要技术指标,精度, 测量范围, 工作环境条
件, 稳定性 。
应具备的功能,输出, 人机对话, 通信,
报警提示, 仪器状态的自
动调整等功能 。
2．可靠性要求
仪器可靠性是最突出也是最重要的，因为
仪器能否正常可靠地工作，将直接影响测量结
果的正确与否，也将影响工作效率和仪器信誉，
在线检测与控制类仪器更是如此，由于仪器的
故障造成整个生产过程的混乱，甚至引起严重
后果。 应采取各种措施提高仪器的可靠性，从
而保证仪器能长时间稳定工作。在第六章中已
讨论了有关的技术措施。
第一,硬件：仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是
影响可靠性的重要因素，故应合理选择元器件和采用
在极限情况下进行试验的方法。所谓 合理选择元器件
是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环
境等技术参数应留有一定的余量，并对元器件进行老
化和筛选。 而极限情况下的试验是指在研制过程中，
一台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟
雾等试验,以保证其对环境的适应性。
第二，软件,采用模块化设计方法，不仅易于编程和
调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同
时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重
要手段。
在仪器设计过程中, 应考虑操作方便, 尽量
降低对操作人员的专业知识的要求, 以便产品
的推广应用 。 仪器的控制开关或按钮不能太多,
太复杂, 操作程序应简单明了, 从而使操作者
无需专门训练, 便能掌握仪器的使用方法 。
智能仪器还应有很好的可维护性, 为此,
仪器结构要规范化, 模块化, 并配有现场故障
诊断程序, 一旦发生故障, 能保证有效地对故
障进行定位, 以便更换相应的模块, 使仪器尽
快地恢复正常运行 。
3．便于操作和维护
4．仪器工艺结构与造型设计要求
仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素，
首先要依据仪器工作环境条件，是否需要防
水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、抗
振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构；仪器
的造型设计亦极为重要。总体结构的安排、
部件间的连接关系、面板的美化等都必须认
真考虑，最好由结构专业人员设计，使产品
造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。
二、智能仪器的设计原则
1、从整体到局部 (自顶向下 )的设计原则
在硬件或软件设计时，把复杂的、难处理的问题，
分为若干个较简单的、容易处理的问题，然后再一个
个地加以解决。
设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计
的总任务，并绘制硬件和软件总框图 (总体设计 )。然
后将任务分解成一批可独立表征的子任务，这些子任
务还可以再向下分，直到每个低级的子任务足够简单，
可以直接而且容易地实现为止。这些低级子任务可采
用某些通用模块，并可作为单独的实体进行设计和调
试，从而能够以最低的难度和最高的可靠性组成高一
级的模块。
2、较高的性能价格比原则
智能仪器的造价, 取决于研制成本, 生产成本,
使用成本 。
设计时不应盲目追求复杂, 高级的方案 。 在满
足性能指标的前提下, 应尽可能采用简单成熟的方案,
意味着元器件少, 开发, 调试, 生产方便, 可靠性高 。
就第一台样机而言, 主要的花费在于系统设计,
调试和软件开发, 样机的硬件成本不是考虑的主要因
素 。 当样机投入生产时, 生产数量越大, 每台产品的
平均研制费就越低, 此时, 生产成本就成为仪器造价
的主要因素 。 显然, 仪器硬件成本对产品的生产成本
有很大影响 。
使用成本, 即仪器使用期间的维护费, 备件费,
运转费, 管理费, 培训费等 。 必须在综合考虑后才能
看出真正的经济效果, 从而做出选用方案的正确决策 。
3．组合化与开放式设计原则
在科学技术飞速发展的今天, 设计智能仪器系统面临
三个突出的问题：
(1)产品更新换代太快；
(2)市场竞争日趋激烈；
(3)如何满足用户不同层次和不断变化的要求 。
在电子工业和计算机工业中推
行一种不同于传统设计思想的所谓
,开放系统, 的设计思想 。
“开放系统, 的设计思想
? 在技术上兼顾今天和明天，既从当前实
际可能出发，又留下容纳未来新技术机
会的余地；
? 向系统的不同配套档次开放，在经营上
兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社
会的公共参与，为发挥各方面厂商的积
极性创造条件；
? 向用户不断变化的特殊要求开放，在服
务上兼顾通用的基本设计和用户的专用
要求等等。
开放式系统设计的具体方法
? 基于国际上流行的工业标准微机总线结
构, 针对不同的用户系统要求, 选用相
应的有关功能模块组合成最终用户的应
用系统 。
? 系统设计者将主要精力放在分析设计目
标, 确定总体结构, 选择系统配件等方
面, 而不是放在部件模块设计及用于解
决专用软件的开发设计上 。
组合化设计方法及优点
? 开放式体系结构和总线系统技术发展，导致了
工业测控系统采用组合化设计方法的流行，即
针对不同的应用系统要求，选用成熟的现成硬
件模板和软件进行组合。
? 组合化设计的基础是模块化 (又称积木化 )，硬、
软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键。
① 将系统划分成若干硬, 软件产品的模块, 由专
门的研究机构根据积累的经验尽可能完善地设计, 并
制定其规格系列, 用这些现成的功能模块可以迅速配
套成各种用途的应用系统, 简化设计并缩短设计周期 。
② 结构灵活, 便于扩充和更新, 使系统的适应性
强 。 在使用中可根据需要通过更换一些模板或进行局
部结构改装以满足不断变化的特殊要求 。
③ 维修方便快捷 。 模块大量采用 LSI和 VLSI芯片,
在故障出现时, 只需更换 IC芯片或功能模板, 修理时
间可以降低到最低限度 。
④功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降
低成本。
组合化设计方法的优点
三、智能仪器的研制步骤
确定设计任务并拟定设计
方案
硬件和软件研制
软硬件综合调试
整机性能测试和评估
三
个
阶
段
1、确定设计任务、拟定设计方案
项目调研了解现状和动向，
明确任务、确定指标功能
写出设计任务书
拟定设计方案
,仪器设计任务书,
● 主要作用：
a.研制单位设计仪器的立项基础 ；
b.反映仪器的结构、规定仪器的功能指
标，是研制人员的设计目标；
c.作为研制完毕进行项目验收的依据。
● 主要内容,
a.仪器名称、用途、特点及简要设计思想 ;
b.主要技术指标 ; c,仪器应具备的功能；
d．仪器的设备规模； e．系统的操作规范。
拟定设计方案
,仪器设计任务书,
硬件与软件的划分,折衷
确定微机系统的构成
硬件设计方案 软件设计方案
2．硬件、软件研制阶段
硬件研制：
? 采用功能强的芯片以简化电路
? 修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地
? 自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路
? 硬件抗于扰措施
? 线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排
等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便。
软件设计研制：
? 软件设计作一个总体规划
? 程序功能块划分
? 确定算法
? 分配系统资源和设计流程图
? 编写程序
? 程序调试和纠错以及各部分程序连接及系
统总调
3．仪器综合调试及整机性能测试
系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，
并解决硬件和软件之间的协调问题。
硬件调试 动态调试静态调试
测试软件查板、电源,芯片
软件调试 模块程序调试初级子程序调试
测试软件
不需要调用其
它子程序
监控程序调试
性能测试
整机性能测试, 需按照设计任务书规定的设
计要求拟定一个测试方案, 对各项功能和指标进
行逐项测试 。 如果某项指标不符合要求, 还得查
明原因, 作相应调整；直至完全达到设计要求为
止 。
第一节 智能仪器的设计原则及研制
第二节 固体密度测试仪的研制
第三节 基于 DSP处理器的地下管道
漏水检测仪设计
第一节 智能仪器的设计原则及研制
一、智能仪器设计的基本要求
二、智能仪器的设计原则
三、智能仪器的研制步骤
智能仪器的研制开发是一个较为复杂的过程 。
为完成仪器的功能, 实现仪器的指标, 提高研
制效率, 并能取得一定的研制效益, 应遵循正
确的设计原则, 按照科学的研制步骤来开发智
能仪器 。
一、智能仪器设计的基本要求
无论仪器的规模多大，其基本设计要求大
体上是相同的，在设计和研制智能仪器时必须
予以认真考虑。
1、功能及技术指标应满足要求
主要技术指标,精度, 测量范围, 工作环境条
件, 稳定性 。
应具备的功能,输出, 人机对话, 通信,
报警提示, 仪器状态的自
动调整等功能 。
2．可靠性要求
仪器可靠性是最突出也是最重要的，因为
仪器能否正常可靠地工作，将直接影响测量结
果的正确与否，也将影响工作效率和仪器信誉，
在线检测与控制类仪器更是如此，由于仪器的
故障造成整个生产过程的混乱，甚至引起严重
后果。 应采取各种措施提高仪器的可靠性，从
而保证仪器能长时间稳定工作。在第六章中已
讨论了有关的技术措施。
第一,硬件：仪器所用器件的质量和仪器结构工艺是
影响可靠性的重要因素，故应合理选择元器件和采用
在极限情况下进行试验的方法。所谓 合理选择元器件
是指在设计时对元器件的负载、速度、功耗、工作环
境等技术参数应留有一定的余量，并对元器件进行老
化和筛选。 而极限情况下的试验是指在研制过程中，
一台样机要承受低温、高温、冲击、振动、干扰、烟
雾等试验,以保证其对环境的适应性。
第二，软件,采用模块化设计方法，不仅易于编程和
调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同
时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重
要手段。
在仪器设计过程中, 应考虑操作方便, 尽量
降低对操作人员的专业知识的要求, 以便产品
的推广应用 。 仪器的控制开关或按钮不能太多,
太复杂, 操作程序应简单明了, 从而使操作者
无需专门训练, 便能掌握仪器的使用方法 。
智能仪器还应有很好的可维护性, 为此,
仪器结构要规范化, 模块化, 并配有现场故障
诊断程序, 一旦发生故障, 能保证有效地对故
障进行定位, 以便更换相应的模块, 使仪器尽
快地恢复正常运行 。
3．便于操作和维护
4．仪器工艺结构与造型设计要求
仪器结构工艺是影响可靠性的重要因素，
首先要依据仪器工作环境条件，是否需要防
水、防尘、防爆密封，是否需要抗冲击、抗
振动、抗腐蚀等要求，设计工艺结构；仪器
的造型设计亦极为重要。总体结构的安排、
部件间的连接关系、面板的美化等都必须认
真考虑，最好由结构专业人员设计，使产品
造型优美、色泽柔和、外廓整齐、美观大方。
二、智能仪器的设计原则
1、从整体到局部 (自顶向下 )的设计原则
在硬件或软件设计时，把复杂的、难处理的问题，
分为若干个较简单的、容易处理的问题，然后再一个
个地加以解决。
设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计
的总任务，并绘制硬件和软件总框图 (总体设计 )。然
后将任务分解成一批可独立表征的子任务，这些子任
务还可以再向下分，直到每个低级的子任务足够简单，
可以直接而且容易地实现为止。这些低级子任务可采
用某些通用模块，并可作为单独的实体进行设计和调
试，从而能够以最低的难度和最高的可靠性组成高一
级的模块。
2、较高的性能价格比原则
智能仪器的造价, 取决于研制成本, 生产成本,
使用成本 。
设计时不应盲目追求复杂, 高级的方案 。 在满
足性能指标的前提下, 应尽可能采用简单成熟的方案,
意味着元器件少, 开发, 调试, 生产方便, 可靠性高 。
就第一台样机而言, 主要的花费在于系统设计,
调试和软件开发, 样机的硬件成本不是考虑的主要因
素 。 当样机投入生产时, 生产数量越大, 每台产品的
平均研制费就越低, 此时, 生产成本就成为仪器造价
的主要因素 。 显然, 仪器硬件成本对产品的生产成本
有很大影响 。
使用成本, 即仪器使用期间的维护费, 备件费,
运转费, 管理费, 培训费等 。 必须在综合考虑后才能
看出真正的经济效果, 从而做出选用方案的正确决策 。
3．组合化与开放式设计原则
在科学技术飞速发展的今天, 设计智能仪器系统面临
三个突出的问题：
(1)产品更新换代太快；
(2)市场竞争日趋激烈；
(3)如何满足用户不同层次和不断变化的要求 。
在电子工业和计算机工业中推
行一种不同于传统设计思想的所谓
,开放系统, 的设计思想 。
“开放系统, 的设计思想
? 在技术上兼顾今天和明天，既从当前实
际可能出发，又留下容纳未来新技术机
会的余地；
? 向系统的不同配套档次开放，在经营上
兼顾设计周期和产品设计，并着眼于社
会的公共参与，为发挥各方面厂商的积
极性创造条件；
? 向用户不断变化的特殊要求开放，在服
务上兼顾通用的基本设计和用户的专用
要求等等。
开放式系统设计的具体方法
? 基于国际上流行的工业标准微机总线结
构, 针对不同的用户系统要求, 选用相
应的有关功能模块组合成最终用户的应
用系统 。
? 系统设计者将主要精力放在分析设计目
标, 确定总体结构, 选择系统配件等方
面, 而不是放在部件模块设计及用于解
决专用软件的开发设计上 。
组合化设计方法及优点
? 开放式体系结构和总线系统技术发展，导致了
工业测控系统采用组合化设计方法的流行，即
针对不同的应用系统要求，选用成熟的现成硬
件模板和软件进行组合。
? 组合化设计的基础是模块化 (又称积木化 )，硬、
软件功能模块化是实现最佳系统设计的关键。
① 将系统划分成若干硬, 软件产品的模块, 由专
门的研究机构根据积累的经验尽可能完善地设计, 并
制定其规格系列, 用这些现成的功能模块可以迅速配
套成各种用途的应用系统, 简化设计并缩短设计周期 。
② 结构灵活, 便于扩充和更新, 使系统的适应性
强 。 在使用中可根据需要通过更换一些模板或进行局
部结构改装以满足不断变化的特殊要求 。
③ 维修方便快捷 。 模块大量采用 LSI和 VLSI芯片,
在故障出现时, 只需更换 IC芯片或功能模板, 修理时
间可以降低到最低限度 。
④功能模板可以组织批量生产，使质量稳定并降
低成本。
组合化设计方法的优点
三、智能仪器的研制步骤
确定设计任务并拟定设计
方案
硬件和软件研制
软硬件综合调试
整机性能测试和评估
三
个
阶
段
1、确定设计任务、拟定设计方案
项目调研了解现状和动向，
明确任务、确定指标功能
写出设计任务书
拟定设计方案
,仪器设计任务书,
● 主要作用：
a.研制单位设计仪器的立项基础 ；
b.反映仪器的结构、规定仪器的功能指
标，是研制人员的设计目标；
c.作为研制完毕进行项目验收的依据。
● 主要内容,
a.仪器名称、用途、特点及简要设计思想 ;
b.主要技术指标 ; c,仪器应具备的功能；
d．仪器的设备规模； e．系统的操作规范。
拟定设计方案
,仪器设计任务书,
硬件与软件的划分,折衷
确定微机系统的构成
硬件设计方案 软件设计方案
2．硬件、软件研制阶段
硬件研制：
? 采用功能强的芯片以简化电路
? 修改和扩展，硬件资源需留有足够的余地
? 自诊断功能，需附加设计有关的监测报警电路
? 硬件抗于扰措施
? 线路板注意与机箱、面板的配合，接插件安排
等问题，必须考虑到安装、调试和维修的方便。
软件设计研制：
? 软件设计作一个总体规划
? 程序功能块划分
? 确定算法
? 分配系统资源和设计流程图
? 编写程序
? 程序调试和纠错以及各部分程序连接及系
统总调
3．仪器综合调试及整机性能测试
系统调试，以排除硬件故障和纠正软件错误，
并解决硬件和软件之间的协调问题。
硬件调试 动态调试静态调试
测试软件查板、电源,芯片
软件调试 模块程序调试初级子程序调试
测试软件
不需要调用其
它子程序
监控程序调试
性能测试
整机性能测试, 需按照设计任务书规定的设
计要求拟定一个测试方案, 对各项功能和指标进
行逐项测试 。 如果某项指标不符合要求, 还得查
明原因, 作相应调整；直至完全达到设计要求为
止 。
