智能儀器基本組成原理及其發(fā)展趨勢分析

　　智能儀器的出現(xiàn)，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文簡要分析了智能儀器基本組成原理及其發(fā)展趨勢，供大家了解。

　　智能儀器的出現(xiàn)，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　1、智能儀器的工作原理

　　傳感器拾取被測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)；由單片機逐路選通模擬開關(guān)將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng)a／d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理（如非線性校正等）；運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行顯示和打?。煌瑫r單片機把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)flashrom（閃速存儲器）或e2prom（電可擦除存貯器）內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號（如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等）。此外，智能儀器還可以與pc機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機pc機，由pc機進行全局管理。

　　2、智能儀器的功能特點

　　隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成了cpu、存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器甚至a／d、d／a轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片（即單片機）出現(xiàn)了。以單片機為主體，將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，又組成了所謂的智能化測量控制系統(tǒng)，也就是智能儀器。

　　與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點：

　　①操作自動化。儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。

　　②具有自測功能，包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，同時也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護。

　?、劬哂袛?shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進行上述測量，而且還具有對測量結(jié)果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復雜的數(shù)據(jù)處理功能，不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，也有效地提高了儀器的測量精度。

　?、芫哂杏押玫娜藱C對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。

　?、菥哂锌沙炭夭僮髂芰ΑＲ话阒悄軆x器都配有g(shù)pib、rs232c、rs485等標準的通信接口，可以很方便地與pc機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復雜的測試任務(wù)。

　　3、智能儀器的發(fā)展概況

　　80年代，微處理器被用到儀器中，儀器前面板開始朝鍵盤化方向發(fā)展，測量系統(tǒng)常通過ieee488總線連接。不同于傳統(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器得到了發(fā)展等。

　　90年代，儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個方面：微電子技術(shù)的進步更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計；dsp芯片的問世，使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強；微型機的發(fā)展，使儀器儀表具有更強的數(shù)據(jù)處理能力；圖像處理功能的增加十分普遍；vxi總線得到廣泛的應(yīng)用。

　　近年來，智能化測量控制儀表的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣智能化測量控制儀表，例如，能夠自動進行差壓補償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計，能夠進行程序控溫的智能多段溫度控制儀，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字pid和各種復雜控制規(guī)律的智能式調(diào)節(jié)器，以及能夠?qū)Ω鞣N譜圖進行分析和數(shù)據(jù)處理的智能色譜儀等。

　　國際上智能測量儀表更是品種繁多，例如，美國honeywell公司

　　新版《中國儀器儀表廠商名錄》征集中

　　生產(chǎn)的dstj-3000系列智能變送器，能進行差壓值狀態(tài)的復合測量，可對變送器本體的溫度、靜壓等實現(xiàn)自動補償，其精度可達到0.1％fs；美國raca-dana公司的9303型超高電平表，利用微處理器消除電流流經(jīng)電阻所產(chǎn)生的熱噪聲，測量電平可低達-77db；美國fluke公司生產(chǎn)的超級多功能校準器5520a，內(nèi)部采用了3個微處理器，其短期穩(wěn)定性達到1ppm，線性度可達到0.5ppm；美國foxboro公司生產(chǎn)的數(shù)字化自整定調(diào)節(jié)器，采用了專家系統(tǒng)技術(shù)，能夠像有經(jīng)驗的控制工程師那樣，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)迅速地整定調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器特別適合于對象變化頻繁或非線性的控制系統(tǒng)。由于這種調(diào)節(jié)器能夠自動整定調(diào)節(jié)參數(shù)，可使整個系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中始終保持最佳品質(zhì)。

　　4、智能儀器發(fā)展趨勢

　　4.1微型化

　　微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于儀器的生產(chǎn)中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器。它能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大、與其他儀器的接口、與人的交互等功能。微型智能儀器隨著微電子機械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨特的作用。例如，目前要同時測量一個病人的幾個不同的參量，并進行某些參量的控制，通常病人的體內(nèi)要插進幾個管子，這增加了病人感染的機會，微型智能儀器能同時測量多參數(shù)，而且體積小，可植入人體，使得這些問題得到解決。

　　4.2多功能化

　　多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點。例如，為了設(shè)計速度較快和結(jié)構(gòu)較復雜的數(shù)字系統(tǒng)，儀器生產(chǎn)廠家制造了具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數(shù)發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品

　　儀器儀表產(chǎn)品目錄

　　《全國擬在建項目匯編》征訂

　　不但在性能上（如準確度）比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。

　　4.3人工智能化

　　人工智能是計算機應(yīng)用的一個嶄新領(lǐng)域，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證明等各方面。智能儀器的進一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動，從而在視覺（圖形及色彩辨讀）、聽覺（語音識別及語言領(lǐng)悟）、思維（推理、判斷、學習與聯(lián)想）等方面具有一定的能力。

　　這樣，智能儀器可無需人的干預而自主地完成檢測或控制功能。顯然，人工智能在現(xiàn)代儀器儀表中的應(yīng)用，使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問題，而且可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的問題。

　　4.4融合isp和emit技術(shù)，實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的internet接入（網(wǎng)絡(luò)化）

　　伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透，實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于internet的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。

　　在系統(tǒng)編程技術(shù)（in-system programming，簡稱isp技術(shù)）是對軟件進行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術(shù)。它是lattice半導體公司首先提出的一種使我們在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中的每個環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，具有對其器件、電路板或整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時進行組態(tài)或重組能力的最新技術(shù)。isp技術(shù)消除了傳統(tǒng)技術(shù)的某些限制和連接弊病，有利于在板設(shè)計、制造與編程。isp硬件靈活且易于軟件修改，便于設(shè)計開發(fā)。由于isp器件可以像任何其他器件一樣，在印刷電路板（pcb）上處理，因此編程isp器件不需要專門編程器和較復雜的流程，只要通過pc機，嵌入式系統(tǒng)處理器甚至internet遠程網(wǎng)進行編程。

　　emit嵌入式微型因特網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)是emware公司創(chuàng)立eti（extendtheinternet）擴展internet聯(lián)盟時提出的，它是一種將單片機等嵌入式設(shè)備接入internet的技術(shù)。利用該技術(shù)，能夠?qū)?位和16位單片機系統(tǒng)接入internet，實現(xiàn)基于internet的遠程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳／下載數(shù)據(jù)文件等功能。

　　目前美國connectone公司、emware公司、tasking公司和國內(nèi)的p＆s公司等均提供基于internet的devicenetworking的軟件、固件（firmware）和硬件產(chǎn)品。

　　4.5虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段

　　測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。

　　在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用pc機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與pc機組成測量儀器。這種基于pc機的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器?？梢?，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件就是儀器。

　　傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術(shù)中用了某種計算機技術(shù)，而虛擬儀器則強調(diào)在通用的計算機技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應(yīng)用前景和市場。

　　5、結(jié)束語

　　智能儀器是計算機科學、電子學、數(shù)字信號處理、人工智能、vlsi等新興技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)的結(jié)合。隨著專用集成電路、個人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會得到更加廣泛的應(yīng)用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術(shù)是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動力?？梢灶A料，各種功能的智能儀器在不遠的將來會廣泛地使用在社會的各個領(lǐng)域。

來源：中國儀器儀表網(wǎng)

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