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    智能儀器功能原理及其發展趨勢

    2006-09-21

       智能儀器的出現,極大地擴充了傳統儀器的應用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優勢,迅速地在家用電器、科研單位和工業企業中得到了廣泛的應用。 
      
        1. 智能儀器的工作原理  
        傳感器拾取被測參量的信息并轉換成電信號,經濾波去除干擾后送入多路模擬開關;由單片機逐路選通模擬開關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A/D轉換器轉換成相應的脈沖信號后送入單片機中;單片機根據儀器所設定的初值進行相應的數據運算和處理(如非線性校正等);運算的結果被轉換為相應的數據進行顯示和打印;同時單片機把運算結果與存儲于片內FlashROM(閃速存儲器)或E2PROM(電可擦除存貯器)內的設定參數進行運算比較后,根據運算結果和控制要求,輸出相應的控制信號(如報警裝置觸發、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,由單片機作為下位機采集各種測量信號與數據,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  
        隨著微電子技術的不斷發展,集成了CPU、存儲器、定時器/計數器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器甚至A/D、D/A轉換器等電路在一塊芯片上的超大規模集成電路芯片(即單片機)出現了。以單片機為主體,將計算機技術與測量控制技術結合在一起,又組成了所謂的“智能化測量控制系統”,也就是智能儀器。 
      
        與傳統儀器儀表相比,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、開關啟動閉合、數據的采集、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,實現測量過程的全部自動化。 
      
        ②具有自測功能,包括自動調零、自動故障與狀態檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉換等。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。 
      
      ③具有數據處理功能,這是智能儀器的主要優點之一。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,現在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如,傳統的數字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等,而智能型的數字萬用表不僅能進行上述測量,而且還具有對測量結果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統計分析等復雜的數據處理功能,不僅使用戶從繁重的數據處理中解放出來,也有效地提高了儀器的測量精度。 
      
      ④具有友好的人機對話能力。智能儀器使用鍵盤代替傳統儀器中的切換開關,操作人員只需通過鍵盤輸入命令,就能實現某種測量功能。與此同時,智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態以及對測量數據的處理結果及時告訴操作人員,使儀器的操作更加方便直觀。 
      
      ⑤具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIB、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,來完成更復雜的測試任務。 
      
        3. 智能儀器的發展概況  
      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展,測量系統常通過IEEE—488總線連接。不同于傳統獨立儀器模式的個人儀器得到了發展等。 
      
      90年代,儀器儀表的智能化突出表現在以下幾個方面:微電子技術的進步更深刻地影響儀器儀表的設計;DSP芯片的問世,使儀器儀表數字信號處理功能大大加強;微型機的發展,使儀器儀表具有更強的數據處理能力;圖像處理功能的增加十分普遍;VXI總線得到廣泛的應用。 
      
      近年來,智能化測量控制儀表的發展尤為迅速。國內市場上已經出現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的智能節流式流量計,能夠進行程序控溫的智能多段溫度控制儀,能夠實現數字PID和各種復雜控制規律的智能式調節器,以及能夠對各種譜圖進行分析和數據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公司生產的DSTJ-3000系列智能變送器,能進行差壓值狀態的復合測量,可對變送器本體的溫度、靜壓等實現自動補償,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電阻所產生的熱噪聲,測量電平可低達-77dB;美國FLUKE公司生產的超級多功能校準器5520A,內部采用了3個微處理器,其短期穩定性達到1ppm,線性度可達到0.5ppm;美國FOXBORO公司生產的數字化自整定調節器,采用了專家系統技術,能夠像有經驗的控制工程師那樣,根據現場參數迅速地整定調節器。這種調節器特別適合于對象變化頻繁或非線性的控制系統。由于這種調節器能夠自動整定調節參數,可使整個系統在生產過程中始終保持最佳品質。  
        4. 智能儀器發展趨勢  
        4.1 微型化  
      微型智能儀器指微電子技術、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀器的生產中,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的不斷發展,其技術不斷成熟,價格不斷降低,因此其應用領域也將不斷擴大。它不但具有傳統儀器的功能,而且能在自動化技術、航天、軍事、生物技術、醫療領域起到獨特的作用。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,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,為了設計速度較快和結構較復雜的數字系統,儀器生產廠家制造了具有脈沖發生器、頻率合成器和任意波形發生器等功能的函數發生器。這種多功能的綜合型產品不但在性能上(如準確度)比專用脈沖發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用的一個嶄新領域,利用計算機模擬人的智能,用于機器人、醫療診斷、專家系統、推理證明等各方面。智能儀器的進一步發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(語音識別及語言領悟)、思維(推理、判斷、學習與聯想)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,人工智能在現代儀器儀表中的應用,使我們不僅可以解決用傳統方法很難解決的一類問題,而且可望解決用傳統方法根本不能解決的問題。  
        4.4 融合ISP和EMIT技術,實現儀器儀表系統的Internet接入(網絡化)  
      伴隨著網絡技術的飛速發展,Internet技術正在逐漸向工業控制和智能儀器儀表系統設計領域滲透,實現智能儀器儀表系統基于Internet的通訊能力以及對設計好的智能儀器儀表系統進行遠程升級、功能重置和系統維護。 
      
      在系統編程技術(In-System Programming,簡稱ISP技術)是對軟件進行修改、組態或重組的一種最新技術。它是LATTICE半導體公司首先提出的一種使我們在產品設計、制造過程中的每個環節,甚至在產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的邏輯和功能隨時進行組態或重組能力的最新技術。ISP技術消除了傳統技術的某些限制和連接弊病,有利于在板設計、制造與編程。ISP硬件靈活且易于軟件修改,便于設計開發。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,嵌入式系統處理器甚至INTERNET遠程網進行編程。 
      
      EMIT嵌入式微型因特網互聯技術是emWare公司創立ETI(eXtend the Internet)擴展Internet聯盟時提出的,它是一種將單片機等嵌入式設備接入Internet的技術。利用該技術,能夠將8位和16位單片機系統接入Internet,實現基于Internet的遠程數據采集、智能控制、上傳/下載數據文件等功能。 
      
      目前美國ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和國內的P&S公司等均提供基于Internet的DeviceNetworking的軟件、固件(Firmware)和硬件產品。  
        4.5 虛擬儀器是智能儀器發展的新階段  
      測量儀器的主要功能都是由數據采集、數據分析和數據顯示等三大部分組成的。在虛擬現實系統中,數據分析和顯示完全用PC機的軟件來完成。因此,只要額外提供一定的數據采集硬件,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,只要應用不同的軟件編程,就可得到功能完全不同的測量儀器。可見,軟件系統是虛擬儀器的核心,“軟件就是儀器”。  
      傳統的智能儀器主要在儀器技術中用了某種計算機技術,而虛擬儀器則強調在通用的計算機技術中吸收儀器技術。作為虛擬儀器核心的軟件系統具有通用性、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,具有傳統的智能儀器所無法比擬的應用前景和市場。  
        5. 結束語 
      
      智能儀器是計算機科學、電子學、數字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術與傳統的儀器儀表技術的結合。隨著專用集成電路、個人儀器等相關技術的發展,智能儀器將會得到更加廣泛的應用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發展的動力。可以預料,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域。


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