智能儀器的應(yīng)用與發(fā)展

1、智能儀器的應(yīng)用與發(fā)展摘要：本文介紹了智能儀器的基本概念、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)有關(guān)的幾個(gè) 技術(shù)問(wèn)題.及其今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：微處理器；智能儀器；白動(dòng)測(cè)試中圖分類號(hào):TP:TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:.4:.41 1 智能儀器概述近些年來(lái)，隨著微處理器和單片機(jī)的發(fā)和廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了一種新型的專用儀器一智能儀器。這種儀器以微處理器或單片機(jī)為核心， 具有信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化檢測(cè)與控制等多種功能。有些甚至還具有專家推斷、邏輯分析與決策的能力。智能儀器的出現(xiàn)， 極大地?cái)U(kuò)充了常規(guī)儀器的應(yīng)用范圍。由于智能儀器一開始就顯示它強(qiáng) 大的生命力，目前已成為儀器儀表發(fā)展的一個(gè)主導(dǎo)方向。 它的不斷發(fā) 展對(duì)白動(dòng)

2、控制、電子技術(shù)、國(guó)防工程、航天技術(shù)與科學(xué)試驗(yàn)等將產(chǎn)生 極其深遠(yuǎn)的影響。2 2 智能儀器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)智能儀器的概念，是把微處理器或計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的儀器儀表結(jié) 合起來(lái)，使它能適應(yīng)被測(cè)參數(shù)的變化.能白動(dòng)補(bǔ)償、白動(dòng)選擇量程、 白動(dòng)校準(zhǔn)、白尋故障、白動(dòng)進(jìn)行指標(biāo)判斷，以及進(jìn)行邏輯操作，定量 控制與程序控制等?？梢?，微處理器與大容量存貯器是智能儀器的核 心。數(shù)據(jù)采集與輸人輸出技術(shù)（包括鍵盤及接 II,LEIII,LEI）顯示器及接CI,CCI,C arar 顯示器等）是智能儀器的硬件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與信號(hào)處理 技術(shù)是智能儀器的軟件基礎(chǔ)。因而智能儀器也可 說(shuō)是人工智能、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子學(xué)等新興科學(xué)技術(shù)

3、與 傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物由此而決定了智能儀器儀表結(jié)構(gòu)上 的某些基本特點(diǎn)2.12.1 操作使用方便由于智能儀器廣泛采用了鍵盤，LEDLED 顯示或 CRCR r r 裝置，這就使人- 一儀間接口與儀器功能部件的設(shè)計(jì)可完全獨(dú)立地進(jìn)行， 從而明顯地改 變了傳統(tǒng)儀器前面板及有關(guān)控制操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)這樣使面板控制采 用靈活的數(shù)字鍵和功能鍵，或兼有這類按鍵的編程能力。由此帶來(lái)了 儀器使用上的極大方便。2.22.2 具有白測(cè)功能智能儀器在使用時(shí)，若出現(xiàn)故障可事先被白檢出來(lái)。同時(shí)還能診 斷出儀器所發(fā)生故障的根源和部位。這種白測(cè)試不僅可在儀器啟動(dòng)時(shí) 進(jìn)行，同時(shí)也可在儀器運(yùn)行中進(jìn)行。2.32.3 儀器功能得

4、到極大提高智能儀器由于采用了微處理器或單片機(jī)，它就具有了一定的數(shù)據(jù) 處理能力（如計(jì)算、變換、誤差修正等）。這就使其功能有了極大的提 高 n n 許多原來(lái)用硬件邏輯難以解決或根本無(wú)法解決的問(wèn)題，現(xiàn)可用軟 件非常靈活地加以解決。例如傳統(tǒng)的數(shù)字萬(wàn)用表只能測(cè)量電阻， 交直 流的電壓電流而智能儀器不僅可量測(cè)這類參數(shù)， 而且還能計(jì)算出諸如 百分率偏移，比例、極位及其它統(tǒng)計(jì)參數(shù)等。采用間接的測(cè)量方法， 來(lái)擴(kuò)展其測(cè)量功能2.42.4 高性能指標(biāo)智能儀器可以進(jìn)一步提高儀器的性能指標(biāo)。 它通過(guò)內(nèi)設(shè)的微處理 器或單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)儀器的白動(dòng)校正，能對(duì)某一參數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量后取其平均值， 從而提高儀器本身的測(cè)量精

5、度。儀器白動(dòng)校零時(shí)，不僅可以清除由于 漂移，增益不穩(wěn)定等因素所引起的誤差，而且述能校止由于使用各種 傳感器、變換器所帶來(lái)的某些非線性誤差或頻率響應(yīng)誤差。2.52.5 操作白動(dòng)化由于儀器的整個(gè)測(cè) M-.M-.過(guò)程是用微處理器或單片機(jī)控制操作，如 鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟閉、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理以及顯示打 印等，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全部白動(dòng)化。2.62.6 具有對(duì)外接口功能智能儀器由于配有標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外接口總線，如儀器專用接口總線 GPGPIBQIBQ EEE-EEE- 488488 標(biāo)準(zhǔn)接口）或 RS-RS- 232C232C 接口 .使儀器不僅可實(shí)現(xiàn)本地輸人/ /輸出，而且還具 有可程控能力實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)

6、程輸人/輸出。正是通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)接口總線，組成用戶所需的各種多功能的白動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。3 3 設(shè)計(jì)中的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題智能儀器實(shí)際上是一個(gè)微處理器系統(tǒng)。如按微機(jī)的劃分方法，將 微處理器和存貯器稱為主機(jī)，其余部分，包括功能插件、硬件模塊、 面板輸人及顯示裝置則可稱為外圍器件，不過(guò)這些外設(shè)與主機(jī)是有特 殊性個(gè)統(tǒng)一體而且裝在同機(jī)箱內(nèi)。劉智能儀器而言，在其設(shè)計(jì)中也有很多問(wèn)題關(guān)設(shè)計(jì)的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題，是值得注意的。3.13.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各類智能儀器中， 由它構(gòu)成儀器的 硬件基礎(chǔ)之一智能儀器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：分辨率、精度、輸入信號(hào)電平、 采集速度以及共模噪聲抑制能力等。為了

7、不丟失被采樣信號(hào)的信急， 系統(tǒng)采祥頻率應(yīng)滿足采樣定理的要求。一般在工程上采樣頻率應(yīng)取被 采樣信號(hào)所含最高頻率的 曜（一般取 償 1010A-20-20）. .在智能儀器中，除 了通常使用的“定時(shí)采徉”夕卜，還經(jīng)常使用“變步長(zhǎng)采樣”。這種采 樣方法不論被測(cè)信號(hào)頻率為多少，均可確保在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均勻采 樣的點(diǎn)數(shù)總共為研不變這種采樣方法由于采樣信號(hào)周期隨被測(cè)信號(hào) 周期變化而變化，故通稱為“變步長(zhǎng)采樣”顯然、它既能滿足儀器的 精度要求，又能合理地使用儀器中計(jì)算機(jī)的內(nèi)存單元。 并能使增強(qiáng)儀 器功能所要求的數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。3.23.2 輸人輸出技術(shù)智能儀器是通過(guò)其微處理器而控制整個(gè)側(cè)量過(guò)程。

8、一般它要通過(guò) 各種輸入輸出部件與外界進(jìn)行通訊聯(lián)系。 近年來(lái)， 隨著智能儀器由對(duì)被測(cè)對(duì)象的個(gè)別參數(shù)的 檢測(cè)，發(fā)展到以一個(gè)白動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)作全面的綜合特性的測(cè) 試.則智能儀器內(nèi)部所包含的輸入輸出部件也日益增多國(guó)此，輸入輸 出技術(shù)也已成為智能儀器硬件基礎(chǔ)的又一個(gè)重要組成部分.目前，在一般智能儀器上常采用的輸入輸出部分有：鍵盤、LELE 通示，CR-fiCR-fi 示器、微型打印機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和繪圖儀等。用鍵盤取代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x 器面板上的開關(guān)和旋鈕、用 CRCR 侃示器顯示各種字符及有關(guān)的圖形或 圖表。3.33.3 信號(hào)處理技術(shù)在智能儀器中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADAD 國(guó)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAODA

9、O 不可缺少的重 要部件它們是數(shù)字電壓表、數(shù)字功率表、數(shù)字示波器以及數(shù)字信號(hào)處 理系統(tǒng)和數(shù)字采集系統(tǒng)中的核心部件此外、在各種非電測(cè)量、工業(yè)白動(dòng)化控制以及醫(yī)療電子器件等領(lǐng)域中也是必不可少的部件在處理模 擬信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)中首先對(duì)模擬信號(hào)采樣以得到輸入序列然后再對(duì) 其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.43.4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)智能儀器借助于內(nèi)含微處理器的運(yùn)算操作， 可具有多種數(shù)據(jù)處理 功能。采用算術(shù)運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有乘常數(shù)操作，偏移運(yùn)算、比例 運(yùn)算和百分率誤差的計(jì)算等采用邏輯運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有極值的 判別，報(bào)警與峰值檢測(cè)等采用微極分運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有數(shù)字微分 算法和數(shù)字積分算法等。另外，利用算法來(lái)改善儀器硬件 （特別

10、是模 擬硬件）的性能也是常見到的事情、線性化是智能儀器極重要的一項(xiàng) 處理功能 1tR1tR 測(cè)星時(shí)先由傳感器將外界物理量轉(zhuǎn)換成儀器所要求的 電量（如電壓、電流、電阻），如果傳感器的檢測(cè)特性是非線性的，此時(shí)智能儀器必須具有線性化的處理功能， 而線性化的關(guān)鍵就是先要求出校正函數(shù)。智能儀器的系統(tǒng)軟件不是單一的控制程序， 而是使儀器 正常運(yùn)行必不可少的軟件系統(tǒng)。藉以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話與系統(tǒng)資源的合理 的有效使用它應(yīng)在在線狀態(tài)下，接受來(lái)白鍵盤或總線接口的操作命令， 解釋與執(zhí)行命令，它負(fù)責(zé)調(diào)度各應(yīng)用程序模塊，并與鍵盤、顯示器和 打印機(jī)等外設(shè)交換信息，無(wú) 論何種類型的智能儀器，都可以從儀器 本身的功能要求出發(fā)，提

11、出幾種常用的智能儀器系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法。 如循環(huán)優(yōu)先作業(yè)調(diào)度程序； 鍵盤分析作業(yè)調(diào)度 程序;狀態(tài)分析法與具有白動(dòng)菜單選擇功能的監(jiān)控程序。某些儀器對(duì)系統(tǒng)軟件的實(shí)時(shí)多任務(wù)處 理提出要求，此時(shí)系統(tǒng)軟件應(yīng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力和多任務(wù)的管 理功能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)參數(shù)測(cè)試任務(wù)， 并具有較強(qiáng)的人機(jī)交互能力。必 須指出，使用儀器測(cè)量會(huì)存在測(cè)量系統(tǒng)誤差。但利用智能儀器內(nèi)設(shè) 微處理器的數(shù)據(jù)處理功能，可以顯著減小測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差 與隨機(jī)誤差，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確度無(wú)論是系統(tǒng)誤差還是隨機(jī)誤差， 都可以通過(guò)各種算法和軟件設(shè)計(jì)加以減少或清除。4 4 智能儀器的發(fā)展趨勢(shì)智能儀器與其它的設(shè)備或器件一樣，同樣也經(jīng)歷了幾代的

12、發(fā)展階 段。第一代為模擬儀表，第二代為數(shù)字儀表，第三代則為智能儀器白第一臺(tái)智能儀器（裝有性位微處理器的奴 y y 萬(wàn)用表）于 19751975 年出現(xiàn)之后，微處理器就很快進(jìn)入了傳統(tǒng)電測(cè)儀表以及大 型分析儀器和光學(xué)儀器等各個(gè)領(lǐng)域這類產(chǎn)品有數(shù)字電壓表（DVMDVM數(shù)字成用表DMMDMM）數(shù)字式存貯示波器(DSO),(DSO),邏輯分析儀和波形分析儀等。通過(guò)智能儀表的不斷完善，它的發(fā)展呈 現(xiàn)了如下的一些趨勢(shì)。4.14.1 微型化微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機(jī)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(hào)的采集、線性化處理、數(shù)字信號(hào)處理，控制信號(hào)

13、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(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價(jià)格不斷降低，因此其 應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在白動(dòng) 化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。4.24.2 多功能化多功能本身就是智能儀器儀表的一個(gè)特點(diǎn)。例如，為了設(shè)計(jì)速度 較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)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)品不但在性能上比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各 種測(cè)試功能上提供了較好的解決方案。4.34.3 人工智能化人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的

14、一個(gè)嶄新領(lǐng)域，利用計(jì)算機(jī)模擬人的智 能，用于機(jī)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(jìn)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(dòng), 從而在視覺、聽覺、思維等方面具有一定的能力。這樣，智能儀器可無(wú)需人的干預(yù)而白主地完成檢測(cè)或控制功能。4.44.4 融合 ISPISP 和 EMITEMIT 技術(shù)伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，InternetInternet 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(jì)領(lǐng)域滲透， 實(shí)現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于 InternetInternet 的通訊能力以及對(duì)設(shè)計(jì)好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、 功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。在系統(tǒng)編程技術(shù)（In-S

15、ystemIn-System ProgrammingProgramming 簡(jiǎn) 稱 ISPISP 技術(shù)）是對(duì)軟件進(jìn)行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術(shù)。它是 LATTICELATTICE 半導(dǎo)體公司首先提出的一種使我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中 的每個(gè)環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，具有對(duì)其器件、電路板 或整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組能力的最新技術(shù)。ISPISP 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(jì)、 制造與編程。ISPISP 硬件靈活且易于軟件修改，便于設(shè)計(jì)開發(fā)。由于 ISPISP 器件可以像任何其他器件一樣，在印刷電路板（PCBPCB 上處理，因此 編程 ISPI

16、SP 器件不需要專門編程器和較復(fù)雜的流程，只要通過(guò) PCPC 機(jī)， 嵌入式系統(tǒng)處理器甚至 INTERNEINTERNE 危程網(wǎng)進(jìn)行編程。 EMITEMIT 嵌入式微型 因特網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)是 emWaremWare e公司創(chuàng)立 ETIETI （eXtendeXtend thethe InternetInternet）擴(kuò)展 InternetInternet 聯(lián)盟時(shí)提出的，它是一種將單片機(jī)等嵌入式設(shè)備接入InternetInternet的技術(shù)。利用該技術(shù)，能夠?qū)?8 8 位和 1616 位單片機(jī)系統(tǒng)接入 Internet,Internet, 實(shí)現(xiàn)基于 InternetInternet 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、

17、智能控制、 上傳/ /下載數(shù)據(jù)文件 等功能。4.54.5 虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段測(cè)量?jī)x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(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PCPC 機(jī)的軟件來(lái)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 PCPC 機(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于 PCPC 機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱為虛擬儀器。在虛 擬儀器中，使用同一個(gè)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(cè)量?jī)x器。可見，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(jì)算機(jī)技 術(shù)，而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。作為虛擬儀

18、器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升 級(jí)性，能為用戶帶來(lái)極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無(wú)法 比擬的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。5 5 結(jié)語(yǔ)任何電 子儀器和測(cè)量技術(shù)一旦與計(jì)算機(jī)技術(shù)及人工智能技術(shù)相 結(jié)合，就會(huì)極大地增強(qiáng)儀器的功能和通用性。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā) 展和巨大進(jìn)步，對(duì)智能儀器提出了新的更高的要求現(xiàn)有的智能化儀器 實(shí)際上是具有微型計(jì)算機(jī)和通用接口總線的儀器，是一種智能化的數(shù)字控制器目前，智能儀器的 IIIIII 能化程度有待于進(jìn)一步提高可以肯定， 具有更高決策和控制能力的智能化儀器將更廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)和 工業(yè)生產(chǎn)上。參考文獻(xiàn)：11孫煥根.電子測(cè)量與智能儀器:研.杭州：浙江大學(xué)出版社， 1992.1992.22AlippiAlippi C,C, FerreroFerrero A,A, PiuriPiuri V.V. An