智能儀器的發(fā)展及其對(duì)儀器功能的影響

智能儀器的發(fā)展及其對(duì)儀器功能的影響

1智能儀器的發(fā)展近年來(lái)，隨著微型計(jì)算機(jī)和小冊(cè)子的發(fā)展和應(yīng)用，智能儀器出現(xiàn)了一種新的專用軟件。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)自動(dòng)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智能儀器組成智能儀器的概念,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,能自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)選擇量程、自動(dòng)校準(zhǔn)、自尋故障、自動(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。智能儀器的組成框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集與輸入輸出技術(shù)(包括鍵盤及接口、LED顯示器及接口、CRT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)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)。2.1靈活的間接口與儀器功能部件的設(shè)計(jì)由于智能儀器廣泛采用了鍵盤、LED顯示或CRT裝置,這就使人——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。2.2故障診斷功能智能儀器在使用時(shí),若出現(xiàn)故障可事先被自檢出來(lái)。同時(shí)還能診斷出儀器所發(fā)生故障的根源和部位。這種自測(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。2.3智能儀器的邏輯補(bǔ)償功能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。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、極值及其它統(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。2.4儀器自動(dòng)校正智能儀器可以進(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)儀器的自動(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)量精度。儀器自動(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,而且還能校正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。2.5單車控制操作由于儀器的整個(gè)測(cè)量過(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)程的全部自動(dòng)化。2.6儀器接口接口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GPIB(IEEE——488標(biāo)準(zhǔn)接口)或RS——232C接口,使儀器不僅可實(shí)現(xiàn)本地輸入/輸出,而且還具有可程控能力,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸入/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自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。3主機(jī)的設(shè)計(jì)目智能儀器實(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、面板輸入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)是一個(gè)統(tǒng)一體,而且裝在同一機(jī)箱內(nèi)。對(duì)智能儀器而言,在其設(shè)計(jì)中也有很多問(wèn)題具有特殊性。下面有關(guān)設(shè)計(jì)的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題,是值得注意的。3.1采樣頻率要求數(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。為了不丟失被采樣信號(hào)的信息,系統(tǒng)采樣頻率應(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K倍(一般取K≥10～20)。在智能儀器中,除了通常使用的“定時(shí)采樣”外,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N個(gè)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。3.2自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)智能儀器是通過(guò)其微處理器而控制整個(gè)測(cè)量過(guò)程。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)自動(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。因此,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、LED顯示,CRT顯示器、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CRT顯示器顯示各種字符及有關(guān)的圖形或圖表。3.3其他非電測(cè)量、工業(yè)自動(dòng)化控制及低通濾器的相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)組成在智能儀器中,模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC是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)自動(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。如圖2所示。被測(cè)信號(hào)在時(shí)間上和幅度上均要作量化處理,時(shí)間量化要求信號(hào)帶寬有限,以免發(fā)生混疊影響,而幅度量化會(huì)引起以信號(hào)噪音形式出現(xiàn)的量化誤差。然后通過(guò)模擬轉(zhuǎn)換得到一個(gè)階梯波信號(hào)。最后經(jīng)低通濾器平滑掉其高頻部份?？梢?數(shù)字濾波也是信號(hào)處理技術(shù)中很重要的一環(huán)。3.4數(shù)據(jù)處理功能智能儀器借助于內(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。一般測(cè)量時(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)自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)分析法與具有自動(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。4fpga智能儀器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。自第一臺(tái)智能儀器(裝有4位微處理器的數(shù)字萬(wàn)用表)于1975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(DVM)、數(shù)字成用表(DMM)、數(shù)字式存貯示波器(DSO)、邏輯分析儀(LA)和波形分析儀(WA)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)。4.1解決本身設(shè)計(jì)來(lái)解決這是因?yàn)樵S多高性能指標(biāo)的要求,很難從儀表本身的設(shè)計(jì)來(lái)解決。例如高頻、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高速度和低功耗等要求,就必須依靠有關(guān)電路器件的設(shè)計(jì)制作水平和軟件的開發(fā)能力等。4.2信號(hào)檢測(cè)能力由于信號(hào)檢測(cè)傳感器技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,形成了新一代具有自診斷、自修復(fù)、智能化且有較強(qiáng)適應(yīng)性有敏感元件。而微電子技術(shù)的這一進(jìn)步又將敏感元件與測(cè)量值的預(yù)處理兩者合而為一體,從而極大提高了信號(hào)檢測(cè)能力,這也促進(jìn)了智能儀器的有關(guān)測(cè)試能力的提高。特別是集成式微型智能傳感器的出現(xiàn),它利用集成電路制作技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)將用途廣泛的傳感器元件與功能強(qiáng)大的電子線路集成在同一芯片內(nèi)。具有體積小、速度快、成本低、功耗小、可靠性高、精確度高以及性能優(yōu)越、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。將智能傳感器融入智能儀器內(nèi),是具有可觀的發(fā)展前景的。另外,智能儀器的出現(xiàn)一開始就與信號(hào)處理技術(shù)緊密相關(guān)。目前信號(hào)處理已由一維、二維處理向三維(全息)處理發(fā)展,并已由頻域處理向時(shí)域處理發(fā)展。這樣,信號(hào)處理學(xué)科的一些新成果,已在極大地增加智能儀器中有關(guān)的信號(hào)處理功能。4.3數(shù)據(jù)域測(cè)量?jī)x器智能儀器的發(fā)展,將進(jìn)一步反映出經(jīng)典的頻域或時(shí)域測(cè)量技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步是如何的不相適應(yīng)。目前,數(shù)據(jù)域測(cè)量?jī)x器包括有:集成電路測(cè)試儀、邏輯分析儀、仿真器、字符發(fā)生器、特征信號(hào)分析儀以及微型機(jī)開發(fā)系統(tǒng)等。這類儀器的一些新產(chǎn)品具有一定的自學(xué)習(xí)功能,并帶有資料庫(kù)可以在現(xiàn)場(chǎng)用極簡(jiǎn)單的操作來(lái)完成復(fù)雜的檢測(cè)工作。4.4生產(chǎn)控制儀器目前生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)較為先進(jìn)的形式是集散系統(tǒng)(TotalDistrributedControlSystem)。它可以完成企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度、過(guò)程控制與各種管理協(xié)調(diào)等任務(wù)。在這個(gè)系統(tǒng)中,面向過(guò)程控制的最低層是控制層,它是由各種數(shù)字調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)記錄儀、采集裝置、可編程控制器和各種直接數(shù)字控制設(shè)備等組成。過(guò)程色譜儀、材料分析處理儀器等設(shè)備,也將作為在線儀器而直接用于生產(chǎn)過(guò)程中。智能儀器的發(fā)展,已推動(dòng)生產(chǎn)控制儀器的進(jìn)一步更新?lián)Q代。如現(xiàn)場(chǎng)總線(Filbbus)測(cè)控系統(tǒng)中所用智能儀器,它們不但具有一般智能儀器所特有的運(yùn)算,顯示及自檢等功能外,還具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能,可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線,將所測(cè)實(shí)時(shí)參數(shù)送至控制微機(jī)或PLC。4.5腦力勞動(dòng)的組成智能儀器的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)含有一定的人工智能。即利用電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)來(lái)代替人的一部分腦力勞動(dòng)。從而在視覺(jué)(圖形及色彩辨讀)、聽覺(jué)(語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)言領(lǐng)悟)、思維(推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想)等方面應(yīng)具有一