智能儀器的設計與發(fā)展

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(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(jīng)濾波去除干擾后送人多路模擬開(kāi)關(guān)；由單片機逐路選通模擬開(kāi)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(jìn)行相應的數據運算和處理（如非線(xiàn)性校正等）；運算的結果被轉換為相應的數據進(jìn)行顯示和打��；同時(shí)單片機把運算結果與存儲在片內FlashROM或EPROM內的設定參數進(jìn)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(fā)、繼電器觸點(diǎn)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(guò)串行通信將信息傳輸給上位機——PC機，由PC機進(jìn)行全局管理。智能儀器的結構如圖1所示。

圖1 智能儀器的一般結構   

    2、智能儀器的功能特點(diǎn)
   
    隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以單片機為主體，將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結合在一起，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(diǎn)：
   
    1）操作自動(dòng)化。儀器的整個(gè)測量過(guò)程如鍵盤(pán)掃描、量程選擇、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)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(lái)控制操作，實(shí)現測量過(guò)程的全部自動(dòng)化。
   
    2）具有自測功能，包括自動(dòng)調零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗、自動(dòng)校準、自診斷及量程自動(dòng)轉換等，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(yōu)點(diǎn)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(lái)用硬件邏輯難以解決或根本無(wú)法解決的問(wèn)題，現在可以用軟件非常靈活地加以解決。
   
    4）具有友好的人機對話(huà)能力。智能儀器使用鍵盤(pán)代替傳統儀器中的切換開(kāi)關(guān)，操作人員只需通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令，就能實(shí)現某種測量功能。與此同時(shí)，智能儀器還通過(guò)顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數據的處理結果及時(shí)告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀(guān)。
   
    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(hù)所需要的多種功能的自動(dòng)測量系統，來(lái)完成更復雜的測試任務(wù)。
   
    3、智能儀器的設計原則及研制
   
    智能儀器的研制開(kāi)發(fā)是一個(gè)較為復雜的過(guò)程。為完成儀器的功能，實(shí)現儀器的指標，提高研制效率，并能取得一定的研制效益，應遵循正確的設計原則、按照科學(xué)的研制步驟來(lái)開(kāi)發(fā)智能儀器。
   
    儀器可靠性是最突出也是最重要的，應采取各種措施提高儀器的可靠性，從而保證儀器能長(cháng)時(shí)間穩定工作。
   
    第一，硬件：儀器所用器件的質(zhì)量和儀器結構工藝是影響可靠性的重要因素，故應合理選擇元器件和采用在極限情況下進(jìn)行試驗的方法。所謂合理選擇元器件是指在設計時(shí)對元器件的負載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術(shù)參數應留有一定的余量，并對元器件進(jìn)行老化和篩選。而極限情況下的試驗是指在研制過(guò)程中，一臺樣機要承受低溫、高溫、沖擊、振動(dòng)、干擾、煙霧等試驗，以保證其對環(huán)境的適應性。
   
    第二，軟件：采用模塊化設計方法，不僅易于編程和調試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時(shí)，對軟件進(jìn)行全面測試也是檢驗錯誤排除故障的重要手段。
   
    在硬件或軟件設計時(shí)，把復雜的、難處理的問(wèn)題，分為若干個(gè)較簡(jiǎn)單的、容易處理的問(wèn)題，然后再一個(gè)個(gè)地加以解決。設計人員根據儀器功能和設計要求提出儀器設計的總任務(wù)，并繪制硬件和軟件總框圖（總體設計）。然后將任務(wù)分解成一批可獨立表征的子任務(wù)，這些子任務(wù)還可以再向下分，直到每個(gè)低級的子任務(wù)足夠簡(jiǎn)單，可以直接而且容易地實(shí)現為止。這些低級子任務(wù)可采用某些通用模塊，并可作為單獨的實(shí)體進(jìn)行設計和調試，能夠以最低的難度和最高的可靠性組成高一級的模塊。
   
    智能儀器的造價(jià)，取決于研制成本、生產(chǎn)成本、使用成本。設計時(shí)不應盲目追求復雜、高級的方案。在滿(mǎn)足性能指標的前提下，應盡可能采用簡(jiǎn)單成熟的方案，意味著(zhù)元器件少，開(kāi)發(fā)、調試、生產(chǎn)方便，可靠性高。就第一臺樣機而言，主要的花費在于系統設計、調試和軟件開(kāi)發(fā)，樣機的硬件成本不是考慮的主要因素。
   
    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(xiàn)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(zhù)微電子機械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價(jià)格不斷降低，因此其應用領(lǐng)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(dòng)化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫療領(lǐng)域起到獨特的作用。
   
    4.2 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，為了設計速度較快和結構較復雜的數字系統，儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家制造了具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能上比專(zhuān)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用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫療診斷、專(zhuān)家系統、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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、思維等方面具有一定的能力。這樣，智能儀器可無(wú)需人的干預而自主地完成檢測或控制功能。
   
    4.4 融合ISP和EMIT技術(shù)
   
    伴隨著(zhù)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設計領(lǐng)域滲透，實(shí)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(jìn)行遠程升級、功能重置和系統維護。
   
    在系統編程技術(shù)（In-System Programming，簡(jiǎn)稱(chēng)ISP技術(shù)）是對軟件進(jìn)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)品設計、制造過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節，甚至在產(chǎn)品賣(mài)給最終用戶(hù)以后，具有對其器件、電路板或整個(gè)電子系統的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組能力的最新技術(shù)。ISP技術(shù)消除了傳統技術(shù)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(kāi)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(zhuān)門(mén)編程器和較復雜的流程，只要通過(guò)PC機，嵌入式系統處理器甚至INTERNET遠程網(wǎng)進(jìn)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（eXtend the Internet）擴展Internet聯(lián)盟時(shí)提出的，它是一種將單片機等嵌入式設備接入Internet的技術(shù)。利用該技術(shù)，能夠將8位和16位單片機系統接入Internet，實(shí)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。
   
    4.5 虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段
   
    測量?jì)x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(shí)系統中，數據分析和顯示完全用PC機的軟件來(lái)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?jì)x器。這種基于PC機的測量?jì)x器稱(chēng)為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)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?jì)x器�？梢�(jiàn)，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(shù)中用了某種計算機技術(shù)，而虛擬儀器則強調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具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，能為用戶(hù)帶來(lái)極大的利益，因此，具有傳統的智能儀器所無(wú)法比擬的應用前景和市場(chǎng)。 測厚儀| 測速儀| 轉速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱(chēng)| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀
    
    5、結束語(yǔ)
   
    智能儀器是計算機科學(xué)、電子學(xué)、數字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術(shù)與傳統的儀器儀表技術(shù)的結合。隨著(zhù)專(zhuān)用集成電路、個(gè)人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會(huì )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(shù)是推動(dòng)智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動(dòng)力�？梢灶A料，各種功能的智能儀器在不遠的將來(lái)會(huì )廣泛地使用在社會(huì )的各個(gè)領(lǐng)域。