智能儀表狄艷嬌智能儀表概述

智能儀表的組成結(jié)構(gòu)智能儀表的主要特點(diǎn)智能儀表的發(fā)展趨勢(shì)1.儀器儀表概述一.儀器儀表定義、作用、行業(yè)分類

儀器儀表是信息獲取的工具、是認(rèn)識(shí)世界的手段，是一個(gè)系統(tǒng)或裝置。

最基本的作用：是延伸擴(kuò)展補(bǔ)充或代替人的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等器官的功能。儀器儀表種類繁多，如測(cè)量?jī)x器，分析儀器，生物醫(yī)療儀器，地球探測(cè)儀器，天文儀器，航空航天航海儀表，汽車儀表，電力，石油，化工儀表等，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)，深入到人民生活的各個(gè)角落。二、儀表的發(fā)展歷程

（1）20世紀(jì)50年代末：應(yīng)用和處理的信號(hào)均為模擬量，如指針式電壓表、電流表、功率表記錄儀、電子示波器、信號(hào)發(fā)生器及一些通用的測(cè)試儀器，均為典型的模擬式儀器?！M式儀器儀表（又稱指針式儀表）。

特點(diǎn)：體積大、價(jià)格高、功能簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、可靠性差、響應(yīng)速度慢，難以大范圍推廣應(yīng)用。（2）20世紀(jì)60年代：以集成電路芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字壓力表、數(shù)字電流表、數(shù)字式測(cè)溫儀、數(shù)字頻率計(jì)等?！獢?shù)字式儀器儀表。它們的基本工作原理是將待測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。數(shù)字式電子儀器與第一代模擬式電子儀器相比，具有精度高、速度快、讀數(shù)清晰、直觀的特點(diǎn)。其結(jié)果既能以數(shù)字形式輸出顯示，還可以通過(guò)打印機(jī)打印輸出。此外，由于數(shù)字信號(hào)便于遠(yuǎn)距離傳輸，因此數(shù)字式電子儀器適用于遙測(cè)遙控。（3）20世紀(jì)70年代以后：?jiǎn)纹瑱C(jī)和各種通用標(biāo)準(zhǔn)總線接口（GPIB）的出現(xiàn)；微電子技術(shù)發(fā)展，微機(jī)問(wèn)世。——智能儀器儀表。

這一代儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信技術(shù)、微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、人工智能等新興技術(shù)與傳統(tǒng)電子儀器相結(jié)合的產(chǎn)物。智能型儀器的主要特征是儀器內(nèi)部含有微處理器（或單片機(jī)），它具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算和邏輯判斷的能力，能根據(jù)被測(cè)參數(shù)的變化自動(dòng)選擇量程，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校正、自動(dòng)補(bǔ)償、自尋故障，以及遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)、遙測(cè)遙控等功能，可以做一些需要人類的智慧才能完成的工作。也就是說(shuō)，這種儀器具備了一定的智能，故稱為智能儀器。（4）20世紀(jì)80年代：美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）首先提出了“虛擬儀器”(VirtualInstrument,VI)的概念。虛擬儀器就是以通用計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，加上特定的硬件接口設(shè)備和為實(shí)現(xiàn)特定功能而編制的軟件而形成的一種新型儀器?！摂M儀器儀表。儀器前面板開(kāi)始朝鍵盤(pán)方向發(fā)展，采用機(jī)柜形式，通過(guò)IEEE-488總線送到一個(gè)控制器上。（5）現(xiàn)在：正在發(fā)展適合現(xiàn)場(chǎng)總線控制、各種分布式控制和網(wǎng)絡(luò)控制的智能儀表。三.儀器儀表的重要性（1）儀器及檢測(cè)技術(shù)已成為促進(jìn)當(dāng)代生產(chǎn)的主流環(huán)節(jié)、儀器整體發(fā)展水平是國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一；（2）先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備既是知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的前提，也是創(chuàng)新研究的主體內(nèi)容之一和創(chuàng)新成就的重要體現(xiàn)形式，科學(xué)儀器的創(chuàng)新是知識(shí)創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新的組成部分；（3）儀器是信息的源頭技術(shù)。儀器儀表是：國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”科學(xué)研究的“先行官”

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的“戰(zhàn)斗力”法庭審判的“物化法官”

王大珩院士：“能不能創(chuàng)造高水平的科學(xué)儀器和設(shè)備體現(xiàn)了一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力。發(fā)展科學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)視為國(guó)家戰(zhàn)略?！?/p>

科學(xué)儀器是信息的源頭科學(xué)儀器產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)1.2智能儀表的基本概念智能儀表是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量(或檢測(cè))儀器，它擁有對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能，具有一定智能的作用。一.智能儀表分類智能儀表四個(gè)層次

高級(jí)智能人工智能趨勢(shì)模型化系統(tǒng)辨識(shí)、模式識(shí)別初級(jí)智能計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理聰敏電子、傳感、測(cè)量兼容聰敏儀器類

初級(jí)智能儀表類

模型化智能儀表類

高級(jí)智能儀表類

二.智能儀表的基本結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)可有兩種基本類型:●微機(jī)內(nèi)嵌式

●微機(jī)擴(kuò)展式將單片或多片的微機(jī)芯片與儀器有機(jī)地結(jié)合在一起形成的單機(jī)。以個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)為核心的應(yīng)用擴(kuò)展型測(cè)量?jī)x器。個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器或稱微機(jī)卡式儀器。單片機(jī)或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/DRS232USB打印機(jī)鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、顯示器傳感器電量非電量?jī)?nèi)嵌微處理器智能儀表的基本結(jié)構(gòu)輸入通道輸出通道外部通信A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器輸入電路模擬執(zhí)行器I/O接口被測(cè)量微處理器MPU程序存儲(chǔ)器(ROM)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)標(biāo)準(zhǔn)儀用通訊接口鍵盤(pán)顯示接口鍵盤(pán)顯示外部?jī)x用標(biāo)準(zhǔn)總線

智能儀表卡式儀器的演變計(jì)算機(jī)部分測(cè)試部分

卡式儀器將智能儀表中的測(cè)量部分配以相應(yīng)的接口，制成各種功能的儀器卡，插入到PC機(jī)的擴(kuò)展槽中，而原智能儀表中的微機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)、顯示器、存貯器、電源等均借助于PC機(jī)的資源而構(gòu)成的?？ㄊ絻x器的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)儀器卡缺少儀器面板——

建立軟面板個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖個(gè)人計(jì)算機(jī)總線擴(kuò)展槽軟件電源PC總線GPIB總線擴(kuò)展底板或外部插件箱儀器插件通用接口儀器插件儀器插件…12n

個(gè)人儀器結(jié)構(gòu)圖

普通臺(tái)式PCI工控機(jī)PCI筆記本PCI虛擬儀器：虛擬儀器是指在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶自己設(shè)計(jì)定義，具有虛擬的操作面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的特點(diǎn)：軟件是虛擬儀器的核心；虛擬儀器的性價(jià)比高；具有良好的人機(jī)界面；具有與其它設(shè)備互聯(lián)的能力。虛擬示波器三.智能儀表的主要特點(diǎn)◆測(cè)量過(guò)程的軟件控制：

CPU→軟件控制測(cè)量過(guò)程

“以軟代硬”→靈活性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)◆數(shù)據(jù)處理：

隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、非線性校準(zhǔn)等處理→改善測(cè)量的精確度

數(shù)字濾波、相關(guān)、卷積、反卷積、幅度譜、相位譜、功率譜等信號(hào)分析→提供更多高質(zhì)量的信息量◆多功能化：一機(jī)多用■智能型壓力變送器

智能型壓力或差壓變送器是在普通壓力或差壓傳感器的基礎(chǔ)上增加微處理器電路而形成的智能檢測(cè)儀表?？蛇M(jìn)行遠(yuǎn)程通信

利用手持通信器，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器進(jìn)行各種運(yùn)行參數(shù)的選擇和標(biāo)定；其精確度高，使用與維護(hù)方便。

特點(diǎn)51舉例以美國(guó)費(fèi)希爾-羅斯蒙特公司的3051C型智能差壓變送器為例介紹其工作原理。

3051C型智能差壓變送器（4～20mA）方框圖52手持通信器的連接示意圖

3051C型智能差壓變送器所用的手持通信器為275型，帶有鍵盤(pán)及液晶顯示器?？梢越釉诂F(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)端子上，就地設(shè)定或檢測(cè)，也可以在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室中，接在某個(gè)變送器的信號(hào)線上進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定及檢測(cè)。

實(shí)現(xiàn)的功能（1）組態(tài)（2）測(cè)量范圍的變更（3）變送器的校準(zhǔn)（4）自診斷

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要對(duì)智能型差壓變送器每五年校驗(yàn)一次，智能型差壓變送器與手持通信器結(jié)合使用，可遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，尤其是危險(xiǎn)或不易到達(dá)的地方，給變送器的運(yùn)行和維護(hù)帶來(lái)了極大的方便。注意541.3推動(dòng)智能儀表發(fā)展的主要技術(shù)（1）傳感器技術(shù)；（2）A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強(qiáng)儀器的功能與測(cè)量范圍；（3）單片機(jī)與DSP的廣泛應(yīng)用；（4）嵌入式系統(tǒng)與片上系統(tǒng)SOC的應(yīng)用；（5）ASIC、FPGA／CPLD技術(shù)；（6）LabVlEW等圖形化軟件技術(shù)；（7）網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)。（1）微型化（2）多功能化1.4智能儀表發(fā)展趨勢(shì)（3）人工智能化（5）通信與控制網(wǎng)絡(luò)化（4）部分結(jié)構(gòu)虛擬化（1）微型化

智能儀器的微型化是指將微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于智能儀器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，從而使儀器成為體積較小、功能齊全的智能化儀器。它能夠完成信號(hào)采集，線性化處理，數(shù)字信號(hào)處理，控制信號(hào)的輸出、放大，與其他儀器接口以及與人交互等功能。微型智能儀器隨著微電子技術(shù)、微機(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)域也必將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)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(yī)療等領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。

（2）多功能化

多功能本身就是智能儀器的一個(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)生器等多種功能合一的函數(shù)發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能上（如準(zhǔn)確度）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。

（3）人工智能化

人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(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)、推理證明等各個(gè)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)（圖形及色彩辨讀）、聽(tīng)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）等方面具有一定的能力。這樣，智能儀器可以無(wú)需人的干預(yù)而自主地完成檢測(cè)或控制功能。顯然，人工智能在現(xiàn)代儀器中的應(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(wèn)題，而且還可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的一些問(wèn)題。

（4）部分結(jié)構(gòu)虛擬化

測(cè)試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。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，人們利用PC機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立了圖形化的虛擬儀器面板，完成了對(duì)儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等功能。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(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于PC機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱之為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要使用不同的軟件編程，就可以得到功能完全不同的測(cè)量?jī)x器?？梢?jiàn)，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，因此，也有人稱“軟件就是儀器”。

（5）通信與控制網(wǎng)絡(luò)化