1、.西安理工大學(xué)研究生課程論文/研究報告課程名稱： 智能儀器 課程代號： 030416 任課教師： 趙懷軍 論文/研究報告題目：智能儀器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢完成日期： 2016 年 7 月 19 日學(xué) 科： 儀器儀表工程 學(xué) 號： 姓 名： 成 績： 目 錄1.研究現(xiàn)狀31.1智能儀器的歷史沿革32.發(fā)展趨勢42.1智能儀器的組成42.2智能儀器的發(fā)展趨勢5(1)微型化5(2)多功能化5(3)人工智能化6(4)融合ISP和EMIT技術(shù)6(5)網(wǎng)絡(luò)化6(6)虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段62.3智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢7(1)獨立式智能儀器及自動測試系統(tǒng)7(2)個人儀器與VXI儀器系統(tǒng)83

2、.總結(jié)94.主要參考文獻(xiàn)91.研究現(xiàn)狀測試儀器是實現(xiàn)測試的基本工具。測試儀器發(fā)展至今，主要經(jīng)歷了四個階段：（1）模擬儀器早期的模擬儀器是基于物理定律產(chǎn)生的，如安培表、伏特表等。這種儀器的共同特征是帶有表盤和機械表針，靠人讀取被測量，因而誤差大，精度低。到20世紀(jì)50年代，隨著電子技術(shù)的興起，出現(xiàn)了電子儀器儀表，如電子示波器、信號發(fā)生器等。（2）數(shù)字儀器數(shù)字儀器是將對模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為對數(shù)字信號的測量，并以數(shù)字形式顯示和輸出測量結(jié)果，如數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表等。（3）智能儀器智能儀器是將微處理器置入數(shù)字儀器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、儀器自檢等功能。10 含有微計算機或微處理器的測量

3、儀器，由于擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動操作等功能，有著一定的智能作用，因而被稱為智能儀器。智能儀器是計算機技術(shù)向測量儀器移植的產(chǎn)物。近年來，隨著迅猛發(fā)展的微計算機和微電子等技術(shù)滲透到測量和儀器領(lǐng)域，智能儀器已開始從數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展，其概念內(nèi)涵日益延拓。（4）虛擬儀器現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，高度自動化的工業(yè)化大生產(chǎn)迫切需要功能更強大、成本更低廉、系統(tǒng)更靈活的新一代測試儀器。計算機總線技術(shù)、軟件技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使計算機的作用超出了原有的范圍，實現(xiàn)了許多原本由硬件完成的或者硬件不能勝任的功能，這標(biāo)志著“軟件即儀器”時代的到來。作為一種以計算機軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器功

4、能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優(yōu)異、靈活性強 11。1.1智能儀器的歷史沿革20世紀(jì) 70年代，出現(xiàn)了基于大規(guī)模集成電路的微處理器，人們在其小體型、高效率、自動化等特點驅(qū)使下，開始對儀器儀表進(jìn)行智能化改造。1973 年，出現(xiàn)了內(nèi)含微處理器的商品化測量儀器。到1975年，世界上約有近百種這類新型測量儀器儀表問世。內(nèi)含微處理器的新型儀器集合了計算機技術(shù)和測控技術(shù)，具有了一定的人的智能特性，諸如數(shù)據(jù)記憶及處理、邏輯判斷、自檢驗、自校正、靈活反應(yīng)等功能，因此被人們稱為智能儀器。20世紀(jì)80年代，NI公司提出了“虛擬儀器”的概念。虛擬儀器是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的重要應(yīng)用。儀器

5、軟件系統(tǒng)所具有的通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和易升級性等特點，可方便用戶快捷地構(gòu)建測量環(huán)境。虛擬儀器的出現(xiàn)，加速了測量儀器的智能化進(jìn)程。到了上世紀(jì)90年代，融合了3C技術(shù)的智能化現(xiàn)場總線儀器具有了通信接口，開始實現(xiàn)分布式的測量與控制。同期，多媒體技術(shù)被引入到智能儀器的構(gòu)建，增強了智能儀器與人的交互。進(jìn)入21世紀(jì)，智能儀器最大的進(jìn)步特征是嵌入式系統(tǒng)的采用、與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有機結(jié)合、現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法以及計算數(shù)學(xué)方法的更多利用。嵌入式系統(tǒng)在智能儀器構(gòu)建上的采用，使智能儀器更加小型化，功能更全面，分析處理能力更強，可靠性進(jìn)一步提高。以Internet為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能儀器的結(jié)合，使得大范圍的分布

6、式測控成為現(xiàn)實，人們在任何時間、從任何地點獲取測量信息成為可能。現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法中的模糊數(shù)學(xué)、分形方法和現(xiàn)代數(shù)值計算方法在智能儀器建模中的應(yīng)用，明顯提高測量模型的精確度和計算效率，為儀器智能化決策水平提升奠定基礎(chǔ)8。2.發(fā)展趨勢一個測試系統(tǒng)要完成對被測量的測試，首先必須獲得被測量的信息，并且根據(jù)被測量信息的物理學(xué)特性，將其轉(zhuǎn)換成容易處理或傳輸?shù)碾娏啃盘?，然后將電量信號所表示的信息進(jìn)行變換或放大，再用指示儀或記錄儀將信息顯示或記錄下來。有的測試系統(tǒng)還需要對信息進(jìn)行處理，以獲得反映實際被測量數(shù)值大小的測試結(jié)果。2.1智能儀器的組成如圖2-1所示為微機內(nèi)嵌式智能儀器的基本組成。系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，所有外設(shè)

7、和存儲器均掛在總線上，微處理器按地址對它們進(jìn)行訪問。這是典型的計算機結(jié)構(gòu)。它與一般計算機的差別在于多了“測量電路”，同時，它與外界的通信，通常需通過IEEE-488接口進(jìn)行3。 圖2-1 微機內(nèi)嵌式智能儀器的組成圖2-2 智能儀器的基本組成框圖智能儀器的組成框圖如圖2-2所示1。2.2智能儀器的發(fā)展趨勢自從迅猛發(fā)展的計算機技術(shù)及微電子技術(shù)滲透入測量和儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域以來,該領(lǐng)域的面貌不斷更新。相繼出現(xiàn)的智能儀器、總線儀器和虛擬儀器等微機化儀器,都無一例外地利用了計算機的軟件和硬件優(yōu)勢,這使它們既增加了測量功能,又提高了技術(shù)性能。從而誕生了“軟件就是儀器”的概念。智能化是目前電子儀器發(fā)展的趨勢，

8、智能儀器以其優(yōu)質(zhì)的特點受到了電器科研以及工業(yè)青睞。智能儀器不僅僅能夠在范圍上比傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用更加的廣泛，同時其體積小功耗低以及功能強大等特點也是傳統(tǒng)儀器所不及的9。21世紀(jì)的儀器,是一個開放的系統(tǒng)概念,它將隨著計算機總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,將極大地推進(jìn)在線檢測智能儀器的智能化進(jìn)程。在在線檢測方面,以微機和工作站為動力,通過組建網(wǎng)絡(luò)來提高生產(chǎn)效率和共享信息資源,這已成為一個重要發(fā)展方向,今后將達(dá)到“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”的美好前景?？傊?將計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)移植應(yīng)用到工業(yè)光電在線檢測儀中,使其具有標(biāo)準(zhǔn)化、虛擬化、智能化、網(wǎng)絡(luò)

9、化的功能,是未來新一代光電在線檢測智能儀器發(fā)展的必然趨勢2。(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(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。它能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)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(shù)的不斷發(fā)展,其技術(shù)不斷成熟,價格不斷降低,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,而且能在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨特的作用。(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(shè)計速度較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng),儀器生產(chǎn)廠家制造

10、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算機應(yīng)用的一個嶄新領(lǐng)域,利用計算機模擬人的智能,用于機器人、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,從而在視覺、聽覺、思維等方面具有一定的能力。這樣,智能儀器可無需人的干預(yù)而自主地完成檢測或控制功能。 (4)融合ISP和EMIT技術(shù)伴隨著網(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(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透,實現(xiàn)智

11、能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。在系統(tǒng)編程技術(shù)(In-System Programming,簡稱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(dǎo)體公司首先提出的一種使我們在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中的每個環(huán)節(jié),甚至在產(chǎn)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(tǒng)的邏輯和功能隨時進(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(tǒng)技術(shù)的某些限制和連接弊病,有利于在板設(shè)計、制造與編程。ISP硬件靈活且易于軟件修改,便于設(shè)計開發(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

12、理,因此編程ISP器件不需要專門編程器和較復(fù)雜的流程,只要通過PC機,嵌入式系統(tǒng)處理器甚至INTERNET遠(yuǎn)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(kuò)展Internet聯(lián)盟時提出的,它是一種將單片機等嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)。利用該技術(shù),能夠?qū)?位和16位單片機系統(tǒng)接入Internet,實現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳/下載數(shù)據(jù)文件等功能。(5)網(wǎng)絡(luò)化伴隨著網(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(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透,實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Interne

13、t的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。因此,智能儀器的網(wǎng)絡(luò)化將是一個重要的發(fā)展趨勢7。(6)虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段測量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。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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量儀器?？梢?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)中用了某種計算機技術(shù),而虛擬儀器則強調(diào)在

14、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(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級性,能為用戶帶來極大的利益,因此,具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應(yīng)用前景和市場4。近年來,智能化測量控制儀表的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣智能化測量控制儀表,例如,能夠自動進(jìn)行差壓補償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計,能夠進(jìn)行程序控溫的智能多段溫度控制儀,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID和各種復(fù)雜控制規(guī)律的智能式調(diào)節(jié)器,以及能夠?qū)Ω鞣N譜圖進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)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(chǎn)的DSTJ-3000系列智能變送器,能進(jìn)行差壓值狀態(tài)的復(fù)合測量,可對變送

15、器本體的溫度、靜壓等實現(xiàn)自動補償,其精度可達(dá)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(jīng)電阻所產(chǎn)生的熱噪聲,測量電平可低達(dá)-77dB;美國FLUKE公司生產(chǎn)的超級多功能校準(zhǔn)器5520A,內(nèi)部采用了3個微處理器,其短期穩(wěn)定性達(dá)到1ppm,線性度可達(dá)到0.5ppm;美國FOXBORO公司生產(chǎn)的數(shù)字化自整定調(diào)節(jié)器,采用了專家系統(tǒng)技術(shù),能夠像有經(jīng)驗的控制工程師那樣,根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)迅速地整定調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器特別適合于對象變化頻繁或非線性的控制系統(tǒng)。由于這種調(diào)節(jié)器能夠自動整定調(diào)節(jié)參數(shù),可使整個系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中始終保持最佳品質(zhì)5。2.3智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)

16、展趨勢隨著智能儀器的不斷完善以及新的設(shè)計思想和新的集成電路的不斷出現(xiàn),軟件的重要性將變得愈來愈突出?？梢钥隙?測試界今后的巨大變化將發(fā)生在對新器件的應(yīng)用和軟件設(shè)計方面。(1)獨立式智能儀器及自動測試系統(tǒng)獨立式智能儀器在結(jié)構(gòu)上自成一體,自身帶有微處理器,能獨立進(jìn)行測試,使用靈活方便,是現(xiàn)階段智能儀器的主體。這類儀器在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟,借助新技術(shù)、新器件和新工藝,且這類產(chǎn)品還在不斷地推陳出新。智能儀器幾乎都配有通信接口。GP-IB是國際電工協(xié)會于1978年推薦的一種儀用標(biāo)準(zhǔn)總線接口,已被世界各國普遍采用,帶有GP-IB接口的儀器和計算機,可以借助一條無源電纜總線進(jìn)行互連,組成自動測試及數(shù)據(jù)采集系

17、統(tǒng),以完成較復(fù)雜的測試任務(wù)。由智能儀器組成的自動測試系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)的智能儀器在任務(wù)一級并行工作,各自具備完備的硬件和軟件,因而能相對獨立地工作,相互間可以通信,它們之間通過外部總線進(jìn)行互連。自動測試系統(tǒng)一般由計算機、多臺程控儀器以及GP-IB組成。計算機作為系統(tǒng)控制者,通過執(zhí)行測試軟件,實現(xiàn)對測量全過程的控制及處理;各臺可程控儀器作為測試系統(tǒng)的執(zhí)行單元,具體完成采集、測量、處理等任務(wù);GP-IB如同一個多功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將各種設(shè)備有機地連接起來,完成系統(tǒng)內(nèi)各種信息的變換和傳輸。(2)個人儀器與VXI儀器系統(tǒng)近年來，由HP、泰克等五家儀器公司聯(lián)合提出了適用于個人儀器系統(tǒng)的接口總線V

18、XI標(biāo)準(zhǔn)，并為世界各廠家所接受。VXI總線的問世被認(rèn)為是測量和儀器領(lǐng)域發(fā)生的一件最重要的事件，從而使測試儀器系統(tǒng)進(jìn)入了一個劃時代的新階段。VXI總線是一個開放式結(jié)構(gòu),它允許不同廠家生產(chǎn)的板卡儀器可以在同一機箱中工作,從而使VXI總線很快就成了測試系統(tǒng)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)。VXI總線系統(tǒng)一般由計算機、VXI儀器模塊和VXI總線機箱構(gòu)成。VXI總線是面向模塊結(jié)構(gòu)的儀器總線,比GP-IB有了較大的進(jìn)步。VXI總線的地址線和數(shù)據(jù)線均可高至32位，數(shù)據(jù)傳輸速度率高達(dá)40Mb/s，此外還定義了多種控制線、中斷線、時鐘線、觸發(fā)線、識別線和模擬信號線等?？梢?VXI總線儀器集中了智能儀器、個人儀器和GP-IB系統(tǒng)的許多優(yōu)點,并具有方便靈活,標(biāo)準(zhǔn)化程度高,可擴(kuò)展性好,能充分發(fā)揮計算機效能以及便于構(gòu)成虛擬儀器等諸多優(yōu)點,因此獲得了迅速發(fā)展和推廣,被稱為未來儀器和未來系統(tǒng)6。3.總結(jié)智能儀器是計算機科學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術(shù)與傳統(tǒng)的