1、智能儀器的應用與發(fā)展摘要:本文介紹了智能儀器的基本概念、結構特點及設計有關的幾個技術問題.及其今后的發(fā)展趨勢進行了探討。關鍵詞:微處理器;智能儀器；自動測試中圖分類號:TP 文獻標識碼:.41 智能儀器概述近些年來 ，隨著微處理器和單片機的發(fā)和廣泛應用，出現(xiàn)了一種新型的專用儀器智能儀器。這種儀器以微處理器或單片機為核心，具有信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化檢測與控制等多種功能。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)，極大地擴充了常規(guī)儀器的應用范圍。由于智能儀器一開始就顯示它強大的生命力，目前已成為儀器儀表發(fā)展的一個主導方向。它的不斷發(fā)展對自動控制、電子技術、國防工程、航

2、天技術與科學試驗等將產(chǎn)生極其深遠的影響。2 智能儀器的結構特點智能儀器的概念，是把微處理器或計算機與傳統(tǒng)的儀器儀表結合起來，使它能適應被測參數(shù)的變化.能自動補償、自動選擇量程、自動校準、自尋故障、自動進行指標判斷，以及進行邏輯操作，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(包括鍵盤及接II,LEI)顯示器及接CI,C ar 顯示器等)是智能儀器的硬件基礎數(shù)據(jù)處理技術與信號處理技術是智能儀器的軟件基礎。因而智能儀器也可說是人工智能、信號處理、計算機科學、微電子學等新興科學技術與傳統(tǒng)儀器儀表技術相結合的產(chǎn)物由此而決定了智能儀器儀表結構上的某些基本特

3、點2.1 操作使用方便由于智能儀器廣泛采用了鍵盤,LED顯示或CR r裝置，這就使人-一儀間接口與儀器功能部件的設計可完全獨立地進行，從而明顯地改變了傳統(tǒng)儀器前面板及有關控制操作機構的設計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。由此帶來了儀器使用上的極大方便。2.2 具有自測功能智能儀器在使用時，若出現(xiàn)故障可事先被自檢出來。同時還能診斷出儀器所發(fā)生故障的根源和部位。這種自測試不僅可在儀器啟動時進行，同時也可在儀器運行中進行。2.3 儀器功能得到極大提高智能儀器由于采用了微處理器或單片機，它就具有了一定的數(shù)據(jù)處理能力(如計算、變換、誤差修正等)。這就使其功能有了極大的提

4、高n許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)可用軟件非常靈活地加以解決。例如傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻，交直流的電壓電流而智能儀器不僅可量測這類參數(shù)，而且還能計算出諸如百分率偏移，比例、極位及其它統(tǒng)計參數(shù)等。采用間接的測量方法，來擴展其測量功能2.4 高性能指標智能儀器可以進一步提高儀器的性能指標。它通過內(nèi)設的微處理器或單片機的數(shù)據(jù)處理，可實現(xiàn)儀器的自動校正，能對某一參數(shù)進行多次測量后取其平均值，從而提高儀器本身的測量精度。儀器自動校零時，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、變換器所帶來的某些非線性誤差或頻率響應誤差。2.5 操作自動

5、化由于儀器的整個測M-.過程是用微處理器或單片機控制操作，如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟閉、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理以及顯示打印等，從而實現(xiàn)測量過程的全部自動化。2.6 具有對外接口功能智能儀器由于配有標準的對外接口總線，如儀器專用接口總線GP IBQ EEE- 488標準接口)或RS- 232C接口.使儀器不僅可實現(xiàn)本地輸人/輸出，而且還具有可程控能力實現(xiàn)遠程輸人/輸出。正是通過這些標準接口總線，組成用戶所需的各種多功能的自動測量系統(tǒng)。3 設計中的幾個技術問題智能儀器實際上是一個微處理器系統(tǒng)。如按微機的劃分方法，將微處理器和存貯器稱為主機，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

6、為外圍器件，不過這些外設與主機是有特殊性個統(tǒng)一體而且裝在同機箱內(nèi)。劉智能儀器而言，在其設計中也有很多問題關設計的幾個技術問題，是值得注意的。3.1 數(shù)據(jù)采集技術數(shù)據(jù)采集技術已被廣泛應用到各類智能儀器中，由它構成儀器的硬件基礎之一智能儀器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標有:分辨率、精度、輸入信號電平、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的信急，系統(tǒng)采祥頻率應滿足采樣定理的要求。一般在工程上采樣頻率應取被采樣信號所含最高頻率的K倍(一般取K身10-20).在智能儀器中，除了通常使用的“定時采徉”外，還經(jīng)常使用“變步長采樣”。這種采樣方法不論被測信號頻率為多少，均可確保在一個信號周期內(nèi)

7、均勻采樣的點數(shù)總共為N個不變這種采樣方法由于采樣信號周期隨被測信號周期變化而變化，故通稱為“變步長采樣”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算機的內(nèi)存單元。并能使增強儀器功能所要求的數(shù)據(jù)處理軟件的設計大為簡化。3.2 輸人輸出技術智能儀器是通過其微處理器而控制整個側量過程。一般它要通過各種輸入輸出部件與外界進行通訊聯(lián)系。近年來，隨著智能儀器由對被測對象的個別參數(shù)的檢測，發(fā)展到以一個自動測試系統(tǒng)對被測系統(tǒng)作全面的綜合特性的測試.則智能儀器內(nèi)部所包含的輸入輸出部件也日益增多國此，輸入輸出技術也已成為智能儀器硬件基礎的又一個重要組成部分.目前 ， 在 一般智能儀器上常采用的輸入輸出

8、部分有:鍵盤、LED顯示，CRT顯示器、微型打印機、軟盤驅動器、步進電機和繪圖儀等。用鍵盤取代傳統(tǒng)測量儀器面板上的開關和旋鈕、用CR1顯示器顯示各種字符及有關的圖形或圖表。3.3 信號處理技術在智能儀器中，模數(shù)轉換器ADC與數(shù)模轉換器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、在各種非電測量、工業(yè)自動化控制以及醫(yī)療電子器件等領域中也是必不可少的部件在處理模擬信號的數(shù)字系統(tǒng)中首先對模擬信號采樣以得到輸入序列然后再對其進行轉換。3.4 數(shù)據(jù)處理技術智能儀器借助于內(nèi)含微處理器的運算操作，可具有多種數(shù)據(jù)處理功能。采用算術運算的數(shù)

9、據(jù)處理技術有乘常數(shù)操作，偏移運算、比例運算和百分率誤差的計算等采用邏輯運算的數(shù)據(jù)處理技術有極值的判別，報警與峰值檢測等采用微極分運算的數(shù)據(jù)處理技術有數(shù)字微分算法和數(shù)字積分算法等。另外，利用算法來改善儀器硬件(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處理功能_1tR測星時先由傳感器將外界物理量轉換成儀器所要求的電量(如電壓、電流、電阻)，如果傳感器的檢測特性是非線性的，此時智能儀器必須具有線性化的處理功能，而線性化的關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，而是使儀器正常運行必不可少的軟件系統(tǒng)。藉以實現(xiàn)人機對話與系統(tǒng)資源的合理的有效使用它應在在線

10、狀態(tài)下，接受來自鍵盤或總線接口的操作命令，解釋與執(zhí)行命令，它負責調(diào)度各應用程序模塊，并與鍵盤、顯示器和打印機等外設交換信息，無 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)軟件的設計方法。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)分析法與具有自動菜單選擇功能的監(jiān)控程序。某些儀器對系統(tǒng)軟件的實時多任務處理提出要求，此時系統(tǒng)軟件應具有較強的實時處理能力和多任務的管理功能同時進行多個參數(shù)測試任務，并具有較強的人機交互能力。必須指出 ，使用儀器測量會存在測量系統(tǒng)誤差。但利用智能儀器內(nèi)設微處理器的數(shù)據(jù)處理功能，可以顯著減小測量過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差與隨機誤差，從

11、而提高測量的準確度無論是系統(tǒng)誤差還是隨機誤差，都可以通過各種算法和軟件設計加以減少或清除。4 智能儀器的發(fā)展趨勢智能儀器與其它的設備或器件一樣，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智能儀器(裝有性位微處理器的奴y萬用表)于1975年出現(xiàn)之后，微處理器就很快進入了傳統(tǒng)電測儀表以及大型分析儀器和光學儀器等各個領域這類產(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),邏輯分析儀和波形分析儀等。通過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。4.1 微型化 微型智能儀器指微電子技術、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀

12、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的不斷發(fā)展，其技術不斷成熟，價格不斷降低，因此其應用領域也將不斷擴大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在自動化技術、航天、軍事、生物技術、醫(yī)療領域起到獨特的作用。 4.2 多功能化 多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點。例如，為了設計速度較快和結構較復雜的數(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

13、，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嶄新領域，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而自主地完成檢測或控制功能。 4.4 融合ISP和EMIT技術 伴隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，Internet技術正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設計領域滲透，實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以及對設計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。在系統(tǒng)編程

14、技術（In-System Programming，簡稱ISP技術）是對軟件進行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術。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行組態(tài)或重組能力的最新技術。ISP技術消除了傳統(tǒng)技術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器件不需要專門編程器和較復雜的流程，只要通過PC機，嵌入式系統(tǒng)處理器甚至INTERNET遠程網(wǎng)進行編

15、程。EMIT嵌入式微型因特網(wǎng)互聯(lián)技術是emWare公司創(chuàng)立ETI（eXtend the Internet）擴展Internet聯(lián)盟時提出的，它是一種將單片機等嵌入式設備接入Internet的技術。利用該技術，能夠將8位和16位單片機系統(tǒng)接入Internet，實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳/下載數(shù)據(jù)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

16、擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。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中用了某種計算機技術，而虛擬儀器則強調(diào)在通用的計算機技術中吸收儀器技術。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用前景和市場。 5 結語任何電 子儀器和測量技術一旦與計算機技術及人工智能技術相結合，就會極大地增強儀器的功能和通用性。隨著科學技術的快速發(fā)展和巨大進步，對智能儀器提出了新的更高的要求現(xiàn)有的智能化儀器實際上是具有微型計算機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III能化程度有待于進一步提高可以肯定，具有更高決策和控制能力的智