智能儀器基本組成原理及其發展趨（qū）勢分析

智能儀器的出現，極大地擴充了傳統儀器的應用範圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優勢，迅速地在家用電器（qì）、科研單（dān）位和工業企（qǐ）業中得（dé）到了廣泛的應（yīng）用。 
1、智能儀器的工作（zuò）原理 

    傳感器拾取被（bèi）測參量的信息（xī）並轉換成電信號，經濾波去除幹擾後送入多路模擬（nǐ）開關；由單片（piàn）機逐路選通模擬開關將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大後的信號（hào）經A／D轉（zhuǎn）換器轉換成相應的脈衝信號後送入單片機中；單（dān）片機根據儀器所設定的（de）初值（zhí）進行相應（yīng）的數據運算和處理(如非線性校正等)；運算的結果被轉（zhuǎn）換為相應的數據進行顯示和打印；同時單片機把運算結果與存儲於片（piàn）內FlashROM(閃速存儲器)或E2PROM(電可擦除存貯器)內的（de）設定參（cān）數進行運（yùn）算比較後，根據運算結果（guǒ）和控（kòng）製要求，輸出相應的控製信號(如報警裝置觸發（fā）、繼電器觸（chù）點等)。此外，智能儀器還可以與PC機組成分布式測控（kòng）係統，由單片機作為下位機（jī）采集各種測（cè）量信號與數據，通過串行（háng）通信將信息傳輸（shū）給上位機（jī）——PC機，由PC機進行全局管理。 

2、智能儀器的功（gōng）能特（tè）點 

　　隨著微電子（zǐ）技術的不斷發展，集成了CPU、存儲器、定時器/計數器、並行和串行接口、看門狗、前置放（fàng）大（dà）器甚至A／D、D／A轉換（huàn）器（qì）等電路在一塊芯片上的（de）超大規模集成電路芯片(即單片（piàn）機)出現了。以（yǐ）單片機為主體（tǐ），將計算機技術與測量控製技（jì）術結合在一起，又組成了所謂的“智（zhì）能化測量控製係統”，也就是智能儀器。 

　與傳統儀器（qì）儀表相比，智能（néng）儀器具有以（yǐ）下功能特點： 

　 ①操作自動化。儀器的整個測量過（guò）程（chéng）如（rú）鍵（jiàn）盤掃描、量（liàng）程選擇、開關啟動閉合（hé）、數據的采集、傳輸與處理以及顯示打（dǎ）印等（děng）都用單片機或微控製器來控（kòng）製操作，實現（xiàn）測量過程的全部自動化。 

　　②具（jù）有自（zì）測功能，包括自動調零、自動故障與狀態（tài）檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉換等。智能儀表能自動（dòng）檢測出故障的部位甚至故障（zhàng）的原因。這（zhè）種自測試可以在儀器（qì）啟動時運行，同時也（yě）可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器（qì）的維護。 

　　③具有數據（jù）處理功能，這是智能儀器的主要優點之一。智能儀器由於采用了單片機（jī）或（huò）微控製器，使得許多原來用（yòng）硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現在可以用軟件非（fēi）常靈活地加以解決。例如，傳統的數字萬用表（biǎo）隻（zhī）能測量電阻、交（jiāo）直流電壓、電流等，而智能型的數字萬用表不僅能進行上述測（cè）量，而且還具有對測量結果進（jìn）行諸如零點平移（yí）、取平均值、求極值、統計分析等複雜的數據處理功能，不僅使用戶從繁重（chóng）的（de）數據處理中解放出（chū）來，也（yě）有（yǒu）效地提高了儀器的測量精度。 

　　④具（jù）有友好的人機對話能力。智能儀器使（shǐ）用鍵（jiàn）盤代替傳統儀器中的切換開關，操作人員隻需通過鍵盤輸入命令（lìng），就能實現某種測量功（gōng）能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏（píng）將儀器的運行情況、工作狀態以及對測量數據的處理（lǐ）結果及時告訴操作（zuò）人員，使儀器的操作更加方便直觀。 

　　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（jī）和其他儀（yí）器一起組成（chéng）用戶所需要的多種功能的自動測量係統，來（lái）完成更複雜的（de）測試任務。 

3、智能儀器（qì）的發展概況 

　　80年代，微處理器（qì）被用到儀器中（zhōng），儀器前麵（miàn）板開始朝鍵盤化方（fāng）向發展，測（cè）量係統常通（tōng）過IEEE—488總線連接。不同於傳（chuán）統獨立儀器模式的個人儀器得到（dào）了發展等。 

　　90年代，儀器儀表（biǎo）的（de）智能化突出表現在以下幾個方麵：微電子技術的進（jìn）步更（gèng）深刻地影響儀（yí）器（qì）儀表的設計；DSP芯片的問世，使儀器儀表數字信號處理功能大大加強；微型機的發展，使儀器儀表具有更強的數據（jù）處理能力（lì）；圖像處理功（gōng）能的增加十分普（pǔ）遍；VXI總線得到廣泛的應用。 

　　近年來，智能化測量控製儀表的發展尤為迅速。國內（nèi）市（shì）場上已經出（chū）現了多種多（duō）樣智能化測量控（kòng）製儀表，例如，能夠自動進行差壓（yā）補償的智能節（jiē）流式（shì）流（liú）量計，能夠進（jìn）行程序控溫（wēn）的智能多段溫度控製儀，能夠實現數字PID和各種複雜控製規律的智能式調節器，以（yǐ）及能夠對各種譜（pǔ）圖進行分析和數據（jù）處理的智能色譜儀等。 

　　國際上智能測量儀表更是品（pǐn）種繁多，例如，美國HONEYWELL公司生產的（de）DSTJ-3000係列智能變送器，能（néng）進（jìn）行差壓值狀態的（de）複合測量，可（kě）對變送器本體的溫（wēn）度、靜壓等實現自動補償，其（qí）精度可達到±0.1％FS；美國RACA-DANA公司的9303型超高電平表，利用微處理器（qì）消除（chú）電流流經電阻所產生的熱噪聲（shēng），測（cè）量電平可低達-77dB；美國FLUKE公司生產的超級多功能校準器5520A，內部采用了3個微（wēi）處理器（qì），其短期穩定性達到1ppm，線性度可達到0.5ppm；美國FOXBORO公司生產的數字化自整定調節器，采用了專家係統技（jì）術（shù），能夠像有經驗的控製工程師（shī）那樣，根據（jù）現場參數迅速地整定調節器。這種調節器特別（bié）適合於對（duì）象變化頻繁或（huò）非線性的控（kòng）製係（xì）統。由於這種調節器能夠自動整定調節參數，可使整個係（xì）統在生產過程中始（shǐ）終保持最佳品質。 

4、智能儀（yí）器發展趨勢 

 4.1微（wēi）型化 

　　微（wēi）型智（zhì）能儀器指微電子技術（shù）、微（wēi）機械技術、信息技術等綜合應用於儀（yí）器的生產中，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（xìn）號處理，控製信號的輸出、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（bú）斷發展（zhǎn），其（qí）技（jì）術不斷成（chéng）熟，價格不斷降低，因此其應用領域也（yě）將不斷擴大。它不但具有傳統儀器的功能，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。例如（rú），目前要同時測量一個病人的幾個不同的參量，並進行某些參量的控製，通常病人的體（tǐ）內要插進幾個管子（zǐ），這增加了病人感染的機會，微型智能（néng）儀器能同時（shí）測（cè）量多參數，而且體積（jī）小，可植入人體，使得這些問（wèn）題得到解決。 

 4.2多功能（néng）化 

　　多功能本身就是智能儀（yí）器儀表的一個特點。例如，為了設計速（sù）度較快和（hé）結構較複雜的數字係（xì）統，儀器（qì）生產廠家製造了具有脈衝發生器、頻（pín）率合成器和任意（yì）波形發生器等功能（néng）的函數發生器。這（zhè）種多功能的綜合型產品（pǐn）不但（dàn）在性能上(如準（zhǔn）確度)比專用脈衝發生器和頻率（lǜ）合成器高，而且在各種測（cè）試功能上提（tí）供了較好的解（jiě）決方案。 

 4.3人工智能（néng）化 

　　 人工智能是計算（suàn）機應（yīng）用的一個嶄新領域（yù），利用計算機模擬人的智能，用於（yú）機器人、醫療診斷、專家係統、推理證明（míng）等各方麵。智能（néng）儀器的進一步（bù）發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（ér）在視覺（jiào）(圖形及色彩辨讀)、聽覺（jiào）(語音識別及語言領悟)、思維(推理、判斷、學習與聯想（xiǎng）)等方麵具有一定的能力。這（zhè）樣，智能儀器可無需人的幹預而自主（zhǔ）地完成檢測或控製功（gōng）能（néng）。顯（xiǎn）然，人工智能在現代儀器儀表中的應用，使我（wǒ）們不僅可以解決用傳統方法很難解決的一類問題，而且可望解決用傳（chuán）統方法（fǎ）根本不能解（jiě）決的問題。 

4.4融（róng）合ISP和EMIT技術，實現儀器儀表係統的Internet接入(網絡化) 

　　 伴隨著網絡技（jì）術的飛速發（fā）展，Internet技術正在逐漸向工（gōng）業控製和智能（néng）儀器儀表係統設計領域滲透，實（shí）現智能儀器儀表係統基於Internet的通訊能力以及對設計好的智能儀器儀表係統進行遠程升級、功能重置和係（xì）統維（wéi）護。 

　　 在係統編（biān）程技術(In-System Programming，簡稱（chēng）ISP技術)是對軟件進行修改、組態或重組的一種最（zuì）新（xīn）技術。它是LATTICE半導體公司首先（xiān）提（tí）出的一種使菠萝蜜视频在线观看在產品（pǐn）設計、製造過程中的每個環節，甚至在產品賣給最（zuì）終用戶以後（hòu），具（jù）有（yǒu）對其器件、電路板或整個電子係統的邏（luó）輯和功能（néng）隨時進行組（zǔ）態（tài）或重組能力的最新技術。ISP技術消（xiāo）除了傳統技術的（de）某些限製和連接弊病，有利於在板設計、製造與編程。ISP硬件靈活且易於軟件修改，便於設計開發。由於ISP器件可以像任何其他器件一樣，在印刷電路板（bǎn）(PCB)上處理，因此編程ISP器件不需要專門編程器和較複雜的流程，隻要通過PC機，嵌入式係統處（chù）理器甚至INTERNET遠程網進行編程。 

　　 EMIT嵌入式微型因特網互（hù）聯技術是emWare公司創立ETI(eXtend the Internet)擴展Internet聯盟（méng）時提出的，它是一種將單片機等嵌入式（shì）設備接（jiē）入Internet的技術。利用該技術，能夠將8位和16位單片機係統接入Internet，實現（xiàn）基於Internet的遠程數據采集、智能控製、上傳／下載數據文件等功能。 

　　 目（mù）前美國ConnectOne公司（sī）、emWare公司、TASKING公司和國內的P＆S公（gōng）司等均提供基於Internet的DeviceNetworking的軟件、固件(Firmware)和硬件產品。 

4.5虛擬儀器是智能儀器發展的新（xīn）階段 

　　 測量儀器的主（zhǔ）要功能都是由數據采集、數據（jù）分析和數據顯示等三大部分組成的。在（zài）虛擬現實係（xì）統中，數據分析和顯（xiǎn）示完全用PC機的軟件來完成。因此，隻要額外（wài）提供一定的數據采集硬件，就可以與PC機組成測（cè）量儀（yí）器。這種基於PC機的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件係統，隻要應用不同（tóng）的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。可見，軟件係統是虛（xū）擬儀器的核心，“軟件就是儀器”。 

　　 傳統的（de）智能（néng）儀器主要在儀器技術中（zhōng）用了某種計算機技術，而虛擬儀器則強調在通用的計算機技術中吸收儀器技術。作（zuò）為虛擬儀器核心的軟（ruǎn）件係統具有通用性、通俗（sú）性、可視性、可擴展性和升級性，能為用戶帶（dài）來極大（dà）的利益，因此，具有傳統的智（zhì）能儀器所無法比擬的應用前（qián）景和市場。 

5、結束語 

　　智能儀器是計算機科學、電子學、數字信（xìn）號處理、人工（gōng）智能（néng）、VLSI等新興技術與傳統的儀（yí）器（qì）儀（yí）表技術的結合。隨著（zhe）專用集成電路、個人（rén）儀器等相關技術的發展，智（zhì）能儀器將會得到（dào）更加廣泛的應用。作為（wéi）智能儀器核心部件的單片計（jì）算機技術是推動智能儀器向小型化、多功（gōng）能化、更（gèng）加靈活（huó）的方向發展（zhǎn）的動力。可以預料，各（gè）種功能的（de）智能儀器在不遠（yuǎn）的將來會廣泛地使用在社會的各個領域。