智能儀器的設(shè)計與發(fā)展

智能儀器的設(shè)計與發(fā)展

智能儀器的出現(xiàn)，極大地擴充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送人多路模擬開關(guān)；由單片機逐路選通模擬開關(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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理（如非線性校正等）；運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行顯示和打��；同時單片機把運算結(jié)果與存儲在片內(nèi)FlashROM或EPROM內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號（如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等）。此外，智能儀器還可以與PC機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機——PC機，由PC機進行全局管理。智能儀器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能儀器的一般結(jié)構(gòu)   

    2、智能儀器的功能特點
   
    隨著微電子技術(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(jié)合在一起，組成了所謂的“智能化測量控制系統(tǒng)”，也就是智能儀器。與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點：
   
    1）操作自動化。儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)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控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。
   
    2）具有自測功能，包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等，極大地方便了儀器的維護。
   
    3）具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)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能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，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機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復(fù)雜的測試任務(wù)。
   
    3、智能儀器的設(shè)計原則及研制
   
    智能儀器的研制開發(fā)是一個較為復(fù)雜的過程。為完成儀器的功能，實現(xiàn)儀器的指標，提高研制效率，并能取得一定的研制效益，應(yīng)遵循正確的設(shè)計原則、按照科學(xué)的研制步驟來開發(fā)智能儀器。
   
    儀器可靠性是最突出也是最重要的，應(yīng)采取各種措施提高儀器的可靠性，從而保證儀器能長時間穩(wěn)定工作。
   
    第一，硬件：儀器所用器件的質(zhì)量和儀器結(jié)構(gòu)工藝是影響可靠性的重要因素，故應(yīng)合理選擇元器件和采用在極限情況下進行試驗的方法。所謂合理選擇元器件是指在設(shè)計時對元器件的負載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術(shù)參數(shù)應(yīng)留有一定的余量，并對元器件進行老化和篩選。而極限情況下的試驗是指在研制過程中，一臺樣機要承受低溫、高溫、沖擊、振動、干擾、煙霧等試驗，以保證其對環(huán)境的適應(yīng)性。
   
    第二，軟件：采用模塊化設(shè)計方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進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(shè)計時，把復(fù)雜的、難處理的問題，分為若干個較簡單的、容易處理的問題，然后再一個個地加以解決。設(shè)計人員根據(jù)儀器功能和設(shè)計要求提出儀器設(shè)計的總?cè)蝿?wù)，并繪制硬件和軟件總框圖（總體設(shè)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，直到每個低級的子任務(wù)足夠簡單，可以直接而且容易地實現(xiàn)為止。這些低級子任務(wù)可采用某些通用模塊，并可作為單獨的實體進行設(shè)計和調(diào)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，取決于研制成本、生產(chǎn)成本、使用成本。設(shè)計時不應(yīng)盲目追求復(fù)雜、高級的方案。在滿足性能指標的前提下，應(yīng)盡可能采用簡單成熟的方案，意味著元器件少，開發(fā)、調(diào)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(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和軟件開發(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(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。
   
    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(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。
   
    4.3 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。
   
    4.4 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)進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。
   
    在系統(tǒng)編程技術(shù)（In-System Programming，簡稱ISP技術(shù)）是對軟件進行修改、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遠程網(wǎng)進行編程。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。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(shù)中用了某種計算機技術(shù)，而虛擬儀器則強調(diào)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(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(yīng)用前景和市場。 測厚儀| 測速儀| 轉(zhuǎn)速表| 壓力表| 壓力計| 真空表| 硬度計| 探傷儀| 電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀
    
    5、結(jié)束語
   
    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)的儀器儀表技術(shù)的結(jié)合。隨著專用集成電路、個人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會得到更加廣泛的應(yīng)用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術(shù)是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動力�？梢灶A(yù)料，各種功能的智能儀器在不遠的將來會廣泛地使用在社會的各個領(lǐng)域。