智能儀器的設計與發(fā)展

智能儀器的設計與發(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換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送人多路模擬開關；由單片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，放大后的信號經(jīng)A/D轉換器轉換成相應的脈沖信號后送入單片機中；單片機根據(jù)儀器所設定的初值進行相應的數(shù)據(jù)運算和處理（如非線性校正等）；運算的結果被轉換為相應的數(shù)據(jù)進行顯示和打印；同時單片機把運算結果與存儲在片內(nèi)FlashROM或EPROM內(nèi)的設定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結果和控制要求，輸出相應的控制信號（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。智能儀器的結構如圖1所示。

圖1 智能儀器的一般結構   

    2、智能儀器的功能特點
   
    隨著微電子技術的不斷發(fā)展，以單片機為主體，將計算機技術與測量控制技術結合在一起，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，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)，來完成更復雜的測試任務。
   
    3、智能儀器的設計原則及研制
   
    智能儀器的研制開發(fā)是一個較為復雜的過程。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，應遵循正確的設計原則、按照科學的研制步驟來開發(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：儀器所用器件的質量和儀器結構工藝是影響可靠性的重要因素，故應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計時對元器件的負載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術參數(shù)應留有一定的余量，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)境的適應性。
   
    第二，軟件：采用模塊化設計方法，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。
   
    在硬件或軟件設計時，把復雜的、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。設計人員根據(jù)儀器功能和設計要求提出儀器設計的總任務，并繪制硬件和軟件總框圖（總體設計）。然后將任務分解成一批可獨立表征的子任務，這些子任務還可以再向下分，直到每個低級的子任務足夠簡單，可以直接而且容易地實現(xiàn)為止。這些低級子任務可采用某些通用模塊，并可作為單獨的實體進行設計和調(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。設計時不應盲目追求復雜、高級的方案。在滿足性能指標的前提下，應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、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀器的生產(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，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。 測厚儀| 測速儀| 轉速表| 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、結束語
   
    智能儀器是計算機科學、電子學、數(shù)字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術與傳統(tǒng)的儀器儀表技術的結合。隨著專用集成電路、個人儀器等相關技術的發(fā)展，智能儀器將會得到更加廣泛的應用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術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域。