智能儀器的發(fā)展及其對儀器功能的影響

智能儀器的發(fā)展及其對儀器功能的影響

1智能儀器的發(fā)展近年來，隨著微型計算機和小冊子的發(fā)展和應(yīng)用，智能儀器出現(xiàn)了一種新的專用軟件。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(yīng)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(dǎo)方向。它的不斷發(fā)展對自動控制、電子技術(shù)、國防工程、航天技術(shù)與科學(xué)試驗等將產(chǎn)生極其深遠的影響。2智能儀器組成智能儀器的概念,是把微處理器或計算機與傳統(tǒng)的儀器儀表結(jié)合起來,使它能適應(yīng)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。智能儀器的組成框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集與輸入輸出技術(shù)(包括鍵盤及接口、LED顯示器及接口、CRT顯示器等)是智能儀器的硬件基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)與信號處理技術(shù)是智能儀器的軟件基礎(chǔ)。因而智能儀器也可說是人工智能、信號處理、計算機科學(xué)、微電子學(xué)等新興科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由此而決定了智能儀器儀表結(jié)構(gòu)上的某些基本特點。2.1靈活的間接口與儀器功能部件的設(shè)計由于智能儀器廣泛采用了鍵盤、LED顯示或CRT裝置,這就使人——儀間接口與儀器功能部件的設(shè)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(guān)控制操作機構(gòu)的設(shè)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故障診斷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智能儀器的邏輯補償功能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高。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、極值及其它統(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儀器自動校正智能儀器可以進一步提高儀器的性能指標。它通過內(nèi)設(shè)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,而且還能校正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(yīng)誤差。2.5單車控制操作由于儀器的整個測量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(guān)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儀器接口接口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GPIB(IEEE——488標準接口)或RS——232C接口,使儀器不僅可實現(xiàn)本地輸入/輸出,而且還具有可程控能力,實現(xiàn)遠程輸入/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主機的設(shè)計目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、面板輸入及顯示裝置則可稱為外圍器件,不過這些外設(shè)與主機是一個統(tǒng)一體,而且裝在同一機箱內(nèi)。對智能儀器而言,在其設(shè)計中也有很多問題具有特殊性。下面有關(guān)設(shè)計的幾個技術(shù)問題,是值得注意的。3.1采樣頻率要求數(shù)據(jù)采集技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各類智能儀器中,由它構(gòu)成儀器的硬件基礎(chǔ)之一。智能儀器中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)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息,系統(tǒng)采樣頻率應(yīng)滿足采樣定理的要求。一般在工程上采樣頻率應(yīng)取被采樣信號所含最高頻率的K倍(一般取K≥10～20)。在智能儀器中,除了通常使用的“定時采樣”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)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(shè)計大為簡化。3.2自動測試系統(tǒng)智能儀器是通過其微處理器而控制整個測量過程。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。因此,輸入輸出技術(shù)也已成為智能儀器硬件基礎(chǔ)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部分有:鍵盤、LED顯示,CRT顯示器、微型打印機、軟盤驅(qū)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(guān)和旋鈕、用CRT顯示器顯示各種字符及有關(guān)的圖形或圖表。3.3其他非電測量、工業(yè)自動化控制及低通濾器的相關(guān)測量系統(tǒng)組成在智能儀器中,模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與數(shù)模轉(zhuǎn)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(lǐng)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(zhuǎn)換。如圖2所示。被測信號在時間上和幅度上均要作量化處理,時間量化要求信號帶寬有限,以免發(fā)生混疊影響,而幅度量化會引起以信號噪音形式出現(xiàn)的量化誤差。然后通過模擬轉(zhuǎn)換得到一個階梯波信號。最后經(jīng)低通濾器平滑掉其高頻部份?？梢?數(shù)字濾波也是信號處理技術(shù)中很重要的一環(huán)。3.4數(shù)據(jù)處理功能智能儀器借助于內(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(shù)運算的數(shù)據(jù)處理技術(shù)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(shù)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(shù)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。一般測量時,先由傳感器將外界物理量轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)在在線狀態(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(zé)調(diào)度各應(yīng)用程序模塊,并與鍵盤、顯示器和打印機等外設(shè)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(shè)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(wù)處理提出要求,此時系統(tǒng)軟件應(yīng)具有較強的實時處理能力和多任務(wù)的管理功能。同時進行多個參數(shù)測試任務(wù),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(shè)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(shè)計加以減少或清除。4fpga智能儀器智能儀器與其它的設(shè)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4位微處理器的數(shù)字萬用表)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(xué)儀器等各個領(lǐng)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(LA)和波形分析儀(WA)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解決本身設(shè)計來解決這是因為許多高性能指標的要求,很難從儀表本身的設(shè)計來解決。例如高頻、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高速度和低功耗等要求,就必須依靠有關(guān)電路器件的設(shè)計制作水平和軟件的開發(fā)能力等。4.2信號檢測能力由于信號檢測傳感器技術(shù)的發(fā)展與進步,形成了新一代具有自診斷、自修復(fù)、智能化且有較強適應(yīng)性有敏感元件。而微電子技術(shù)的這一進步又將敏感元件與測量值的預(yù)處理兩者合而為一體,從而極大提高了信號檢測能力,這也促進了智能儀器的有關(guān)測試能力的提高。特別是集成式微型智能傳感器的出現(xiàn),它利用集成電路制作技術(shù)和微機械加工技術(shù)將用途廣泛的傳感器元件與功能強大的電子線路集成在同一芯片內(nèi)。具有體積小、速度快、成本低、功耗小、可靠性高、精確度高以及性能優(yōu)越、功能強大等優(yōu)點。將智能傳感器融入智能儀器內(nèi),是具有可觀的發(fā)展前景的。另外,智能儀器的出現(xiàn)一開始就與信號處理技術(shù)緊密相關(guān)。目前信號處理已由一維、二維處理向三維(全息)處理發(fā)展,并已由頻域處理向時域處理發(fā)展。這樣,信號處理學(xué)科的一些新成果,已在極大地增加智能儀器中有關(guān)的信號處理功能。4.3數(shù)據(jù)域測量儀器智能儀器的發(fā)展,將進一步反映出經(jīng)典的頻域或時域測量技術(shù)與現(xiàn)代計算機技術(shù)的進步是如何的不相適應(yīng)。目前,數(shù)據(jù)域測量儀器包括有:集成電路測試儀、邏輯分析儀、仿真器、字符發(fā)生器、特征信號分析儀以及微型機開發(fā)系統(tǒng)等。這類儀器的一些新產(chǎn)品具有一定的自學(xué)習(xí)功能,并帶有資料庫可以在現(xiàn)場用極簡單的操作來完成復(fù)雜的檢測工作。4.4生產(chǎn)控制儀器目前生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)較為先進的形式是集散系統(tǒng)(TotalDistrributedControlSystem)。它可以完成企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度、過程控制與各種管理協(xié)調(diào)等任務(wù)。在這個系統(tǒng)中,面向過程控制的最低層是控制層,它是由各種數(shù)字調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)記錄儀、采集裝置、可編程控制器和各種直接數(shù)字控制設(shè)備等組成。過程色譜儀、材料分析處理儀器等設(shè)備,也將作為在線儀器而直接用于生產(chǎn)過程中。智能儀器的發(fā)展,已推動生產(chǎn)控制儀器的進一步更新?lián)Q代。如現(xiàn)場總線(Filbbus)測控系統(tǒng)中所用智能儀器,它們不但具有一般智能儀器所特有的運算,顯示及自檢等功能外,還具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能,可通過現(xiàn)場總線,將所測實時參數(shù)送至控制微機或PLC。4.5腦力勞動的組成智能儀器的進一步發(fā)展應(yīng)含有一定的人工智能。即利用電路設(shè)計和軟件設(shè)計來代替人的一部分腦力勞動。從而在視覺(圖形及色彩辨讀)、聽覺(語音識別及語言領(lǐng)悟)、思維(推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想)等方面應(yīng)具有一