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智能儀器的工作原理及發(fā)展

時間:2009/5/8閱讀:2135
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智能儀器的出現(xiàn),極大地擴(kuò)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(qiáng)、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)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān);由單片機(jī)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(jī)中;單片機(jī)根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進(jìn)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(jìn)行顯示和打??;同時單片機(jī)把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)FlashROM閃速存儲器或E2PROM電可擦除存貯器內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)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(jī)組成分布式測控系統(tǒng),由單片機(jī)作為下位機(jī)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(jī)——PC機(jī),由PC機(jī)進(jìn)行全局管理。
    2. 智能儀器的功能特點
    隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,集成了CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器甚至A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片即單片機(jī)出現(xiàn)了。以單片機(jī)為主體,將計算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起,又組成了所謂的“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(jī)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(zhǔn)、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行,同時也可在儀器工作中運行,極大地方便了儀器的維護(hù)。
 
 ?、劬哂袛?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(jī)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。例如,傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等,而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進(jìn)行上述測量,而且還具有對測量結(jié)果進(jìn)行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能,不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來,也有效地提高了儀器的測量精度。
 
 ?、芫哂杏押玫娜藱C(jī)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(biāo)準(zhǔn)的通信接口,可以很方便地與PC機(jī)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. 智能儀器的發(fā)展概況
  80年代,微處理器被用到儀器中,儀器前面板開始朝鍵盤化方向發(fā)展,測量系統(tǒng)常通過IEEE—488總線連接。不同于傳統(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器得到了發(fā)展等。
 
  90年代,儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個方面:微電子技術(shù)的進(jìn)步更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計;DSP芯片的問世,使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強(qiáng);微型機(jī)的發(fā)展,使儀器儀表具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力;圖像處理功能的增加十分普遍;VXI總線得到廣泛的應(yīng)用。
 
  近年來,智能化測量控制儀表的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣智能化測量控制儀表,例如,能夠自動進(jìn)行差壓補(bǔ)償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計,能夠進(jìn)行程序控溫的智能多段溫度控制儀,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID和各種復(fù)雜控制規(guī)律的智能式調(diào)節(jié)器,以及能夠?qū)Ω鞣N譜圖進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理的智能色譜儀等。
 
  上智能測量儀表更是品種繁多,例如,美國HONEYWELL公司生產(chǎn)的DSTJ-3000系列智能變送器,能進(jìn)行差壓值狀態(tài)的復(fù)合測量,可對變送器本體的溫度、靜壓等實現(xiàn)自動補(bǔ)償,其精度可達(dá)到±0.1%FS;美國RACA-DANA公司的9303型超高電平表,利用微處理器消除電流流經(jīng)電阻所產(chǎn)生的熱噪聲,測量電平可低達(dá)-77dB;美國FLUKE公司生產(chǎn)的超級多功能校準(zhǔn)器5520A,內(nèi)部采用了3個微處理器,其短期穩(wěn)定性達(dá)到1ppm,線性度可達(dá)到0.5ppm;美國FOXBORO公司生產(chǎn)的數(shù)字化自整定調(diào)節(jié)器,采用了專家系統(tǒng)技術(shù),能夠像有經(jīng)驗的控制工程師那樣,根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)迅速地整定調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器特別適合于對象變化頻繁或非線性的控制系統(tǒng)。由于這種調(diào)節(jié)器能夠自動整定調(diào)節(jié)參數(shù),可使整個系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中始終保持*品質(zhì)。
    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(jī)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(jī)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(kuò)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*的作用。例如,目前要同時測量一個病人的幾個不同的參量,并進(jìn)行某些參量的控制,通常病人的體內(nèi)要插進(jìn)幾個管子,這增加了病人感染的機(jī)會,微型智能儀器能同時測量多參數(shù),而且體積小,可植入人體,使得這些問題得到解決。
    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)品不但在性能上如準(zhǔn)確度比脈沖發(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(jī)應(yīng)用的一個嶄新領(lǐng)域,利用計算機(jī)模擬人的智能,用于機(jī)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(jìn)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。顯然,人工智能在現(xiàn)代儀器儀表中的應(yīng)用,使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問題,而且可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的問題。
    4.4 融合ISP和EMIT技術(shù),實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入網(wǎng)絡(luò)化
  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(jìn)行遠(yuǎn)程升級、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。
 
  在系統(tǒng)編程技術(shù)In-System Programming,簡稱ISP技術(shù)是對軟件進(jìn)行修改、組態(tài)或重組的一種技術(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zui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(jìn)行組態(tài)或重組能力的技術(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(jī),嵌入式系統(tǒng)處理器甚至INTERNET遠(yuǎn)程網(wǎng)進(jìn)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ETIeXtend the Internet擴(kuò)展Internet聯(lián)盟時提出的,它是一種將單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)接入Internet,實現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳/下載數(shù)據(jù)文件等功能。
 
  目前美國ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和國內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的DeviceNetworking的軟件、固件Firmware和硬件產(chǎn)品。
    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*用PC機(jī)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(jī)組成測量儀器。這種基于PC機(jī)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*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(jī)技術(shù),而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計算機(jī)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(kuò)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*的應(yīng)用前景和市場。
    5. 結(jié)束語
 
  智能儀器是計算機(jī)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(jī)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(yuǎn)的將來會廣泛地使用在社會的各個領(lǐng)域。

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