仪器概论论文.doc

智能仪器的新发展 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物。在工业生产中，仪器是“倍增器”，通过智能仪器的测试与控制实现了施肥配方营养液。在军事上，仪器是“战斗力”。 智能仪器的基本结构如图1。与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点：操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。 图1 智能仪器的基本结构智能仪器的发展历史如图2，80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE488总线连接。不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。90年代，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强；微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力；图像处理功能的增加十分普遍；VXI总线得到广泛的应用。近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温的智能多段温度控制仪，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。国际上智能测量仪表更是品种繁多。VXI ChassisDAQ Boardswith RTSIFully Programmable SystemGUIIEEE 488 Rack and Stack SystemAnalog InstrumentationVirtual Instrumentation图2 仪器的发展历史 虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司在1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器系统公司推出的Apple II为基础的数字存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器。虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。与传统仪器一样，如果忽略它的跨网络的位置透明性，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块，功能模块划分如图3. 插入式DAQ卡VXI仪器GPIB仪器RS232信号处理统计数字滤波分析网络传输文件I/O硬复制图形用户接口虚拟仪器功能模块划分图3 虚拟仪器功能模块划分 VI的主要工作是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源处理相关的测试需求；基于Web的VI则更进一步，它是把仪器的前面板移植到Web页面上，通过Web服务器处理相关的测试需求。智能仪器在模拟仪器的基础上有了较大的发展，应用了许多计算机方面的技术，可以通过标准的IEEE488接口连接到普通计算机，仪器内部一般内置有处理器和存储器。但是由于IEEE488接口传输速度有限，智能仪器存在着实时性差、价格昂贵、扩展能力低以及开放性差的缺点，而且智能仪器也是由厂商定义的，用户通常是无法改变的。虚拟仪器（VI）克服了上述缺点，而将Web和虚拟仪器结合起来，使 VI拓展到真正的分布式网络测试应用环境中去，可以丰富测试手段，提高测试效率，充分合理地利用有效的资源。虚拟仪器将Web和虚拟仪器结合起来，使 VI拓展到真正的分布式网络测试应用环境中去，可以丰富测试手段，提高测试效率，充分合理地利用有效的资源。 基于Web的VI,简单说就是把VI技术和面向In-ternet的Web技术两者结合起来所产生的一种新技术。形象一点说,虚拟仪器是把传统仪器的前面板移植到计算机上来,用软件来取代硬件,而基于Web的虚拟仪器则是进一步延伸了前面板的概念,它把前面板移植到Web上,测试结果和测量数据可以通过Intranet在企业内部,或Internet在全世界的范围内实时地发布和共享。 VI依靠计算机强大的处理能力,除了具有高性能的显示技术、高速的存储系统和丰富的外部设备,同时还有丰富的软件系统,包括网络化的操作系统(如WindowsNT)、应用软件(如Internet Explorer),和网络性能非常强的VI软件(如National Instrument公司的Component-Works, G Web Server等)。所有这些条件使VI系统本身具备了强大的网络能力。Web技术是Internet的一个组成部分,如果说Internet是世界范围内计算机网络相互间连接的集合,那么Web可以说是在Internet顶部运行的一个协议。WWW具有相互通信的能力,具有友好的图形用户接口,而且有良好的平台独立性,所有这些都为把VI和Web结合起来奠定了坚实的基础。随着网络硬件设备的不断发展,基础设施的不断完善和网络软件的不断丰富,网络成本的不断降低，把网络作为VI的测试平台无论从技术上还是成本上都是完全可行的。图4是Web技术与虚拟仪器技术结合的模型。 图4 虚拟仪器和WWW结合模型 基于Web的虚拟仪器具有如下几个特点:第一、不同部门的用户均可通过浏览器来实时地查看测量结果,大大提高了工作效率。第二、可通过CGI(公共网关接口)、ASP(活动服务器页面)或JSP(Java服务器页面)等技术,实现浏览器和服务器之间的交互,进行远程控制测量。第三、管理和维护非常方便,只需在在测量节点或Web服务器进行修改即可,无须在客户端进行修改,大大减少了工作量。第四、用户还可以跨操作系统平台调用网络中其他计算机上的VI,例如可以操纵一台远程的使用Windows操作系统的计算机采集数据、然后指示一台功能强大的Linux计算机分析数据、并将数据在网络上进行发布。基于Web的虚拟仪器软件技术: 1.ActiveX技术 2.DataSocket服务器 3.Web服务器 ActiveX是由Microsoft公司定义并发布的一种开放性标准。它能够让软件开发者很方便、快速地在Internet、Intranet网络环境里，制作或提供生动活泼的内容与服务、编写功能强大的应用程序。ActiveX优点主要有以下几个方面：利用现成的1000多个ActiveX Controls，可以很容易开发出基于网络的应用程序。可以开发出能够充分发挥硬件与操作系统功能的应用程序与服务。这是由于所调用的ActiveX Controls与硬件及操作系统功能能够较紧密地结合的缘故。 跨操作系统平台，支持Windows、Macintosh、UNIX版本。 DataSocket是National Instrument提供的一种编程工具，借助它可以在不同的应用程序和数据源之间共享数据。DataSocket可以访问本地文件以及HTTP和FTP服务器上的数据。DataSocket为低层通讯协议提供了一致的API，编程人员无需为不同的数据格式和通讯协议编写具体的程序代码。而且通常这些数据源分布在不同的计算机上。 Web服务器支持标准的HTTP协议。调用内置的Monitor和Snap函数，使VI的前面板显现在浏览器中。支持CGI，实现对VI的远程交互式访问。支持SMTP，在VI中实现消息和文件的邮件方式发送。支持FTP，实现文件的自动上下载。 利用网络技术实现对对象的测试与控制，是对传统测控方式的革命。测控方式的网络化，是未来测控技术发展的必然趋势，它能充分利用现有资源和网络带来的益处，实现各种资源有效合理的配置。随着网络技术发展，基于Internet的虚拟仪器将为用户远程访问提供更快捷、更方便的服务。用户可以通过HTTP协议远程控制和访问测量仪器系统，可以进行远程排错、修复和监控测试。基于Internet的分布式虚拟实验室（Virtual Lab，VLab）将完成远程医疗诊治病人、虚拟太空测试实验、虚拟海底测试实验，也将为测控仪器的设计与使用带来许多意想不到的新思路。虚拟实验室是近几年随着因特网的迅速发展而提出来的，人们想通过虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术来操作和控制远程实验室内昂贵的科学仪器，科学家可以通过VLab进行科学研究，大学生们也可以通过VLab来共享资源有限的实验室，这种早年的梦想已经变成现实，其发展和应用前景十分广阔。Internet已遍及世界各地，利用Internet进行遥测遥控、协同研究以及网络化测试与控制将给人们带来极大的方便。 微处理器（Microprocessor）与传统传感器（Dumb Sensor）相结合，产生了功能强大的智能传感器（Intelligent Sensor或Smart Sensor），智能传感器的出现给传统工业测控带来了巨大的进步，在工业生产、国防建设和其他科技领域发挥着重要的作用。具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器是在智能传感器的基础上实现网络化和信息化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议。随着电子和信息技术的高速发展，通过软件方式或硬件方式可以将TCP/IP协议嵌入到智能化传感器中。目前已有多种嵌入式的TCP/IP芯片（如美国Seiko Instruments公司生产的ichip S7600A芯片），它们可直接用作网络接口，实现嵌入式Internet的网络化仪器。 继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分布式控制系统之后，基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用，这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千差万别，其内部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。目前市场上，在通讯方面所遵循的标准主要有：IEEE803.2(以太网)，IEEE802.4(令牌总线)，IEEE FDDI(光纤分布式数据界面)，TCP/IP(传输控制协议/互联协议)等，以此来连接各种变送器（包括传感器和执行器），要求所选的传感器/执行器必须符合上述标准总线的有关规定。 一般说来，这类测控系统的构成都可以采用如下图5所示的结构来描述。该图简单地表示了一种分布式测量和控制系统的典型应用事例，是目前市场比较常见的现场总线系统结构图。 图5 一种分布式测控系统结构示意图 采用IEEE1451标准的主要目的如下：1.通过提供一个与传统传感器兼容的通用IEEE1451传感器通信接口使得传感器具有即插即用功能。2.简化了智能传感器的开发。