智能仪表-第1章概述

智能仪表狄艳娇智能仪表概述

智能仪表的组成结构智能仪表的主要特点智能仪表的发展趋势1.仪器仪表概述一.仪器仪表定义、作用、行业分类

仪器仪表是信息获取的工具、是认识世界的手段，是一个系统或装置。

最基本的作用：是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。仪器仪表种类繁多，如测量仪器，分析仪器，生物医疗仪器，地球探测仪器，天文仪器，航空航天航海仪表，汽车仪表，电力，石油，化工仪表等，遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落。二、仪表的发展历程

（1）20世纪50年代末：应用和处理的信号均为模拟量，如指针式电压表、电流表、功率表记录仪、电子示波器、信号发生器及一些通用的测试仪器，均为典型的模拟式仪器。——模拟式仪器仪表（又称指针式仪表）。

特点：体积大、价格高、功能简单、结构复杂、精度低、可靠性差、响应速度慢，难以大范围推广应用。（2）20世纪60年代：以集成电路芯片为基础的数字压力表、数字电流表、数字式测温仪、数字频率计等。——数字式仪器仪表。它们的基本工作原理是将待测的模拟信号转换成数字信号并进行测量，测量结果以数字形式输出显示。数字式电子仪器与第一代模拟式电子仪器相比，具有精度高、速度快、读数清晰、直观的特点。其结果既能以数字形式输出显示，还可以通过打印机打印输出。此外，由于数字信号便于远距离传输，因此数字式电子仪器适用于遥测遥控。（3）20世纪70年代以后：单片机和各种通用标准总线接口（GPIB）的出现；微电子技术发展，微机问世。——智能仪器仪表。

这一代仪器是计算机科学、通信技术、微电子学、数字信号处理、人工智能等新兴技术与传统电子仪器相结合的产物。智能型仪器的主要特征是仪器内部含有微处理器（或单片机），它具有数据存储、运算和逻辑判断的能力，能根据被测参数的变化自动选择量程，可实现自动校正、自动补偿、自寻故障，以及远距离传输数据、遥测遥控等功能，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作。也就是说，这种仪器具备了一定的智能，故称为智能仪器。（4）20世纪80年代：美国国家仪器公司（NI）首先提出了“虚拟仪器”(VirtualInstrument,VI)的概念。虚拟仪器就是以通用计算机为基础，加上特定的硬件接口设备和为实现特定功能而编制的软件而形成的一种新型仪器。——虚拟仪器仪表。仪器前面板开始朝键盘方向发展，采用机柜形式，通过IEEE-488总线送到一个控制器上。（5）现在：正在发展适合现场总线控制、各种分布式控制和网络控制的智能仪表。三.仪器仪表的重要性（1）仪器及检测技术已成为促进当代生产的主流环节、仪器整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一；（2）先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提，也是创新研究的主体内容之一和创新成就的重要体现形式，科学仪器的创新是知识创新与技术创新的组成部分；（3）仪器是信息的源头技术。仪器仪表是：国民经济的“倍增器”科学研究的“先行官”

现代战争的“战斗力”法庭审判的“物化法官”

王大珩院士：“能不能创造高水平的科学仪器和设备体现了一个民族、一个国家的创新能力。发展科学仪器设备应当视为国家战略。”

科学仪器是信息的源头科学仪器产业是信息产业1.2智能仪表的基本概念智能仪表是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量(或检测)仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，具有一定智能的作用。一.智能仪表分类智能仪表四个层次

高级智能人工智能趋势模型化系统辨识、模式识别初级智能计算机、信号处理聪敏电子、传感、测量兼容聪敏仪器类

初级智能仪表类

模型化智能仪表类

高级智能仪表类

二.智能仪表的基本结构

其结构可有两种基本类型:●微机内嵌式

●微机扩展式将单片或多片的微机芯片与仪器有机地结合在一起形成的单机。以个人计算机(PC)为核心的应用扩展型测量仪器。个人计算机仪器或称微机卡式仪器。单片机或DSPRAM、EPROMI/O接口D/AA/DRS232USB打印机键盘、开关、显示器传感器电量非电量内嵌微处理器智能仪表的基本结构输入通道输出通道外部通信A/D转换器D/A转换器输入电路模拟执行器I/O接口被测量微处理器MPU程序存储器(ROM)数据存储器(RAM)标准仪用通讯接口键盘显示接口键盘显示外部仪用标准总线

智能仪表卡式仪器的演变计算机部分测试部分

卡式仪器将智能仪表中的测量部分配以相应的接口，制成各种功能的仪器卡，插入到PC机的扩展槽中，而原智能仪表中的微机系统、键盘、显示器、存贮器、电源等均借助于PC机的资源而构成的。卡式仪器的硬件结构计算机仪器卡缺少仪器面板——

建立软面板个人仪器结构图个人计算机总线扩展槽软件电源PC总线GPIB总线扩展底板或外部插件箱仪器插件通用接口仪器插件仪器插件…12n

个人仪器结构图

普通台式PCI工控机PCI笔记本PCI虚拟仪器：虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的特点：软件是虚拟仪器的核心；虚拟仪器的性价比高；具有良好的人机界面；具有与其它设备互联的能力。虚拟示波器三.智能仪表的主要特点◆测量过程的软件控制：

CPU→软件控制测量过程

“以软代硬”→灵活性强、可靠性强◆数据处理：

随机误差、系统误差、非线性校准等处理→改善测量的精确度

数字滤波、相关、卷积、反卷积、幅度谱、相位谱、功率谱等信号分析→提供更多高质量的信息量◆多功能化：一机多用■智能型压力变送器

智能型压力或差压变送器是在普通压力或差压传感器的基础上增加微处理器电路而形成的智能检测仪表。可进行远程通信

利用手持通信器，可对现场变送器进行各种运行参数的选择和标定；其精确度高，使用与维护方便。

特点51举例以美国费希尔-罗斯蒙特公司的3051C型智能差压变送器为例介绍其工作原理。

3051C型智能差压变送器（4～20mA）方框图52手持通信器的连接示意图

3051C型智能差压变送器所用的手持通信器为275型，带有键盘及液晶显示器。可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。

实现的功能（1）组态（2）测量范围的变更（3）变送器的校准（4）自诊断

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要对智能型差压变送器每五年校验一次，智能型差压变送器与手持通信器结合使用，可远离生产现场，尤其是危险或不易到达的地方，给变送器的运行和维护带来了极大的方便。注意541.3推动智能仪表发展的主要技术（1）传感器技术；（2）A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围；（3）单片机与DSP的广泛应用；（4）嵌入式系统与片上系统SOC的应用；（5）ASIC、FPGA／CPLD技术；（6）LabVlEW等图形化软件技术；（7）网络与通信技术。（1）微型化（2）多功能化1.4智能仪表发展趋势（3）人工智能化（5）通信与控制网络化（4）部分结构虚拟化（1）微型化

智能仪器的微型化是指将微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于智能仪器的设计与生产中，从而使仪器成为体积较小、功能齐全的智能化仪器。它能够完成信号采集，线性化处理，数字信号处理，控制信号的输出、放大，与其他仪器接口以及与人交互等功能。微型智能仪器随着微电子技术、微机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也必将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗等领域起到独特的作用。

（2）多功能化

多功能本身就是智能仪器的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等多种功能合一的函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上（如准确度）比专用脉冲发生器和频率合成器高，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。

（3）人工智能化

人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各个方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。这样，智能仪器可以无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且还可望解决用传统方法根本不能解决的一些问题。

（4）部分结构虚拟化

测试仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。随着计算机应用技术的不断发展，人们利用PC机强大的图形环境和在线帮助功能，建立了图形化的虚拟仪器面板，完成了对仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示等功能。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称之为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要使用不同的软件编程，就可以得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，因此，也有人称“软件就是仪器”。

（5）通信与控制网络化