智能仪器的发展及其对仪器功能的影响

智能仪器的发展及其对仪器功能的影响

1智能仪器的发展近年来，随着微型计算机和小册子的发展和应用，智能仪器出现了一种新的专用软件。这种仪器以微处理器或单片机为核心,具有信息采集、显示、处理、传输以及优化检测与控制等多种功能。有些甚至还具有专家推断、逻辑分析与决策的能力。智能仪器的出现,极大地扩充了常规仪器的应用范围。由于智能仪器一开始就显示它强大的生命力,目前已成为仪器仪表发展的一个主导方向。它的不断发展对自动控制、电子技术、国防工程、航天技术与科学试验等将产生极其深远的影响。2智能仪器组成智能仪器的概念,是把微处理器或计算机与传统的仪器仪表结合起来,使它能适应被测参数的变化,能自动补偿、自动选择量程、自动校准、自寻故障、自动进行指标判断,以及进行逻辑操作,定量控制与程序控制等。可见,微处理器与大容量存贮器是智能仪器的核心。智能仪器的组成框图如图1所示。数据采集与输入输出技术(包括键盘及接口、LED显示器及接口、CRT显示器等)是智能仪器的硬件基础。数据处理技术与信号处理技术是智能仪器的软件基础。因而智能仪器也可说是人工智能、信号处理、计算机科学、微电子学等新兴科学技术与传统仪器仪表技术相结合的产物。由此而决定了智能仪器仪表结构上的某些基本特点。2.1灵活的间接口与仪器功能部件的设计由于智能仪器广泛采用了键盘、LED显示或CRT装置,这就使人——仪间接口与仪器功能部件的设计可完全独立地进行,从而明显地改变了传统仪器前面板及有关控制操作机构的设计,这样使面板控制采用灵活的数字键和功能键,或兼有这类按键的编程能力。由此带来了仪器使用上的极大方便。2.2故障诊断功能智能仪器在使用时,若出现故障可事先被自检出来。同时还能诊断出仪器所发生故障的根源和部位。这种自测试不仅可在仪器启动时进行,同时也可在仪器运行中进行。2.3智能仪器的逻辑补偿功能智能仪器由于采用了微处理器或单片机,它就具有了一定的数据处理能力(如计算、变换、误差修正等)。这就使其功能有了极大的提高。许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题,现可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,交直流的电压电流。而智能仪器不仅可量测这类参数,而且还能计算出诸如百分率偏移,比例、极值及其它统计参数等。采用间接的测量方法,来扩展其测量功能。2.4仪器自动校正智能仪器可以进一步提高仪器的性能指标。它通过内设的微处理器或单片机的数据处理,可实现仪器的自动校正,能对某一参数进行多次测量后取其平均值,从而提高仪器本身的测量精度。仪器自动校零时,不仅可以清除由于漂移,增益不稳定等因素所引起的误差,而且还能校正由于使用各种传感器、变换器所带来的某些非线性误差或频率响应误差。2.5单车控制操作由于仪器的整个测量过程是用微处理器或单片机控制操作,如键盘扫描、量程选择、开关启闭、数据采集、传输、处理以及显示打印等,从而实现测量过程的全部自动化。2.6仪器接口接口智能仪器由于配有标准的对外接口总线,如仪器专用接口总线GPIB(IEEE——488标准接口)或RS——232C接口,使仪器不仅可实现本地输入/输出,而且还具有可程控能力,实现远程输入/输出。正是通过这些标准接口总线,组成用户所需的各种多功能的自动测量系统。3主机的设计目智能仪器实际上是一个微处理器系统。如按微机的划分方法,将微处理器和存贮器称为主机,其余部分,包括功能插件、硬件模块、面板输入及显示装置则可称为外围器件,不过这些外设与主机是一个统一体,而且装在同一机箱内。对智能仪器而言,在其设计中也有很多问题具有特殊性。下面有关设计的几个技术问题,是值得注意的。3.1采样频率要求数据采集技术已被广泛应用到各类智能仪器中,由它构成仪器的硬件基础之一。智能仪器中的数据采集系统的主要技术指标有:分辨率、精度、输入信号电平、采集速度以及共模噪声抑制能力等。为了不丢失被采样信号的信息,系统采样频率应满足采样定理的要求。一般在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的K倍(一般取K≥10～20)。在智能仪器中,除了通常使用的“定时采样”外,还经常使用“变步长采样”。这种采样方法不论被测信号频率为多少,均可确保在一个信号周期内均匀采样的点数总共为N个不变。这种采样方法由于采样信号周期随被测信号周期变化而变化,故通称为“变步长采样”。显然,它既能满足仪器的精度要求,又能合理地使用仪器中计算机的内存单元。并能使增强仪器功能所要求的数据处理软件的设计大为简化。3.2自动测试系统智能仪器是通过其微处理器而控制整个测量过程。一般它要通过各种输入输出部件与外界进行通讯联系。近年来,随着智能仪器由对被测对象的个别参数的检测,发展到以一个自动测试系统对被测系统作全面的综合特性的测试,则智能仪器内部所包含的输入输出部件也日益增多。因此,输入输出技术也已成为智能仪器硬件基础的又一个重要组成部分。目前,在一般智能仪器上常采用的输入输出部分有:键盘、LED显示,CRT显示器、微型打印机、软盘驱动器、步进电机和绘图仪等。用键盘取代传统测量仪器面板上的开关和旋钮、用CRT显示器显示各种字符及有关的图形或图表。3.3其他非电测量、工业自动化控制及低通滤器的相关测量系统组成在智能仪器中,模数转换器ADC与数模转换器DAC是不可缺少的重要部件。它们是数字电压表、数字功率表、数字示波器以及数字信号处理系统和数字采集系统中的核心部件。此外,在各种非电测量、工业自动化控制以及医疗电子器件等领域中也是必不可少的部件。在处理模拟信号的数字系统中,首先对模拟信号采样以得到输入序列,然后再对其进行转换。如图2所示。被测信号在时间上和幅度上均要作量化处理,时间量化要求信号带宽有限,以免发生混叠影响,而幅度量化会引起以信号噪音形式出现的量化误差。然后通过模拟转换得到一个阶梯波信号。最后经低通滤器平滑掉其高频部份。可见,数字滤波也是信号处理技术中很重要的一环。3.4数据处理功能智能仪器借助于内含微处理器的运算操作,可具有多种数据处理功能。采用算术运算的数据处理技术有乘常数操作,偏移运算、比例运算和百分率误差的计算等。采用逻辑运算的数据处理技术有极值的判别,报警与峰值检测等。采用微极分运算的数据处理技术有数字微分算法和数字积分算法等。另外,利用算法来改善仪器硬件(特别是模拟硬件)的性能,也是常见到的事情。线性化是智能仪器极重要的一项处理功能。一般测量时,先由传感器将外界物理量转换成仪器所要求的电量(如电压、电流、电阻),如果传感器的检测特性是非线性的,此时智能仪器必须具有线性化的处理功能,而线性化的关键就是先要求出校正函数。智能仪器的系统软件不是单一的控制程序,而是使仪器正常运行必不可少的软件系统。藉以实现人机对话与系统资源的合理的有效使用。它应在在线状态下,接受来自键盘或总线接口的操作命令,解释与执行命令,它负责调度各应用程序模块,并与键盘、显示器和打印机等外设交换信息。无论何种类型的智能仪器,都可以从仪器本身的功能要求出发,提出几种常用的智能仪器系统软件的设计方法。如循环优先作业调度程序;键盘分析作业调度程序;状态分析法与具有自动菜单选择功能的监控程序。某些仪器对系统软件的实时多任务处理提出要求,此时系统软件应具有较强的实时处理能力和多任务的管理功能。同时进行多个参数测试任务,并具有较强的人机交互能力。必须指出,使用仪器测量会存在测量系统误差。但利用智能仪器内设微处理器的数据处理功能,可以显著减小测量过程中出现的系统误差与随机误差,从而提高测量的准确度。无论是系统误差还是随机误差,都可以通过各种算法和软件设计加以减少或清除。4fpga智能仪器智能仪器与其它的设备或器件一样,同样也经历了几代的发展阶段。第一代为模拟仪表,第二代为数字仪表,第三代则为智能仪器。自第一台智能仪器(装有4位微处理器的数字万用表)于1975年出现之后,微处理器就很快进入了传统电测仪表以及大型分析仪器和光学仪器等各个领域。这类产品有数字电压表(DVM)、数字成用表(DMM)、数字式存贮示波器(DSO)、逻辑分析仪(LA)和波形分析仪(WA)等。通过智能仪表的不断完善,它的发展呈现了如下的一些趋势。4.1解决本身设计来解决这是因为许多高性能指标的要求,很难从仪表本身的设计来解决。例如高频、高灵敏度、高稳定性、高速度和低功耗等要求,就必须依靠有关电路器件的设计制作水平和软件的开发能力等。4.2信号检测能力由于信号检测传感器技术的发展与进步,形成了新一代具有自诊断、自修复、智能化且有较强适应性有敏感元件。而微电子技术的这一进步又将敏感元件与测量值的预处理两者合而为一体,从而极大提高了信号检测能力,这也促进了智能仪器的有关测试能力的提高。特别是集成式微型智能传感器的出现,它利用集成电路制作技术和微机械加工技术将用途广泛的传感器元件与功能强大的电子线路集成在同一芯片内。具有体积小、速度快、成本低、功耗小、可靠性高、精确度高以及性能优越、功能强大等优点。将智能传感器融入智能仪器内,是具有可观的发展前景的。另外,智能仪器的出现一开始就与信号处理技术紧密相关。目前信号处理已由一维、二维处理向三维(全息)处理发展,并已由频域处理向时域处理发展。这样,信号处理学科的一些新成果,已在极大地增加智能仪器中有关的信号处理功能。4.3数据域测量仪器智能仪器的发展,将进一步反映出经典的频域或时域测量技术与现代计算机技术的进步是如何的不相适应。目前,数据域测量仪器包括有:集成电路测试仪、逻辑分析仪、仿真器、字符发生器、特征信号分析仪以及微型机开发系统等。这类仪器的一些新产品具有一定的自学习功能,并带有资料库可以在现场用极简单的操作来完成复杂的检测工作。4.4生产控制仪器目前生产过程控制系统较为先进的形式是集散系统(TotalDistrributedControlSystem)。它可以完成企业的生产调度、过程控制与各种管理协调等任务。在这个系统中,面向过程控制的最低层是控制层,它是由各种数字调节器、数据记录仪、采集装置、可编程控制器和各种直接数字控制设备等组成。过程色谱仪、材料分析处理仪器等设备,也将作为在线仪器而直接用于生产过程中。智能仪器的发展,已推动生产控制仪器的进一步更新换代。如现场总线(Filbbus)测控系统中所用智能仪器,它们不但具有一般智能仪器所特有的运算,显示及自检等功能外,还具有网络通讯功能,可通过现场总线,将所测实时参数送至控制微机或PLC。4.5脑力劳动的组成智能仪器的进一步发展应含有一定的人工智能。即利用电路设计和软件设计来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)等方面应具有一