电子基础与测量仪器 1

381模块八智能仪器

学习目标1．了解智能仪器的结构和特点。2．了解独立式智能仪器和自动测试系统的特点。3．了解智能仪器的发展概况和应用场合。382一、智能仪器的结构和特点1．智能仪器的基本结构智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。（1）硬件结构硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路，如图所示。383384智能仪器的硬件结构主机电路用来存储程序、数据，并进行一系列的运算和处理，它通常由微处理器、程序存储器、数据存储器等组成，它本身就是一个单片微型计算机（单片机）。模拟量输入/输出通道用来输入/输出模拟信号，主要由A/D转换器、D/A转换器和有关的模拟信号处理电路组成。人机接口电路是沟通操作者和仪器的桥梁，主要由仪器面板中的键盘和显示器组成。通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接收计算机的程序控制命令。385（2）软件结构智能仪器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器键盘和显示器的管理程序；接口管理程序是面向通信接口的管理程序，接收并分析来自通信接口总线的远程控制命令。3862．智能仪器的主要特点（1）操作自动化仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关断开/闭合以及数据的采集、传输与处理、显示与打印等都用单片机或微控制器来控制，实现测量过程的全部自动化。（2）具有自测功能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。387（3）具有数据处理功能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，可以用软件非常灵活地加以解决。（4）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，操作人员只需要通过键盘输入命令，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。388（5）具有可编程控操作能力一般智能仪器都配有RS-232C、RS-485等标准的通信接口，可以很方便地与计算机和其他仪器组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，用于完成较复杂的测试任务。389二、独立式智能仪器独立式智能仪器简称智能仪器，即前述的自身带有微处理器和通信接口的能独立进行测试工作的电子仪器。独立式智能仪器在结构上自成一体，因而使用灵活、方便，并且仪器的技术性能可以做得很高。这类仪器在技术上已经比较成熟，正在或已经成为当前电子实验室的主流仪器。如图所示为典型的智能仪器——数字多用表。390典型的智能仪器——数字多用表三、自动测试系统自动测试系统是将一台计算机与多台带有标准仪器总线接口的智能仪器组合而成的仪器系统，计算机作为仪器系统的控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程的控制与测量结果的处理。如图所示为典型的自动测试系统。391典型的自动测试系统通常，自动测试系统包括以下五部分。控制器：主要是计算机，是系统的指挥及控制中心。程控仪器和设备：包括各种程控仪器、程控开关、程控伺服系统以及显示、打印、存储等设备，能完成一定的具体测试及控制任务。总线与接口：连接控制器与各程控仪器和设备的通路，完成消息、命令、数据的传输与交换，包括插卡、插槽及电缆等。测试软件：为了完成系统测试任务而编制的、在控制器上运行的各种应用软件，如测试主程序、驱动程序、数据处理程序以及输入/输出软件等。被测对象：随测试任务的不同，被测对象往往是千差万别的，由操作人员通过测试电缆、接插件、开关等与程控仪器和设备相连。392四、智能仪器的发展1．智能仪器的发展概况20世纪80年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始向键盘化方向发展，测量系统常通过通用接口总线连接，不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展。20世纪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了仪器仪表的设计；DSP芯片的问世，使仪器仪表的数字信号处理能力大大加强；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。393近年来，智能化测量和控制仪表的发展尤为迅速。市面上已经出现了多种多样的智能化测量和控制仪表，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。3942．智能仪器的应用前景（1）微型化微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集和处理，控制信号的输出、放大，并与其他仪器的接口和人进行交互等。随着微电子技术、微机械技术及信息技术的不断发展，微型智能仪器技术不断成熟，价格不断降低，其应用领域也在不断扩大。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、医疗领域起到独特的作用。395（2）多功能多功能本身就是智能仪器的一个特点。（3）人工智能化人工智能是计算机应用的一个新兴分支，它利用计算机来模拟人的智能行为，广泛用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。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，智能仪器可无须人为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仪表中的应用，不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，还有望解决用传统方法不能解决的问题。396（4）网络化网络化即融合在线编程技术和嵌入式微互联网技术，实现仪器仪表系统的网络接入。随着网络技术的飞速发展，互联网技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于互联网的通信能力，以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。397在线编程技术是对软件进行修改、组态或重组的一种新技术。它是一种在产品设计、制造过程中的每个环节，甚至在产品卖给最终用户以后，具有对其器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的技术。在线编程技术消除了传统技术的某些限制和连接弊病，有利于在板设计、制造与编程。在线编程硬件灵活且易于软件修改，便于设计开发。由于在线编程器件可以像其他任何器件一样，在印制电路板上进行处理，因此，对在线编程器件进行编程时，不需要专门的编程器和较复杂的流程，只需要通过计算机、嵌入式系统处理器甚至远程网络，即可轻松完成编程工作。398（5）虚拟化测量仪器的主要功能有数据采集、数据分析和数据显示。