智能仪器的应用及其发展趋势

摘 要：简要介绍智能仪器的基本组成、特点和原理，对智能仪器的应用领域作简要概括，并对其今后的发展趋势作简要探讨。

关键字：智能仪器、自动控制系统

随着电子技术、半导体技术和计算机技术的不断发展和成熟，尤其是嵌入式处理器的应用，使测试过程中的每一个环节都可能用到各种现代化的新技术，使仪器科学与技术领域出现了完全突破传统概念的新一代仪器——智能仪器，从而开创了仪器、仪表的一个崭新的时代。智能仪器凭借其高性能、多功能、体积小、功耗低等优势，迅速地在家用电器、工业控制中得到了广泛的应用。

一、 智能仪器的基本组成

智能仪器由硬件和软件两大部分组成。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。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、数据存储器及输入/输出接口电路等组成，或者它本身就是一个单片微型计算机；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等组成；人机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系，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，以便使仪器可以接受计算机的程控命令，目前生产的智能仪器一般都配有GP–IB等通信接口。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面板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控命令。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，其内容包括：通过键盘输入命令和数据，以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行相关的处理；以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。

接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其内容是接收并分析来自通信

接口总线的远控命令，包括描述有关功能、操作方式与工作参数的代码；进行有关的数据采集与数据处理；通过通信接口送出仪器的测量结果、数据处理的结果及仪器的现行工作状态信息。

二、 智能仪器的主要特点

1、智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。有利于提高仪器技术指标，并方便了仪器的操作。例如，传统仪器中与衰减器相连的旋转式开关必须安装在衰减器正前方的面板上，这样，可能由于面板的布置受仪器内部结构的限制，不能充分考虑用户使用的方便性；也可能由于衰减器的安装位置必须服从面板布局的需要，而给内部电气连接带来许多的不便。

2、微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。例如：利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由于漂移、增益的变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高了仪器的测量精度。再如：传统的数字多用表(DMM)只能测量电阻、交直流电压、电流等， 而智能型的数字多用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行诸如零点平移、平均值、极值、统计分析以及更加复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理中解放出来。目前有些智能仪器还运用了专家系统技术，使仪器具有更深层次的分析能力，解决专家才能解决的问题。

3、智能仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。例如：智能型的数字示波器有一个自动分度键(Autoset)，测量时只要一按这个键， 仪器就能根据被测信号的频率及幅度，自动设置好最合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使信号的波形稳定地显示在屏幕上。再如：智能仪器一般都具有自诊断功能，当仪器发生故障时，可以自动检测出故障的部位并能协助诊断故障的原因，甚至有些智能仪器还具有自动切换备件进行自维修功能，极大地方便了仪器的维护。

4、智能仪器具有友好的人机对话的能力，使用人员只需通过键盘打入命令， 仪器就能实现某种测量和处理功能，与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉使用人员，使人机之间的联系非常密切。

5、智能仪器一般都配有GPIB或RS232等通信接口，使智能仪器具有可程控操作的能力。 从而可以很方便地与计算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

三、智能仪器的工作原理

传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A／D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内闪速存储器或电可擦除存贮器内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号（如报警装置触发、继电器触点等）。此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机——PC机，由PC机进行全局管理。

四、智能仪器的发展应用

微电子技术的进步深刻地影响了仪器仪表的设计;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，例如，美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可达到±0.1%FS;美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表，利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声，测量电平可低达-77dB;美国FLUKE公司生产的超级多功能校准器5520A，内部采用了3个微处理器，其短期稳定性达到1ppm，线性度可达到0.5ppm;美国FOXBORO公司生产的数字化自整定调节器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速地整定调节器。这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。由于这种调节器能够自动整定调节参数，可使整个系统在生产过程中始终保持最佳品质。

可以说智能仪器以进入医疗、农业和工业等各个领域，正渐渐改变着我们的生活。

五、智能仪器的展望

近年来，智能仪器的发展十分迅速，尤其是现代光学、电子学、生物学、物理学、微机械等领域的一些最新研究成果，已经迅速地应用于仪器、仪表中，使现代测控技术与智能仪器的发展出现了一些新的特点，主要包括：

1、 高速度。一方面，仪器总线和通信总线的传输速率在不断提高，作为自动测控系统控制器的现代PC机的主频已达到数吉赫兹，在未来可能以太网被用于控制器与外围设备的连接，视屏采集和传输也更加普及。另一方面，虚拟仪器技术的发展极大地加速了智能仪器与自动测试的产品化进程，一种新的检测方法从被人们认识到形成实用仪器化产品的过程越来越短。

2、 智能化。传统“智能仪器”概念的内涵已经被大大拓展了，柔性化设计、人工智能、人工生命等一些新方法、新技术被越来越多地用于智能仪器与

自动控制系统的实现。数据处理过程中的诊断也将进一步发展成为基于知识的专家系统。

3、 集成化。专用集成芯片技术将被普遍应用于智能仪器与自动控制系统中，以硅微细加工为主的微机电系统MEMS技术的发展，有可能实现将仪器、仪表的传感器及其处理、控制和后续电路等都集成与芯片上。

4、 小型化和微型化。为了适应野外测试、现场检测、机载、车载、星载分析检测等的需求，测试与仪器系统的小型化已成为发展的潮流，纳米技术、微传感器和微制造技术的发展也使智能仪器与自动控制系统的微型化成为可能。

5、 多功能化。多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。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功能的函数发生器。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。

6、 网络化。 融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的Internet接入。伴随着网络技术的飞速发展，Internet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Internet的通讯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。在系统编程技术（In-System Programming，简称ISP技术）是对软件进行修改、组态或重组的一种最新技术。它是LATTICE半导体公司首先提出的一种使我们在产品设计、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最新技术。ISP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。ISP硬件灵活且易于软件修改，便于设计开发。由于ISP器件可以像任何其他器件一样，在印刷电路板（PCB）上处理，因此编程ISP器件不需要专门编程器和较复杂的流程，只要通过PC机，嵌入式系统处理器甚至INTERNET远程网进行编程。EMIT嵌入式微型因特网互联技术是emWare公司创立ETI（eXtend the Internet）扩展Internet联盟时提出的，它是一种将单片机等嵌入式设备接入Internet的技

术。利用该技术，能够将8位和16位单片机系统接入Internet，实现基于Internet的远程数据采集、智能控制、上传／下载数据文件等功能。

六、结束语

智能仪器是电子技术、半导体技术和计算机技术的不断发展和成熟的产物，是人类智慧的结晶。相信随着科技的不断进步，智能仪器将更好的造福于人类。

参考文献：

1、教材《智能仪器基础》

2、方彦军，孙健 《智能仪器技术及其应用》

化学工业出版社，2004.

智能仪器的应用及其发展趋势

专业系： 航空装备维修工程系 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师：

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