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    智能仪器基本组成原理及其发展趋势分析

    互联网2007年12月25日 14:19 点击:1384

    智能仪器的出现,极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势,迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。

        1、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?#36153;?#36890;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?#21040;?#34892;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flashrom(?#20102;?#23384;储器)或e2prom(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)。?#36865;猓?#26234;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。

        2、智能仪器的功能特点

        随着微电子技术的?#27426;?#21457;展,集成了cpu、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至a/d、d/a转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。以单片机为主体,将计算机技术与测量控制技术结合在一起,又组成了所谓的“智能化测量控制系统”,也就是智能仪器。

        与传统仪器仪表相比,智能仪器具有以下功能特点:

        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。

        ②具有自测功能,包括自动调零、自动?#25910;?#19982;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?#25910;?#30340;部位甚至?#25910;?#30340;原因。这种自测试可以在仪器启动时运行,同时?#37096;?#22312;仪器工作中运行,极大地方便了仪器的维护。

        ③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?#24067;?#36923;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?#19968;?#20855;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?#34892;?#22320;提高了仪器的测量精?#21462;?

        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,操作人员只需通过键盘输入命令,就能实现某种测量功能。与?#36865;?#26102;,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。

        ⑤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。

        3、智能仪器的发展概况

        80年代,微处理器被用到仪器中,仪器前面板开始朝键盘化?#36739;?#21457;展,测量系统常通过ieee—488总线连?#21360;?/P>

    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?#24405;?#20010;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?#20013;?#21495;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?#27426;?#21508;?#21046;?#22270;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?#20998;?#32321;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?#21592;?#36865;器本体的温?#21462;?#38745;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?#32479;?#39640;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?#37995;?#22788;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?#20540;?#33410;器特别适合于对象变化频?#34987;?#38750;线性的控制系统。由于这?#20540;?#33410;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?#20998;省?

        4、智能仪器发展趋势

        4.1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、线性化处理、数?#20013;?#21495;处理,控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的?#27426;?#21457;展,其技术?#27426;?#25104;熟,价格?#27426;?#38477;低,因此其应用领域也将?#27426;?#25193;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?#23631;?#22495;起到独特的作用。例如,目前要同时测量一个病人的几个不同的参量,并进行某些参量的控制,通常病人的体内要插进几个管子,这增加了病人感染的机会,微型智能仪器能同时测量多参数,而且体积小,可植入人体,使得这些问题得到解决。

        4.2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?#26032;?#20914;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?#33539;齲?#27604;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。

        4.3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、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有?#27426;?#30340;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?#26102;?#35835;)、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?#27426;?#30340;能力。

    这样,智能仪器可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仪表中的应用,使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题,而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。
        4.4融合isp和emit技术,实现仪器仪表系统的internet接入(网络化)

        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?#20302;成?#35745;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-systemprogramming,简称isp技术)是对软件进行修改、组态或重组的一种最?#24405;?#26415;。它是lattice半导体公司首先提出的一?#36136;?#25105;们在产品设计、制造过程中的每个?#26041;冢?#29978;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?#24405;?#26415;。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?#24067;?#28789;活且易于软件修?#27169;?#20415;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(extendtheinternet)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。

        目前美国connectone公司、emware公司、tasking公司和国内的p&s公司等均提供基于internet的devicenetworking的软件、固件(firmware)和?#24067;?#20135;品。

        4.5虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段

        测量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。在虚拟现实系统中,数据分析和显示完全用pc机的软件来完成。因此,只要额外提供?#27426;?#30340;数据采集?#24067;?#23601;可以与pc机组成测量仪器。这种基于pc机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中,使用同一个?#24067;?#31995;统,只要应用不同的软件编程,就可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,“软件就是仪器”。

        传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术,而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性,能为用户带来极大的利益,因此,具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场。

        5、结束语

        智能仪器是计算机科学、电子学、数?#20013;?#21495;处理、人工智能、vlsi等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展,智能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、多功能化、更加灵活的?#36739;?#21457;展的动力。可以预料,各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。


     

    (来源: 互联网 )


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