智能仪器的应用与发展

学校：桂林理工大学

班级：自动化

学号：

姓名：闻祖创

11-2班 3110619216

智能仪器的应用和发展

摘要:简单介绍了智能仪器的特点原理和发展应用。

关键词:微处理器; 智能仪器；自动测试

1 智能仪器概述

近些年来 ，随着微处理器和单片机的发和广泛应用，出现了一种新型的专用仪器—智能仪器。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 智能仪器的结构特点

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。

数据采集与输人输出技术(包括键盘及接II,LEI) 显示器及接

CI,C ar 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 操作使用方便

由于智能仪器广泛采用了键盘,LED 显示或CR r装置，这就使人-一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 具有自测功能

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 仪器功能得到极大提高

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n 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、极位及其它统计参数等。采用间接的测量方法，来扩展其测量功能

2.4 高性能指标

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，而且述能校止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 操作自动化

由于仪器的整个测M-. 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 具有对外接口功能

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GP IBQ EEE-- 488标准

接口) 或RS- 232C接口. 使仪器不仅可实现本地输人/输出，而且还具有可程控能力实现远程输人/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 设计中的几个技术问题

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、面板输人及显示装置则可称为外围器件，不过这些外设与主机是有特殊性个统一体而且装在同机箱内。刘智能仪器而言，在其设计中也有很多问题关设计的几个技术问题，是值得注意的。

3.1 数据采集技术

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急，系统采祥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 身10^-20).在智能仪器中，除了通常使用的“定时采徉”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 输人输出技术

智能仪器是通过其微处理器而控制整个侧量过程。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国此，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CR1显示器显示各种字符及有关的图形或图表。

3.3 信号处理技术

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。

3.4 数据处理技术

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_1tR测星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。

4 智能仪器的发展趋势

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(装有性位微处理器的奴y 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),

逻辑分析仪和波形分析仪等。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 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、数字信号处理，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、医疗领域起到独特的作用。

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。

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一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉、听觉、思维等方面具有一定的能力。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。

4.4 融合ISP 和EMIT 技术

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。

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 机的测量仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，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 结语

智能仪器是半导体技术，计算机技术和电子技术不断发展和成熟的成果。随着科学技术的快速发展和巨大进步，对智能仪器提出了新的更高的要求现有的智能化仪器实际上是具有微型计算机和通用接口总线的仪器，是一种智能化的数字控制器目前，智能仪器的III 能化程度有待于进一步提高可以肯定，具有更高决策和控制能力的智能化仪器将更广泛应用于科学技术和工业生产上。

参考文献:

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