智能儀器

隨著微電子技術的不斷發(fā)展，集成了CPU、存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器甚至A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片(即單片機)出現(xiàn)了。以單片機為主體，將計算機技術與測量控制技術結(jié)合在一起，又組成了所謂的"智能化測量控制系統(tǒng)"，也就是智能儀器。

與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點:

①操作自動化。儀器的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。

②具有自測功能，包括自動調(diào)零、自動故障與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，同時也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護。

③具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點之一。智能儀器由于采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬用表不僅能進行上述測量，而且還具有對測量結(jié)果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計分析等復雜的數(shù)據(jù)處理功能，不僅使用戶從繁重的數(shù)據(jù)處理中解放出來，也有效地提高了儀器的測量精度。

④具有友好的人機對話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及對測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。

⑤具有可編程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIB、RS232C、RS485等標準的通信接口，可以很方便地與PC機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統(tǒng)，來完成更復雜的測試任務。

微型智能儀器指微電子技術、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀器的生產(chǎn)中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器。它能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大、與其他儀器的接口、與人的交互等功能。微型智能儀器隨著微電子機械技術的不斷發(fā)展，其技術不斷成熟，價格不斷降低，因此其應用領域也將不斷擴大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在自動化技術、航天、軍事、生物技術、醫(yī)療領域起到獨特的作用。例如，目前要同時測量一個病人的幾個不同的參量，并進行某些參量的控制，通常病人的體內(nèi)要插進幾個管子，這增加了病人感染的機會，微型智能儀器能同時測量多參數(shù)，而且體積小，可植入人體，使得這些問題得到解決。

多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點。例如，為了設計速度較快和結(jié)構(gòu)較復雜的數(shù)字系統(tǒng)，儀器生產(chǎn)廠家制造了具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數(shù)發(fā)生器。這種多功能的綜合型產(chǎn)品不但在性能上(如準確度)比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。

人工智能是計算機應用的一個嶄新領域，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證明等各方面 。智能儀器的進一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動，從而在視覺(圖形及色彩辨讀)、聽覺(語音識別及語言領悟)、思維(推理、判斷、學習與聯(lián)想)等方面具有一定的能力。這樣，智能儀器可無需人的干預而自主地完成檢測或控制功能。顯然，人工智能在現(xiàn)代儀器儀表中的應用，使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問題，而且可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的問題。

融合ISP和EMIT技術，實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入。

伴隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，Internet技術正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設計領域滲透，實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以及對設計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。

在系統(tǒng)編程技術(In-System Programming，簡稱ISP技術)是對軟件進行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術。它是LATTICE半導體公司首先提出的一種使我們在產(chǎn)品設計、制造過程中的每個環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，具有對其器件、電路板或整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時進行組態(tài)或重組能力的最新技術。ISP技術消除了傳統(tǒng)技術的某些限制和連接弊病，有利于在板設計、制造與編程。ISP硬件靈活且易于軟件修改，便于設計開發(fā)。由于ISP器件可以像任何其他器件一樣，在印刷電路板(PCB)上處理，因此編程ISP器件不需要專門編程器和較復雜的流程，只要通過PC機，嵌入式系統(tǒng)處理器甚至INTERNET遠程網(wǎng)進行編程。

EMIT嵌入式微型因特網(wǎng)互聯(lián)技術是emWare公司創(chuàng)立ETI(eXtend the Internet)擴展Internet聯(lián)盟時提出的，它是一種將單片機等嵌入式設備接入Internet的技術。利用該技術，能夠?qū)?位和16位單片機系統(tǒng)接入Internet，實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳/下載數(shù)據(jù)文件等功能。

目前美國ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和國內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的Device?Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產(chǎn)品。

虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段

測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。可見，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，"軟件就是儀器"。

傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術中用了某種計算機技術控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，而虛擬儀器則強調(diào)在通用的計算機技術中吸收儀器技術。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，能為用戶帶來極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應用前景和市場。

傳感器拾取被測參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關;由單片機逐路選通模擬開關將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的脈沖信號后送入單片機中;單片機根據(jù)儀器所設定的初值進行相應的數(shù)據(jù)運算和處理(如非線性校正等);運算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)據(jù)進行顯示和打印;同時單片機把運算結(jié)果與存儲于片內(nèi)FlashROM(閃速存儲器)或E?2PROM(電可擦除存貯器)內(nèi)的設定參數(shù)進行運算比較后，根據(jù)運算結(jié)果和控制要求，輸出相應的控制信號(如報警裝置觸發(fā)、繼電器觸點等)。此外，智能儀器還可以與PC機組成分布式測控系統(tǒng)，由單片機作為下位機采集各種測量信號與數(shù)據(jù)，通過串行通信將信息傳輸給上位機--PC機，由PC機進行全局管理。

80年代，微處理器被用到儀器中，儀器前面板開始朝鍵盤化方向發(fā)展，測量系統(tǒng)常通過IEEE-488總線連接。不同于傳統(tǒng)獨立儀器模式的個人儀器得到了發(fā)展等。

90年代，儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個方面:微電子技術的進步更深刻地影響儀器儀表的設計;DSP芯片的問世，使儀器儀表數(shù)字信號處理功能大大加強;微型機的發(fā)展，使儀器儀表具有更強的數(shù)據(jù)處理能力;圖像處理功能的增加十分普遍;VXI總線得到廣泛的應用。

近年來，智能化測量控制儀表的發(fā)展尤為迅速。國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣智能化測量控制儀表，例如，能夠自動進行差壓補償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計，能夠進行程序控溫的智能多段溫度控制儀，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字PID和各種復雜控制規(guī)律的智能式調(diào)節(jié)器，以及能夠?qū)Ω鞣N譜圖進行分析和數(shù)據(jù)處理的智能色譜儀等。

國際上智能測量儀表更是品種繁多，例如，美國HONEYWELL公司生產(chǎn)的DSTJ-3000系列智能變送器，能進行差壓值狀態(tài)的復合測量，可對變送器本體的溫度、靜壓等實現(xiàn)自動補償，其精度可達到±0.1%FS;美國RACA-DANA公司的9303型超高電平表，利用微處理器消除電流流經(jīng)電阻所產(chǎn)生的熱噪聲，測量電平可低達-77dB;美國FLUKE公司生產(chǎn)的超級多功能校準器5520A，內(nèi)部采用了3個微處理器，其短期穩(wěn)定性達到1ppm，線性度可達到0.5ppm;美國FOXBORO公司生產(chǎn)的數(shù)字化自整定調(diào)節(jié)器，采用了專家系統(tǒng)技術，能夠像有經(jīng)驗的控制工程師那樣，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)迅速地整定調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器特別適合于對象變化頻繁或非線性的控制系統(tǒng)。由于這種調(diào)節(jié)器能夠自動整定調(diào)節(jié)參數(shù)，可使整個系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中始終保持最

第1章緒論

1.1智能儀器的發(fā)展概況

1.2智能儀器的發(fā)展趨勢

1.3智能儀器的分類、組成和特點

1.3.1智能儀器的分類

1.3.2智能儀器的組成

1.3.3智能儀器的特點

1.4智能儀器的設計要求、原則及步驟

1.4.1智能儀器的設計要求

1.4.2智能儀器的設計原則

1.4.3智能儀器的設計步驟

習題1

第2章智能儀器輸入/輸出通道及接口技術

2.1模擬量輸入通道概述

2.2傳感器

2.2.1傳感器的分類

2.2.2傳感器的選用原則

2.3放大器

2.3.1程控放大器

2.3.2儀用放大器

2.3.3隔離放大器

2.4模擬多路開關

2.4.1模擬多路開關的性能指標

2.4.2集成模擬多路開關

2.4.3模擬開關的通道擴展

2.5采樣/保持器

2.5.1采樣/保持器的原理

2.5.2集成采樣/保持器

2.5.3采樣/保持器的主要性能指標

2.6A/D轉(zhuǎn)換器

2.6.1并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

2.6.2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

2.6.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

2.6.4∑一△調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)換器

2.6.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標

2.7A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口

2.7.1并行輸出ADC與微處理器的接口.

2.7.2串行輸出ADC與微處理器的接口

2.8開關量輸入通道

2.9模擬量輸出通道

2.9.1D/A轉(zhuǎn)換原理

2.9.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標

2.9.3D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口

2.9.4DAC的應用

2.10開關量輸出通道

2.10.1小功率驅(qū)動接口電路

2.10.2中功率驅(qū)動接口電路

2.10.3固態(tài)繼電器輸出接口電路

習題2

第3章常見模擬量信號的檢測方法

3.1概述

3.2電壓類信號的檢測

3.2.1對電壓測量的基本要求

3.2.2交流電壓的測量

3.3電流類信號的檢測

3.3.1手動分擋測量法

3.3.2自動分擋測量法

3.4相位型信號的檢測

3.4.1軟件分析法

3.4.2過零比較器法

3.5時間型信號的檢測

3.6頻率及周期型信號的檢測

3.6.1頻率及周期型信號的特點

3.6.2頻率測量基本電路

3.6.3周期測量基本電路

3.6.4通用頻率計(計數(shù)器)的基本電路

3.7電阻型信號的檢測

3.7.1恒流法測電阻

3.7.2恒壓法測電阻

3.7.3恒阻法測電阻

3.7.4積分法測電阻

3.8電容型信號的檢測

3.8.1積分法測電容

3.8.2相位法測電容

……

第4章智能儀器人機交互接口

第5章智能儀器的曲型數(shù)據(jù)處理功能

第6章智能儀器自動測量和自檢技術

第7章智能儀器可靠性與抗干擾技術

第8章總線和數(shù)據(jù)通信技術

第9章智能儀器設計實例

第10章智能儀器新發(fā)展

參考文獻

本書以培養(yǎng)"厚基礎、寬口徑、會設計、可操作、能發(fā)展"，具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才為目的，以提高學生的分析和解決實際問題的能力為出發(fā)點，較全面、系統(tǒng)地介紹了單片機為核心的智能儀器的基本組成、結(jié)構(gòu)和設計方法。注重理論聯(lián)系實際，反映智能儀器的發(fā)展方向，引入智能儀器設計的新技術。

全書共分10章，內(nèi)容包括:智能儀器的分類、組成、特點，智能儀器的輸入通道及接口技術，模擬量輸出通道，人機對話接口，典型數(shù)據(jù)處理功能，系統(tǒng)總線和數(shù)據(jù)通信接口，自動校準和自診斷技術，可靠性與抗干擾技術，智能儀器的設計開發(fā)步驟和實例，以及智能儀器的發(fā)展方向與新技術。

本書可作為高等學校測控技術與儀器、電子信息、自動控制、機電一體化等專業(yè)的高年級本科生和低年級研究生的教材，也可供相關專業(yè)工程技術人員參考。