智能儀器功能特點(diǎn)

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成了CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)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(jī))出現(xiàn)了。以單片機(jī)為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，又組成了所謂的"智能化測(cè)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(diǎn):

①操作自動(dòng)化。儀器的整個(gè)測(cè)量過(guò)程如鍵盤掃描、量程選擇、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)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(jī)或微控制器來(lái)控制操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全部自動(dòng)化。

②具有自測(cè)功能，包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。智能儀表能自動(dòng)檢測(cè)出故障的部位甚至故障的原因。這種自測(cè)試可以在儀器啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行，同時(shí)也可在儀器工作中運(yùn)行，極大地方便了儀器的維護(hù)。

③具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。智能儀器由于采用了單片機(jī)或微控制器，使得許多原來(lái)用硬件邏輯難以解決或根本無(wú)法解決的問(wèn)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(wàn)用表只能測(cè)量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數(shù)字萬(wàn)用表不僅能進(jìn)行上述測(cè)量，而且還具有對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行諸如零點(diǎn)平移、取平均值、求極值、統(tǒng)計(jì)分析等復(fù)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(lái)，也有效地提高了儀器的測(cè)量精度。

④具有友好的人機(jī)對(duì)話能力。智能儀器使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開(kāi)關(guān)，操作人員只需通過(guò)鍵盤輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí)，智能儀器還通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地與PC機(jī)和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，來(lái)完成更復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。

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

80年代，微處理器被用到儀器中，儀器前面板開(kāi)始朝鍵盤化方向發(fā)展，測(cè)量系統(tǒng)常通過(guò)IEEE-488總線連接。不同于傳統(tǒng)獨(dú)立儀器模式的個(gè)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(gè)方面:微電子技術(shù)的進(jìn)步更深刻地影響儀器儀表的設(shè)計(jì);DSP芯片的問(wèn)世，使儀器儀表數(shù)字信號(hào)處理功能大大加強(qiáng);微型機(jī)的發(fā)展，使儀器儀表具有更強(qiáng)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(yīng)用。

近年來(lái)，智能化測(cè)量控制儀表的發(fā)展尤為迅速。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣智能化測(cè)量控制儀表，例如，能夠自動(dòng)進(jìn)行差壓補(bǔ)償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計(jì)，能夠進(jìn)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(fù)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(jìn)行分析和數(shù)據(jù)處理的智能色譜儀等。

國(guó)際上智能測(cè)量?jī)x表更是品種繁多，例如，美國(guó)HONEYWELL公司生產(chǎn)的DSTJ-3000系列智能變送器，能進(jìn)行差壓值狀態(tài)的復(fù)合測(cè)量，可對(duì)變送器本體的溫度、靜壓等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，其精度可達(dá)到±0.1%FS;美國(guó)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(cè)量電平可低達(dá)-77dB;美國(guó)FLUKE公司生產(chǎn)的超級(jí)多功能校準(zhǔn)器5520A，內(nèi)部采用了3個(gè)微處理器，其短期穩(wěn)定性達(dá)到1ppm，線性度可達(dá)到0.5ppm;美國(guó)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(shù)，能夠像有經(jīng)驗(yàn)的控制工程師那樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(dòng)整定調(diào)節(jié)參數(shù)，可使整個(gè)系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中始終保持最

微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)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(hào)的采集、線性化處理、數(shù)字信號(hào)處理，控制信號(hào)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(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價(jià)格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在自動(dòng)化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。例如，目前要同時(shí)測(cè)量一個(gè)病人的幾個(gè)不同的參量，并進(jìn)行某些參量的控制，通常病人的體內(nèi)要插進(jìn)幾個(gè)管子，這增加了病人感染的機(jī)會(huì)，微型智能儀器能同時(shí)測(cè)量多參數(shù)，而且體積小，可植入人體，使得這些問(wèn)題得到解決。

多功能本身就是智能儀器儀表的一個(gè)特點(diǎn)。例如，為了設(shè)計(jì)速度較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)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(zhǔn)確度)比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測(cè)試功能上提供了較好的解決方案。

人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，利用計(jì)算機(jī)模擬人的智能，用于機(jī)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(jìn)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(dòng)，從而在視覺(jué)(圖形及色彩辨讀)、聽(tīng)覺(jué)(語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)言領(lǐng)悟)、思維(推理、判斷、學(xué)習(xí)與聯(lián)想)等方面具有一定的能力。這樣，智能儀器可無(wú)需人的干預(yù)而自主地完成檢測(cè)或控制功能。顯然，人工智能在現(xiàn)代儀器儀表中的應(yīng)用，使我們不僅可以解決用傳統(tǒng)方法很難解決的一類問(wèn)題，而且可望解決用傳統(tǒng)方法根本不能解決的問(wèn)題。

融合ISP和EMIT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入。

伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透，實(shí)現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以及對(duì)設(shè)計(jì)好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。

在系統(tǒng)編程技術(shù)(In-System Programming，簡(jiǎn)稱ISP技術(shù))是對(duì)軟件進(jìn)行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術(shù)。它是LATTICE半導(dǎo)體公司首先提出的一種使我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，具有對(duì)其器件、電路板或整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(tài)或重組能力的最新技術(shù)。ISP技術(shù)消除了傳統(tǒng)技術(shù)的某些限制和連接弊病，有利于在板設(shè)計(jì)、制造與編程。ISP硬件靈活且易于軟件修改，便于設(shè)計(jì)開(kāi)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(fù)雜的流程，只要通過(guò)PC機(jī)，嵌入式系統(tǒng)處理器甚至INTERNET遠(yuǎn)程網(wǎng)進(jìn)行編程。

EMIT嵌入式微型因特網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)是emWare公司創(chuàng)立ETI(eXtend the Internet)擴(kuò)展Internet聯(lián)盟時(shí)提出的，它是一種將單片機(jī)等嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)。利用該技術(shù)，能夠?qū)?位和16位單片機(jī)系統(tǒng)接入Internet，實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)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(guó)ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和國(guó)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(cè)量?jī)x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(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機(jī)的軟件來(lái)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(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于PC機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測(cè)量?jī)x器?？梢?jiàn)，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(shù)中用了某種計(jì)算機(jī)技術(shù)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)中吸收儀器技術(shù)。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(kuò)展性和升級(jí)性，能為用戶帶來(lái)極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無(wú)法比擬的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。

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(shì)

1.3智能儀器的分類、組成和特點(diǎn)

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(diǎn)

1.4智能儀器的設(shè)計(jì)要求、原則及步驟

1.4.1智能儀器的設(shè)計(jì)要求

1.4.2智能儀器的設(shè)計(jì)原則

1.4.3智能儀器的設(shè)計(jì)步驟

習(xí)題1

第2章智能儀器輸入/輸出通道及接口技術(shù)

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(kāi)關(guān)

2.4.1模擬多路開(kāi)關(guān)的性能指標(biāo)

2.4.2集成模擬多路開(kāi)關(guān)

2.4.3模擬開(kāi)關(guān)的通道擴(kuò)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(biāo)

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(shù)指標(biāo)

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(kāi)關(guān)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(shù)指標(biāo)

2.9.3D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口

2.9.4DAC的應(yīng)用

2.10開(kāi)關(guān)量輸出通道

2.10.1小功率驅(qū)動(dòng)接口電路

2.10.2中功率驅(qū)動(dòng)接口電路

2.10.3固態(tài)繼電器輸出接口電路

習(xí)題2

第3章常見(jiàn)模擬量信號(hào)的檢測(cè)方法

3.1概述

3.2電壓類信號(hào)的檢測(cè)

3.2.1對(duì)電壓測(cè)量的基本要求

3.2.2交流電壓的測(cè)量

3.3電流類信號(hào)的檢測(cè)

3.3.1手動(dòng)分擋測(cè)量法

3.3.2自動(dòng)分擋測(cè)量法

3.4相位型信號(hào)的檢測(cè)

3.4.1軟件分析法

3.4.2過(guò)零比較器法

3.5時(shí)間型信號(hào)的檢測(cè)

3.6頻率及周期型信號(hào)的檢測(cè)

3.6.1頻率及周期型信號(hào)的特點(diǎn)

3.6.2頻率測(cè)量基本電路

3.6.3周期測(cè)量基本電路

3.6.4通用頻率計(jì)(計(jì)數(shù)器)的基本電路

3.7電阻型信號(hào)的檢測(cè)

3.7.1恒流法測(cè)電阻

3.7.2恒壓法測(cè)電阻

3.7.3恒阻法測(cè)電阻

3.7.4積分法測(cè)電阻

3.8電容型信號(hào)的檢測(cè)

3.8.1積分法測(cè)電容

3.8.2相位法測(cè)電容

……

第4章智能儀器人機(jī)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(dòng)測(cè)量和自檢技術(shù)

第7章智能儀器可靠性與抗干擾技術(shù)

第8章總線和數(shù)據(jù)通信技術(shù)

第9章智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例

第10章智能儀器新發(fā)展

參考文獻(xiàn)

本書(shū)以培養(yǎng)"厚基礎(chǔ)、寬口徑、會(huì)設(shè)計(jì)、可操作、能發(fā)展"，具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才為目的，以提高學(xué)生的分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力為出發(fā)點(diǎn)，較全面、系統(tǒng)地介紹了單片機(jī)為核心的智能儀器的基本組成、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。注重理論聯(lián)系實(shí)際，反映智能儀器的發(fā)展方向，引入智能儀器設(shè)計(jì)的新技術(shù)。

全書(shū)共分10章，內(nèi)容包括:智能儀器的分類、組成、特點(diǎn)，智能儀器的輸入通道及接口技術(shù)，模擬量輸出通道，人機(jī)對(duì)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(dòng)校準(zhǔn)和自診斷技術(shù)，可靠性與抗干擾技術(shù)，智能儀器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)步驟和實(shí)例，以及智能儀器的發(fā)展方向與新技術(shù)。

本書(shū)可作為高等學(xué)校測(cè)控技術(shù)與儀器、電子信息、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化等專業(yè)的高年級(jí)本科生和低年級(jí)研究生的教材，也可供相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員參考。