智能仪表的发展与应用

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《智能仪表技术》课程论文

题 目 智能仪表技术发展及应用

作 者 王佳琪 王冰 何铭 卞爽 学 院 物理与电气信息工程学院 专业班级 08电子信息工程专业 指导教师 杨桂花 完成日期 2011 年4 月

大庆师范学院《数字信号处理》课程论文

智能仪表技术发展及应用

王佳琪 王冰 何铭 卞爽

物理与电气信息工程学院，大庆师范学院 (163712)

E-mail：wangjiaqi1224@163.com

摘 要：简单介绍了智能仪器的特点和基本组成, 智能仪器的出现标志着现代电子测量技术将向着智能化、自动化、小型化、模块化和开放式系统发展。智能仪器的出现标志着测量仪器从独立的手工操作单台仪器走向程控多台仪器的自动测试。其应用在模糊逻辑、遗传算法、神经网络、专家系统、仿人智能、粗糙集理论、物元可拓方法、知识工程、模式识别、定性控制、小波分析、分形几何、混沌控制、数据融合技术等等，真可谓是八仙过海，各显神通。其各有所长，分别组合，取长补短，相得益彰。 关键字：智能仪器，RS232，VXI总线，虚拟仪器

作者简介：王冰（1990-），女，黑龙江绥化市人，大庆师范学院物理与电气信息工程学院电子信息工程专业学生。

王佳琪（1989-），男，黑龙江省七台河市人，大庆师范学院物理与电气信息工程学院电子信息工程专业学生。

卞爽（1989-），女，黑龙江省哈尔滨市人，大庆师范学院物理与电气信息工程学院电子信息工程专业学生。

何铭（1989-），男，黑龙江省绥化市人，大庆师范学院物理与电气信息工程学院电子信息工程专业学生。

0 引言

在计算机技术和微电子技术的不断发展推动下，仪器仪表技术不断的进步，相继诞生了PC仪器、虚拟仪器等微机化仪器及自动测试系统，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。文章对智能仪器仪表的结构、特点及应用进行了简单的介绍。

1. 智能仪器概述

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微处理器在20世纪70年代初期问世不久，就被引进电子测量和仪器领域，所占比重在各项计算机应用领域中名列前茅。在这之后，随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进一步的发展，电子测量与仪器和计算机技术的结合就愈加紧密，形成了一种全新的微型计算机化仪器。由于这种含微型计算机的电子仪器拥有对数据的存储、运算、逻辑判断、自动化操作及与外界通信的功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器，以区别于传统的电子仪器。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理方面发展，并具有模糊判断、故障判断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等功能，使智能仪器向更高的层次发展。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。并对自动控制、电子技术、国防工程、航天技术与科学试验等产生了极其深远的影响。

2. 智能仪器的结构

智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它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.其中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(I/O)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。

智能仪器的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，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程命令，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。

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3. 智能仪器的主要特点

与传统的电子仪器相比较，智能仪器具有以下几个主要特点：

（1）智能仪器使用键盘代替传统仪器中的旋钮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在相互限制和牵连。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的正前方的面板上，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不便。智能仪器广泛使用键盘，使面板布置于仪器功能部件的安排可以完全独立的进行，明显改善了仪器前面板及有关功能部件结构的设计，这样既有利于提高仪器技术指标又方便了仪器的操作。

（2）微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。例如智能仪器利用维持力气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。智能仪器除了具有测量功能外，还具有很强的数据处理能力。例如传统的数字万用表（DMM）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，是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计数，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。例如智能型数字示波器有一个自动分度键（Autoscale），测量时只要一按这个键，仪器就能根据被测信号的频率和幅度，自动设置好合理的垂直灵敏度、时基以及最佳的触发电平，使信号的波形稳定的现实在屏幕上。又例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-机对话能力，使用人员只需通过键盘输入命令，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的运行状况、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。

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（5）智能仪器一般都配有GP-IB或RS232等通讯接口，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的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。

4. 智能仪器的发展趋势

20世纪70年以来，在新技术革命的推动下，尤其是微电子技术和微型计算机加护的快速发展，是电子仪器的整体水平发生很大变化，先后出现独立式智能仪器、GP-IB自动测试系统、插卡式智能仪器。在此基础上有出现了VXI总线仪器、虚拟仪器。这些技术的出现，改变了并将继续改变电子测量与仪器领域的发展，使之朝着智能化、自动化、小型化、模块化和开放式系统的方向发展。

（1）独立式智能仪器及自动测试系统

独立式智能仪器即自身带有微处理器和GP-IB接口的能独立进行测试工作的电子仪器。智能仪器是现阶段智能化电子仪器的主体。

独立式智能仪器在结构上自成一体，因而使用灵活方便、并且仪器的技术性能可以做得很高。这类仪器在技术上已经比较成熟，同时借助于新技术、新器件和新工艺的不断进步，这类仪器还在不断发展，不断地推陈出新。当然，这些智能仪器所具有的智能仪器水平各不相同，有的高些，有的低些，但是，总的来说，随着科学技术的发展，只能仪器的所具有的智能水平将会不断提高。

（2）个人仪器系统及VXI总线仪器系统

VXI总线是一个开放式结构，他对所有的仪器生产厂家和用户都是公开的，即允许不同生产厂家的卡式仪器都可以在同一个机箱上工作，从而使VXI总线很快就成为测试系统的主导结构。VXI总线系统（即采用VXI总线标准的个人仪器系统）一般由计算机、VXI仪器模块和VXI总线机箱构成。VXI总线是面向模块式结构的仪器总线，与GP-IB相比其性能有了较大幅度提高。其中VXI总线中的地址线和数据线均可高至32位，数据传输速率的上限可高至40MB/s，此外还定义了多种控制线、中断线、时钟线、触发线、识别线和模拟信号线等。由此可见，VXI总线仪器集中了智能仪器、个人仪器和GP-IB系统的很多特长，并具有使用灵活方便，标准化程度高，可扩展性好，能充分发挥计算机的效能以及便于构成虚拟仪器等诸多优点，因而得到迅速发展和推广，被称为未来仪器和未来系统。

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（3）软件技术的高速发展及虚拟仪器

在新一代的仪器系统中，计算机软件和测试仪器将更加紧密地结合在一起，随着仪器系统的不断完善及仪器设计思想的发展，软件的重要性及进一步发展的迫切性越来越突出，可以预测，测试界以后的巨大变化将主要发生在软件方面。

为了使仪器系统的硬件设备尽量少，传统仪器的许多硬件乃至整个仪器都可以被计算机软件所代替，例如只使用一块A/D卡，借助于计算机的计算功能，在软件的配合下就能实现多种仪器的功能，例如数字万用表，数字存储示波器，数字频谱分析，数字采集系统，数字频率计等。在新一代仪器系统中，计算机处于核心地位。

随着软件技术的发展，NI公司开发了LabVIEW，这款仪器开发系统软件包，不仅可以管理VXI仪器，还可以管理GP-IB仪器、RS232仪器等。这些软件系统本身就带有各厂家生产的各类仪器的驱动软件，软面板等，同时还提供上百种数学运算及包括FFT分析、数字滤波、回归分析、统计分析等数字信号处理功能。当测试人员建立一个仪器系统时，只要调出代表仪器的图标，输入相关的条件和参数，并用鼠标按测试流程将有关仪器连接起来，就完成了全部的设计工作。利用这些软件，用户可以根据自己的不同要求和测试方案开发出各种仪器。这就彻底突破过去仪器功能只能由厂家定义而用户无法按照自己意愿改变的传统模式，获得传统仪器无法比拟的效果。

5．仪器仪表的应用

(1)在仪器仪表结构、性能改进中的应用

首先，智能自动化技术为仪器仪表与测量的相关领域的应用开辟了广阔的前景。运用智能化软硬件，使每台仪器或仪表能随时准确地分析、处理当前的和以前的数据信息，恰当地从低、中、高不同层次上对测量过程进行抽象，以提高现有测量系统的性能和效率，扩展传统测量系统的功能，如运用神经网络、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能。

其次，也可在分散系统的不同仪器仪表中采用微处理器、微控制器等微型芯片技术，设计模糊控制程序，设置各种测量数据的临界值，运用模糊规则的模糊推理技术，对事物的各种模糊关系进行各种类型的模糊决策。其优势在于不必建立被控对象的数学模型，也

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不需大量的测试数据，只需根据经验，总结合适的控制规则，应用芯片的离线计算、现场调试，按我们的需要和精确度产生准确的分析和准时的控制动作。

特别是在传感器测量中，智能自动化技术的应用更为广泛。用软件实现信号滤波，如快速傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换等技术，是简化硬件，提高信噪比，改善传感器动态特性的有效途径，但需要确定传感器的动态数学模型，而且高阶滤波器的实时性较差。运用神经网络技术，可实现高性能的自相关滤波和自适应滤波。充分利用人工神经网络技术强有力的自学习、自适应、自组织能力，联想、记忆功能以及对非线性复杂关系的输入、输出间的黑箱映射特性，无论在适用性和快速实时性等各方面都将大大超过复杂函数式，可充分利用多传感器资源，综合获取更准确、更可信的结论。其中实时与非实时的、快变与缓变的、模糊和确定性的数据信息，可能相互支持，也可能相互矛盾，此时，对象特征的提取、融合，直至最终决策，作出正确的判断，将成为难点。于是神经网络或模糊逻辑将成为最值得选用的方法。例如，气体传感阵列用于混合气体识别，在信号处理方法上可采用自组织映射网络和BP网络相结合，先进行分类，再识别组分，将传统方法的全程拟合转化为分段拟合，以降低算法的复杂度，提高识别率。又如，食品味觉信号的检测和识别的难度，曾一度是研究与开发单位的主要障碍所在。如今可利用小波变换进行数据压缩和特征提取，然后将数据输入用遗传算法训练过的模糊神经网络，则大大提高了对简单复合味的识别率。再如，在布匹面料质量的评定，柔性操作手对触觉信号的处理，机器的故障诊断领域，智能自动化技术也都取得了大量的成功实例。

（2)在虚拟仪器结构设计中的应用

仪器与测量技术和计算机技术的结合，不但大大提高了测量精确度与智能自动化水平，特别是计算机的硬件软化和软件模块化的虚拟仪器的迅猛发展，以及其与网络化系统资源程序的统一和优化性能配置，为仪器仪表的智能化水平的迅速提高，创造了越来越优越的条件。

在仪器仪表结构设计中，仪器厂家过去都是以源代码形式向用户提供智能虚拟仪器即插即用的仪器驱动器，为了简化最终用户的使用操作与开发过程，不断提高运行效率，以及编程质量和编程灵活性，相关仪器厂家在VXI即插即用的总线仪器驱动器标准的基础上作出了一套新的智能化仪器驱动软件规范，在虚拟仪器结构与性能上进行了下述多方面改

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进。

首先，考虑要兼顾用户的直观、易用与尽可能提高运行效率，并保持原来VXI总线即插即用标准的高层编程接口，以提供相同的功能函数调用格式。

其次，在最新Labwindows/CVI 5.0内建的开发工具基础上，运用智能化手段，使智能虚拟仪器(IVI)的仪器驱动器代码，可以在人机交互作用下自动生成，这样既简化了大量编程工作量，又统一了驱动器代码的编程结构和风格，还大大方便了不同水平用户的使用和维护。

再次，应用一系列智能手法，识别、跟踪和管理所有各种仪器状态和设置，使用户能直接进入所有低层设置，并通过智能状态管理，使用户可根据需要，在“测试开发”和“正常运行”两种模式之间随意切换。在“测试开发”模式下，驱动器可智能自动化地完成一系列状态检查，以帮助发现各种编程错误。当程序调试正常投入使用后，用户即可切换到“正常运行”模式，以使驱动软件高速运行。这样既保证了仪器的安全性和可靠性，又可使软件随时投入高速运行，尽可能提高其运行效率。

另外，也由于采用了各种智能化方法，使驱动器可实现多线程同时安全运行，进行多线程并行测试；同时，驱动器还具有强大的仿真功能，可以在不连接实际仪器的情况下，开发测试程序。

最后一个特点是驱动器运行只与测试功能相关，而与仪器采用的接口总线方式无关，只通过一个初始化函数In it with Options来区分仪器接口总线和地域的异用。

总之，由于虚拟仪器采用了一系列智能自动化手段，彻底改变了以往VXI总线即插即用标准仪器驱动器的运行效率低，编程的结构、风格不一致，编程困难，质量低，工作量大，使用、维护麻烦等等一系列缺陷，从而在高效、高质量、安全可靠、使用方便、灵活的条件下实现全面地统一运行，显示出智能自动化技术对虚拟仪器以至整个仪器仪表工业高速发展的深远影响。

(3)仪器仪表网络化中的应用

由于仪器与计算机一旦组成网络，即可凭借智能化软硬件(诸如模式识别、神经网络的自学习、自适应、自组织和联想记忆功能)，充分发挥灵活调用和合理配置网上各种计算机和仪器仪表的各自资源特性和潜力，产生1+1>2的组合优势。例如，目前已可使用连接到

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Web 的数字万用表和示波器，通过因特网和模式识别软件区别不同的时空条件和仪器仪表的类别特征以及测出临界值，作出不同的特征响应；也可使用分布式数据采集系统代替过去单独使用的数据采集设备，以至可跨越以太网或其他网络，实施远程测量和采集数据，并进行分类的存储和应用。

网络化的智能测量环境将网上各种类型，不同任务的计算机和仪器仪表有机地联系在一起，完成各种形式的任务要求，如在某地采集数据后送往各种需要这些数据的地方，把相同数据按需拷贝多份，送往各需要部门；或者定期将测量结果送往远方数据库保存，供需要时随时调用。而多个用户可同时对同一过程进行监控，例如各部门工程技术人员、质量监控人员以及主管领导人员可同时分别在相距遥远的各地监测、控制同一生产运输过程，不必亲临现场而又能及时收集各方面数据，进行决策或建立数据库，分析现象规律。一旦发生问题，可立即展现眼前或重新配置，或即时商讨决策，立即采取相应措施。

另外，智能重构信息处理技术也将为仪器仪表创造更广阔的活动舞台。结合了计算机与专用集成电路(ASIC)优点的可重构计算机，不仅要根据不同的计算任务对大量的可编程逻辑单元阵列(FPGA)作出灵活的相应配置，其指令级、比特级、流水线级以至任务级的并行计算，使其运行速度达到通用计算机的数百倍以上。

综上所述，随着智能自动化技术应用的日益深入及应用范围与规模的不断扩大，我国的仪器仪表产业的发展水平必将快速迈向更高阶段。

6. 总结

智能仪器仪表是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。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仪表向小型化、多功能化、人工智能化方向发展的动力。可以预见,不久的将来,各种智能化仪器仪表会应用于社会的各个领域。

不管是在现在，还是在未来，我们相信智能仪器将会在国家建设、企业发展中将会着发挥重要的作用，做一名测控技术与仪器专业的学生，学习和掌握各种智能仪器，对现在的学习，还是对未来就业等问题都会有非常重要的作用。

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智能科技在仪器仪表中的应用正日新月异地飞速发展，许多其他领域的新技术也不断融合进来。例如在充分发挥光电束流最高速物性的基础上，智能化日益趋向人脑化。积极地利用人脑机制与生物DNA芯片的有机智能，与电子，光子计算速度的无机智能的高效、能动优势相结合，并使材料智能化，进而与虚拟化交互作用，共同提高。当今又有光互连技术正以极高的时空带宽、极小的电磁干扰和较小的互连功耗等一系列独特的物理性能，克服了电互连技术物理上的本质极限，为动态、灵活、高速、实时地重构网络互连结构，大大提高并行处理能力，开创出一个全新天地。这更将为人类创造出形形色色、开放的人机结合系统，和五光十色的拟人高智能、高效自动化系统奠定牢固基础，从而将人类社会生产力不断推向新的更高境界，使人类生活向着智能世界幸福美好的明天大步迈进！

【参考文献】

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【4】 毛伟云 基于ARM的嵌入式智能仪器的研究与设计 西北工业大学硕士学位论文 2007 【5】 姜玉柱 智能仪器及其发展前景综述(M) 制造业信息化 2001

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