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1、智能仪器的研究现状与发展趋势西安理工大学研究生课程论文/研究报告课程名称： 智能仪器 课程代号： 030416 任课教师： 赵怀军 论文/研究报告题目：智能仪器的研究现状与发展趋势完成日期： 2016 年 7 月 19 日学 科： 仪器仪表工程 学 号： 姓 名： 成 绩： 目 录1.研究现状31.1智能仪器的历史沿革32.发展趋势42.1智能仪器的组成42.2智能仪器的发展趋势5(1)微型化5(2)多功能化5(3)人工智能化6(4)融合ISP和EMIT技术6(5)网络化6(6)虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段62.3智能仪器与数据采集系统的发展趋势7(1)独立式智能仪器及自动测试系统7(2)个
2、人仪器与VXI仪器系统83.总结94.主要参考文献91.研究现状测试仪器是实现测试的基本工具。测试仪器发展至今，主要经历了四个阶段：（1）模拟仪器早期的模拟仪器是基于物理定律产生的，如安培表、伏特表等。这种仪器的共同特征是带有表盘和机械表针，靠人读取被测量，因而误差大，精度低。到20世纪50年代，随着电子技术的兴起，出现了电子仪器仪表，如电子示波器、信号发生器等。（2）数字仪器数字仪器是将对模拟信号的测量转化为对数字信号的测量，并以数字形式显示和输出测量结果，如数字电压表、数字电流表等。（3）智能仪器智能仪器是将微处理器置入数字仪器中，实现数据存储、数据处理、逻辑判断、仪器自检等功能。10 含
3、有微计算机或微处理器的测量仪器，由于拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动操作等功能，有着一定的智能作用，因而被称为智能仪器。智能仪器是计算机技术向测量仪器移植的产物。近年来，随着迅猛发展的微计算机和微电子等技术渗透到测量和仪器领域，智能仪器已开始从数据处理向知识处理发展，其概念内涵日益延拓。（4）虚拟仪器现代科学技术的飞速发展，高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使计算机的作用超出了原有的范围，实现了许多原本由硬件完成的或者硬件不能胜任的功能，这标志着“软件即仪器”时代的到来。作为一种以计算机软件为核心
4、的新型仪器系统，虚拟仪器功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强 11。1.1智能仪器的历史沿革20世纪 70年代，出现了基于大规模集成电路的微处理器，人们在其小体型、高效率、自动化等特点驱使下，开始对仪器仪表进行智能化改造。1973 年，出现了内含微处理器的商品化测量仪器。到1975年，世界上约有近百种这类新型测量仪器仪表问世。内含微处理器的新型仪器集合了计算机技术和测控技术，具有了一定的人的智能特性，诸如数据记忆及处理、逻辑判断、自检验、自校正、灵活反应等功能，因此被人们称为智能仪器。20世纪80年代，NI公司提出了“虚拟仪器”的概念。虚拟仪器是虚拟现实技术在仪
5、器仪表领域的重要应用。仪器软件系统所具有的通用性、通俗性、可视性、可扩展性和易升级性等特点，可方便用户快捷地构建测量环境。虚拟仪器的出现，加速了测量仪器的智能化进程。到了上世纪90年代，融合了3C技术的智能化现场总线仪器具有了通信接口，开始实现分布式的测量与控制。同期，多媒体技术被引入到智能仪器的构建，增强了智能仪器与人的交互。进入21世纪，智能仪器最大的进步特征是嵌入式系统的采用、与网络技术的有机结合、现代数学方法以及计算数学方法的更多利用。嵌入式系统在智能仪器构建上的采用，使智能仪器更加小型化，功能更全面，分析处理能力更强，可靠性进一步提高。以Internet为代表的计算机网络技术与智能仪
6、器的结合，使得大范围的分布式测控成为现实，人们在任何时间、从任何地点获取测量信息成为可能。现代数学方法中的模糊数学、分形方法和现代数值计算方法在智能仪器建模中的应用，明显提高测量模型的精确度和计算效率，为仪器智能化决策水平提升奠定基础8。2.发展趋势一个测试系统要完成对被测量的测试，首先必须获得被测量的信息，并且根据被测量信息的物理学特性，将其转换成容易处理或传输的电量信号，然后将电量信号所表示的信息进行变换或放大，再用指示仪或记录仪将信息显示或记录下来。有的测试系统还需要对信息进行处理，以获得反映实际被测量数值大小的测试结果。2.1智能仪器的组成如图2-1所示为微机内嵌式智能仪器的基本组成。
7、系统采用总线结构，所有外设和存储器均挂在总线上，微处理器按地址对它们进行访问。这是典型的计算机结构。它与一般计算机的差别在于多了“测量电路”，同时，它与外界的通信，通常需通过IEEE-488接口进行3。 图2-1 微机内嵌式智能仪器的组成图2-2 智能仪器的基本组成框图智能仪器的组成框图如图2-2所示1。2.2智能仪器的发展趋势自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透入测量和仪器仪表技术领域以来,该领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器,都无一例外地利用了计算机的软件和硬件优势,这使它们既增加了测量功能,又提高了技术性能。从而诞生了“软件就是仪器”的概念。智能化
8、是目前电子仪器发展的趋势，智能仪器以其优质的特点受到了电器科研以及工业青睐。智能仪器不仅仅能够在范围上比传统仪器的应用更加的广泛，同时其体积小功耗低以及功能强大等特点也是传统仪器所不及的9。21世纪的仪器,是一个开放的系统概念,它将随着计算机总线技术、网络通信技术的发展而不断发展。多媒体技术和虚拟现实技术的发展和应用,将极大地推进在线检测智能仪器的智能化进程。在在线检测方面,以微机和工作站为动力,通过组建网络来提高生产效率和共享信息资源,这已成为一个重要发展方向,今后将达到“网络就是仪器”的美好前景。总之,将计算机技术、通信技术、网络技术、人工智能技术移植应用到工业光电在线检测仪中,使其具有标
9、准化、虚拟化、智能化、网络化的功能,是未来新一代光电在线检测智能仪器发展的必然趋势2。(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。(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
10、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。(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)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
11、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,
12、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。(5)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系统设计领域渗透,实现智能仪器
13、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。因此,智能仪器的网络化将是一个重要的发展趋势7。(6)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
14、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4。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,以及能够对各种谱图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品种繁多,例如,美国HONEYWELL公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器,能进行差压
15、值状态的复合测量,可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿,其精度可达到0.1%FS;美国RACA-DANA公司的9303型超高电平表,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个微处理器,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。这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。由于这种调节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品质5。2.3智能仪器与数据采集系统的发展趋势随着智能仪器的不断完善以及新的设计思想和新的集成电路的不断出现,软件的重要性将变得愈来愈突出。可以肯定,测试界今后的巨大变化将发生在对新器件的应用和软件设
