智能儀器的發(fā)展趨勢及前景

1、-. z.- - - z -理工大學研究生課程論文/研究報告課程名稱：智能儀器課程代號： 030416 任課教師：懷軍論文/研究報告題目：智能儀器的研究現(xiàn)狀與開展趨勢完成日期： 2016 年 7 月 19 日學科：儀器儀表工程*：*：成績：目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4566448531.研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc456644853 h 2HYPERLINK l _Toc4566448541.1智能儀器的歷史沿革 PAGEREF _Toc456644854 h 2HYPERLINK l _Toc4566448552.開展趨勢 PAGEREF _

2、Toc456644855 h 2HYPERLINK l _Toc4566448562.1智能儀器的組成 PAGEREF _Toc456644856 h 2HYPERLINK l _Toc4566448572.2智能儀器的開展趨勢 PAGEREF _Toc456644857 h 2HYPERLINK l _Toc456644858(1)微型化 PAGEREF _Toc456644858 h 2HYPERLINK l _Toc456644859(2)多功能化 PAGEREF _Toc456644859 h 2HYPERLINK l _Toc456644860(3)人工智能化 PAGEREF _To

3、c456644860 h 2HYPERLINK l _Toc456644861(4)融合ISP和EMIT技術(shù)PAGEREF _Toc456644861 h 2HYPERLINK l _Toc456644862(5)網(wǎng)絡化 PAGEREF _Toc456644862 h 2HYPERLINK l _Toc456644863(6)虛擬儀器是智能儀器開展的新階段 PAGEREF _Toc456644863 h 2HYPERLINK l _Toc4566448642.3智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開展趨勢 PAGEREF _Toc456644864 h 2HYPERLINK l _Toc456644865

4、(1)獨立式智能儀器及自動測試系統(tǒng) PAGEREF _Toc456644865 h 2HYPERLINK l _Toc456644866(2)個人儀器與V*I儀器系統(tǒng) PAGEREF _Toc456644866 h 2HYPERLINK l _Toc4566448673.總結(jié) PAGEREF _Toc456644867 h 2HYPERLINK l _Toc4566448684.主要參考文獻 PAGEREF _Toc456644868 h 21.研究現(xiàn)狀測試儀器是實現(xiàn)測試的根本工具。測試儀器開展至今，主要經(jīng)歷了四個階段：1模擬儀器早期的模擬儀器是基于物理定律產(chǎn)生的，如安培表、伏特表等。這種儀器

5、的共同特征是帶有表盤和機械表針，靠人讀取被測量，因而誤差大，精度低。到20世紀50年代，隨著電子技術(shù)的興起，出現(xiàn)了電子儀器儀表，如電子示波器、信號發(fā)生器等。2數(shù)字儀器數(shù)字儀器是將對模擬信號的測量轉(zhuǎn)化為對數(shù)字信號的測量，并以數(shù)字形式顯示和輸出測量結(jié)果，如數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表等。3智能儀器智能儀器是將微處理器置入數(shù)字儀器中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、儀器自檢等功能。10含有微計算機或微處理器的測量儀器，由于擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動操作等功能，有著一定的智能作用，因而被稱為智能儀器。智能儀器是計算機技術(shù)向測量儀器移植的產(chǎn)物。近年來，隨著迅猛開展的微計算機和微電子等技術(shù)滲透到測

6、量和儀器領(lǐng)域，智能儀器已開場從數(shù)據(jù)處理向知識處理開展，其概念涵日益延拓。4虛擬儀器現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速開展，高度自動化的工業(yè)化大生產(chǎn)迫切需要功能更強大、本錢更低廉、系統(tǒng)更靈活的新一代測試儀器。計算機總線技術(shù)、軟件技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的開展，使計算機的作用超出了原有的圍，實現(xiàn)了許多原本由硬件完成的或者硬件不能勝任的功能，這標志著軟件即儀器時代的到來。作為一種以計算機軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優(yōu)異、靈活性強 11。1.1智能儀器的歷史沿革20世紀 70年代，出現(xiàn)了基于大規(guī)模集成電路的微處理器，人們在其小體型、高效率、自動化等特點驅(qū)使下，開場對儀

7、器儀表進展智能化改造。1973 年，出現(xiàn)了含微處理器的商品化測量儀器。到1975年，世界上約有近百種這類新型測量儀器儀表問世。含微處理器的新型儀器集合了計算機技術(shù)和測控技術(shù)，具有了一定的人的智能特性，諸如數(shù)據(jù)記憶及處理、邏輯判斷、自檢驗、自校正、靈活反響等功能，因此被人們稱為智能儀器。20世紀80年代，NI公司提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的重要應用。儀器軟件系統(tǒng)所具有的通用性、通俗性、可視性、可擴展性和易升級性等特點，可方便用戶快捷地構(gòu)建測量環(huán)境。虛擬儀器的出現(xiàn)，加速了測量儀器的智能化進程。到了上世紀90年代，融合了3C技術(shù)的智能化現(xiàn)場總線儀器具有了通信接口，開場

8、實現(xiàn)分布式的測量與控制。同期，多媒體技術(shù)被引入到智能儀器的構(gòu)建，增強了智能儀器與人的交互。進入21世紀，智能儀器最大的進步特征是嵌入式系統(tǒng)的采用、與網(wǎng)絡技術(shù)的有機結(jié)合、現(xiàn)代數(shù)學方法以及計算數(shù)學方法的更多利用。嵌入式系統(tǒng)在智能儀器構(gòu)建上的采用，使智能儀器更加小型化，功能更全面，分析處理能力更強，可靠性進一步提高。以Internet為代表的計算機網(wǎng)絡技術(shù)與智能儀器的結(jié)合，使得大圍的分布式測控成為現(xiàn)實，人們在任何時間、從任何地點獲取測量信息成為可能。現(xiàn)代數(shù)學方法中的模糊數(shù)學、分形方法和現(xiàn)代數(shù)值計算方法在智能儀器建模中的應用，明顯提高測量模型的準確度和計算效率，為儀器智能化決策水平提升奠定根底8。2.

9、開展趨勢一個測試系統(tǒng)要完成對被測量的測試，首先必須獲得被測量的信息，并且根據(jù)被測量信息的物理學特性，將其轉(zhuǎn)換成容易處理或傳輸?shù)碾娏啃盘?，然后將電量信號所表示的信息進展變換或放大，再用指示儀或記錄儀將信息顯示或記錄下來。有的測試系統(tǒng)還需要對信息進展處理，以獲得反映實際被測量數(shù)值大小的測試結(jié)果。2.1智能儀器的組成如圖2-1所示為微機嵌式智能儀器的根本組成。系統(tǒng)采用總線構(gòu)造，所有外設和存儲器均掛在總線上，微處理器按地址對它們進展訪問。這是典型的計算機構(gòu)造。它與一般計算機的差異在于多了測量電路，同時，它與外界的通信，通常需通過IEEE-488接口進展3。圖2-1 微機嵌式智能儀器的組成圖2-2 智能

10、儀器的根本組成框圖智能儀器的組成框圖如圖2-2所示1。2.2智能儀器的開展趨勢自從迅猛開展的計算機技術(shù)及微電子技術(shù)滲透入測量和儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域以來,該領(lǐng)域的面貌不斷更新。相繼出現(xiàn)的智能儀器、總線儀器和虛擬儀器等微機化儀器,都無一例外地利用了計算機的軟件和硬件優(yōu)勢,這使它們既增加了測量功能,又提高了技術(shù)性能。從而誕生了軟件就是儀器的概念。智能化是目前電子儀器開展的趨勢，智能儀器以其優(yōu)質(zhì)的特點受到了電器科研以及工業(yè)青睞。智能儀器不僅僅能夠在圍上比傳統(tǒng)儀器的應用更加的廣泛，同時其體積小功耗低以及功能強大等特點也是傳統(tǒng)儀器所不及的9。21世紀的儀器,是一個開放的系統(tǒng)概念,它將隨著計算機總線技術(shù)、網(wǎng)絡通

11、信技術(shù)的開展而不斷開展。多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開展和應用,將極推進在線檢測智能儀器的智能化進程。在在線檢測方面,以微機和工作站為動力,通過組建網(wǎng)絡來提高生產(chǎn)效率和共享信息資源,這已成為一個重要開展方向,今后將到達網(wǎng)絡就是儀器的美好前景。總之,將計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、人工智能技術(shù)移植應用到工業(yè)光電在線檢測儀中,使其具有標準化、虛擬化、智能化、網(wǎng)絡化的功能,是未來新一代光電在線檢測智能儀器開展的必然趨勢2。(1)微型化微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機械技術(shù)、信息技術(shù)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

12、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(shù)的不斷開展,其技術(shù)不斷成熟,價格不斷降低,因此其應用領(lǐng)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(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨特的作用。(2)多功能化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構(gòu)造較復雜的數(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。(3)人工智能化人工智能是計算機應用的一個嶄新領(lǐng)域,利用計算機模擬人的

13、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。智能儀器的進一步開展將含有一定的人工智能,即代替人的一局部腦力勞動,從而在視覺、聽覺、思維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。(4)融合ISP和EMIT技術(shù)伴隨著網(wǎng)絡技術(shù)的飛速開展,Internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設計領(lǐng)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)進展遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。在系統(tǒng)編程技術(shù)(In-System Programming,簡稱ISP技術(shù))是對軟件進展修改、組態(tài)或重組的一種最新技術(shù)。它是LATTIC

14、E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展組態(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*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)進展編程。EMIT嵌入式微型因特網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)是emWare公司創(chuàng)立ETI(E*tend the Internet)擴展Internet

15、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(shù)。利用該技術(shù),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。(5)網(wǎng)絡化伴隨著網(wǎng)絡技術(shù)的飛速開展, Internet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設計領(lǐng)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)進展遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護。因此,智能儀器的網(wǎng)絡化將是一個重要的開展趨勢7。(6)虛擬儀器是智能儀器開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)顯示等三大局部組成的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

16、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?？梢?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*種計算機技術(shù),而虛擬儀器則強調(diào)在通用的計算機技術(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較的應用前景和市場4。近年來,智能化測量控制儀表的開展尤為迅速。國市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多

17、樣智能化測量控制儀表,例如,能夠自動進展差壓補償?shù)闹悄芄?jié)流式流量計,能夠進展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譜圖進展分析和數(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,能進展差壓值狀態(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,其精度可到達 QUOTE 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,部采

18、用了3個微處理器,其短期穩(wěn)定性到達1ppm,線性度可到達0.5ppm;美國FO*BORO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)歷的控制工程師那樣,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)過程中始終保持最正確品質(zhì)5。2.3智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開展趨勢隨著智能儀器的不斷完善以及新的設計思想和新的集成電路的不斷出現(xiàn),軟件的重要性將變得愈來愈突出。可以肯定,測試界今后的巨大變化將發(fā)生在對新器件的應用和軟件設計方面。(1)獨立式智能儀器及自動測試系統(tǒng)獨立式智能儀器在構(gòu)造上自成一體,自

19、身帶有微處理器,能獨立進展測試,使用靈活方便,是現(xiàn)階段智能儀器的主體。這類儀器在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟,借助新技術(shù)、新器件和新工藝,且這類產(chǎn)品還在不斷地推出新。智能儀器幾乎都配有通信接口。GP-IB是國際電工協(xié)會于1978年推薦的一種儀用標準總線接口,已被世界各國普遍采用,帶有GP-IB接口的儀器和計算機,可以借助一條無源電纜總線進展互連,組成自動測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以完成較復雜的測試任務。由智能儀器組成的自動測試系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng),系統(tǒng)的智能儀器在任務一級并行工作,各自具備完備的硬件和軟件,因而能相對獨立地工作,相互間可以通信,它們之間通過外部總線進展互連。自動測試系統(tǒng)一般由計算機、多臺程控儀

20、器以及GP-IB組成。計算機作為系統(tǒng)控制者,通過執(zhí)行測試軟件,實現(xiàn)對測量全過程的控制及處理;各臺可程控儀器作為測試系統(tǒng)的執(zhí)行單元,具體完成采集、測量、處理等任務;GP-IB如同一個多功能的神經(jīng)網(wǎng)絡,將各種設備有機地連接起來,完成系統(tǒng)各種信息的變換和傳輸。(2)個人儀器與V*I儀器系統(tǒng)近年來，由HP、泰克等五家儀器公司聯(lián)合提出了適用于個人儀器系統(tǒng)的接口總線V*I標準，并為世界各廠家所承受。V*I總線的問世被認為是測量和儀器領(lǐng)域發(fā)生的一件最重要的事件，從而使測試儀器系統(tǒng)進入了一個劃時代的新階段。V*I總線是一個開放式構(gòu)造,它允許不同廠家生產(chǎn)的板卡儀器可以在同一機箱中工作,從而使V*I總線很快就成了測試系統(tǒng)的主導構(gòu)造。V*I總線系統(tǒng)一般由計算機、V*I儀器模塊和V*I總線機箱構(gòu)成。V*I總線是面向模塊構(gòu)造的儀器總線,比GP-IB有了較大的進步。V*I總線的地址線和數(shù)據(jù)線均可高至32位，數(shù)據(jù)傳輸速度率高達40Mb/s，此外還定義了多種控制線、中斷線、時鐘線、觸發(fā)線、識別線和模擬信號線等?？梢?V*I總線儀器集中了智能儀器、個人儀器和GP-IB系統(tǒng)的許多優(yōu)點,并具有方便靈活,標準化程度高,可擴展性好,能充分發(fā)揮計算