智能儀器功能原理及其發展趨勢

摘 要：智能化是目前電子儀器發展的趨勢，智能儀器以其優質的特點受到了電器科研以及工業青睞。智能儀器不僅僅能夠在范圍上比傳統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儀器所不及的。

關鍵詞：智能儀器；原理；特點；發展趨勢

1 工作原理

信息由傳感器感受后將這些被測參量進行電信號的轉換，后傳遞進入模擬開關，但是，在進入模擬開關前需要對干擾進行濾波去除；由單片機再對進入通道的信號進行選通并將信號傳遞給增益放大器，被放大的信號還需要進行脈沖信號的轉換，通過轉換器轉換后再次送入單片機；單片機在初始設定值的基礎上對這些數據進行相應的處理以及計算；最后所顯示和打印出的數據就是運算后的結果；在儀器內的E2PROM以及FlashROM內都有著設定好的參數，單片機會將計算后的值同這些參數進行比較，根據事先的設定對在比較結果的基礎上發出控制信號。正式由于智能儀器的這種工作原理，因此其和PC機相互配合還能夠成為分布式的測控系統[1]，由PC機作為上位機用以接收各個下位機所采集以及測量的數據或者是信號，并進行統一的管理。

2 功能特點

集成電路的出現是現代電子技術發展的結果，比之微電子儀器，集成電路更是將各種微型電路集中到一塊芯片上，超大規模的集成電路就是這項技術發展的結果。集成了各個電路的芯片就是單片機，并在此基礎上結合了測量控制以及計算機等技術，智能化控制測量系統就誕生了，智能化儀器就是在此基礎上產生[2]。

較之傳統的儀器以及儀表設備，智能儀器有著其獨特的方面：

①自動化的操控手段。整個系統在控制上都是由單片機或者是微控設備進行操作和控制的，諸如：量程的選擇以及開關的控制，采集數據以及掃描，數據的處理傳輸和打印顯示等動作，都可以通過智能儀器實現自動化。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、數據的采集、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，實現測量過程的全部自動化。

②智能化的自測功能。智能設備對于自身所產生的故障能夠自我分析，檢測出故障部位甚至能查找分析出原因。像自動故障狀態的檢驗、自動凋零、量程的自動轉換和自我校準和診斷等。自我檢測的功能在儀器的維護上提供了極大的方便，其運行的時間也較為的靈活。

③能夠處理數據。數據處理是智能儀器相比傳統儀器所具有的優勢，由于微控設備以及單片機的存在使得相對于傳統的邏輯硬件在處理信號以及數據上更加的靈活，很多邏輯硬件無法做到的事情通過智能儀器在軟件的控制下靈活的解決。

④人機關系更加和諧。傳統的儀器主要是靠切換開關進行操作，而智能儀器只需要通過鍵盤對命令進行輸入就能夠實現測控，操作員可以更加方便的進行操作。并且，通過顯示屏智能儀器還會將儀器的工作狀態以及運行狀態、測量和處理后的數據進行直觀的顯示，使得操作員方便及時的掌握儀器以及測控的狀態。

3 發展趨勢

3.1 微型化

智能儀器在信號的采集以及數據的處理中具有著很大的優勢，但是隨著人們對于儀器功能要求的同時，對于儀器的體積也同樣提出了要求。微型化成為了機械儀器的發展主流趨勢，并且智能儀器中所用的電子元件體積不斷的減小，加之微電機械技術的發展使得智能儀器也向著微型化的方向發展。微型智能設備雖然體積小，但是在進行信號以及數據采集、信號處理以及線性化處理、輸出放大信號等功能上同樣全面。而且隨著技術的發展，微電子業的技術不斷的趨于完善成熟，微型智能儀器在技術成熟的同時價格也會隨之降低，因此其應用的范圍也會不斷的被擴大。在軍事航天、生物科技、醫療自動化技術中衛星智能化儀器都有著其獨特的作用。舉例：對于一個病人進行不同參量的測量，通常需要插入幾個管子，管子數量的增多就會加大感染幾率，微型智能設備就可以解決這種問題，其體積小并且能夠同時測量多個參數，能夠植入體內，這些都是傳統儀器所不及的。

3.2 多功能化

智能儀器其中一個特點即是儀器的多功能性。諸如，儀器生產的廠家所制造的函數發生器，這種儀器就集合了頻率合成儀、脈沖發生器以及任意波形發生儀的功能。這樣將各種儀器的功能進行集合不但能夠在性能上保證準確性高于頻率合成器或者是專用的脈沖發生儀器，同時由于設備的功能集成，在性能測試上也可以綜合的進行，可以更好的為測試功能提供相應的解決方案。

3.3 人工智能化

人工智能是計算機應用的一個嶄新領域[4]，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫療診斷、專家系統、推理證明等各方面。智能儀器的進一步發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，人工智能在現代儀器儀表中的應用，使我們不僅可以解決用傳統方法很難解決的一類問題，而且可望解決用傳統方法根本不能解決的問題。

3.4 融合ISP和EMIT技術，實現儀器儀表系統的Intenet接入（網絡化）

伴隨著網絡技術的飛速發展，Intenet技術正在逐漸向工業控制和智能儀器儀表系統設計領域滲透，實現智能儀器儀表系統基于Intenet的通訊能力以及對設計好的智能儀器儀表系統進行遠程升級、功能重置和系統維護。

在系統編程技術（In-System Programming，簡稱ISP技術）是對軟件進行修改、組態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品設計、制造過程中的每個環節，甚至在產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的邏輯和功能隨時進行組態或重組能力的最新技術。ISP技術消除了傳統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。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，嵌入式系統處理器甚至INTERNET遠程網進行編程。

EMIT嵌入式微型因特網互聯技術是emWare公司創立ETI（eXtend the Intenet）擴展Intenet聯盟時提出的，它是一種將單片機等嵌入式設備接入Intenet的技術。利用該技術，能夠將8位和16位單片機系統接入Intenet，實現基于Intenet的遠程數據采集、智能控制、上傳/下載數據文件等功能。

3.5 虛擬儀器是智能儀器發展的新階段

測量儀器的主要功能都是由數據采集、數據分析和數據顯示等三大部分組成的。在虛擬現實系統中，數據分析和顯示完全用PC機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測足儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統，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，軟件系統是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”。

4 結束語

智能儀器是計算機科學、電子學、數字信號處理、人工智能、VLSI等新興技術與傳統的儀器儀表技術的結合。隨著專用集成電路、個人儀器等相關技術的發展，智能儀器將會得到更加廣泛的應用。作為智能儀器核心部件的單片計算機技術是推動智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發展的動力。

參考文獻

[1]李泓.智能儀器設計基礎[M].北京：清華大學出版社，2010.51-52.

[2]史健芳.智能儀器設計基礎[M].北京：電子工業出版社，2012.22-24.