智能仪器发展史

智能仪器发展史--0910100121创新班何胜摘要：随着仪器仪表和信息管理的高度自动化，以计算机为核心的信息处理与过程控制相结合的智能仪器系统应运而生。

智能仪器是计算机技术与测试技术相结合的产物，是含有微计算机或微处理器的测量仪器。

由于他拥有对数据的存储、运算、逻辑判断和自动化操作等功能，具有一定的智能作用，因而被称为智能仪器。

关键词：智能仪器;人工智能;虚拟仪器智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。

智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。

1智能仪器的分类聪敏仪器是以电子、传感、测量技术为基础的，是智能仪器分类中最低级的类别。

初级智能仪器主要特点是应用了计算机及信号处理技术，更严格的讲，应包括测量数学。

模型化仪器是在初级只能仪器基础上有应用了建模技术和方法，它是以建模的数学方法及系统辨识技术作为支撑的。

高级智能仪器是智能仪器的最高类别，人工智能是它的显著特征错误!未指定书签。

2能仪器的基本组成智能仪器由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分包括微机系统、输入通道、输出通道、人-机对话通道及通信接口，其基本组成如图所示。

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软件部分包括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，以控制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处理；以数字、字符等形式现实测量结果、数据处理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控命令，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、数据处理结果及仪器的现行工作状态信息。

3能仪器的功能特点随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。

以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。

与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点：①操作自动化。

仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。

②具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。

智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。

这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。

③具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。

智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。

例如，传统的数字万用表只能测量电阻、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，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。

④具有友好的人机对话能力。

智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。

与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。

⑤具有可程控操作能力。

一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。

4能仪器的发展概况20世纪50年代以前，仪器的功能用硬件实现，几乎没有软件的介入，完全由生产厂商在产品出厂前定义好，测量结果用指针显示，称为模拟式仪器。

体积庞大、功能单一、开放性差。

60年代，随着集成电路的出现，产生了以集成电路芯片为基础的数字式仪器，其基本工作原理是在测量过程中将模拟信号转为数字信号，测量结果以数字形式显示和输出。

读书清晰、响应速度快、精度高。

70年代，微处理器被用到仪器中，仪器前面板开始朝键盘化方向发展，测量系统常通过IEEE—488总线连接。

不同于传统独立仪器模式的个人仪器得到了发展等。

80年代以后，仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影响仪器仪表的设计;DSP芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强;微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力;图像处理功能的增加十分普遍;VXI总线得到广泛的应用。

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推动智能仪器发展的主要技术：①传感器技术②A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测量范围③单片机与DSP的广泛应用④嵌入式系统与片上系统（SOC）将使智能仪器的设计提升到一个新阶段⑤ASIC、FPGA/CPLD技术在智能仪器中的广泛使用⑥LabVIEW等图形化软件技术⑦网络与通信技术⑧智能仪器的微型化技术6能仪器发展趋势6.1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。

例如，目前要同时测量一个病人的几个不同的参量，并进行某些参量的控制，通常病人的体内要插进几个管子，这增加了病人感染的机会，微型智能仪器能同时测量多参数，而且体积小，可植入人体，使得这些问题得到解决。

6.2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(如准确度)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。

6.3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(图形及色彩辨读)、听觉(语音识别及语言领悟)、思维(推理、判断、学习与联想)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。

显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用，使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能解决的问题。

6.4融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的Internet接入(网络化)计算机网络技术的日益成熟提供了将测控、计算机和通信技术相结合的可能。

利用网络技术将各个分散的测量仪器设备连在一起，各仪器设备之间通过网络交换数据和信息，实现各种数据和信息跨地域、跨时间的传输与交换，使测量不再是单个仪器设备相互独立操作的简单组合，而是一个统一的、高效的整体，实现了各仪器资源的共享和测量功能的优化。

这是国防、通信、铁路、航空、航天、气象和制造等领域的发展趋势。

6.5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。

7智能仪器的研制步骤7.1确定任务、拟制设计方案；①确定设计任务和仪器功能②完成总体设计，确定硬件类型和数量7.2硬件、软件研制及仪器结构设计；①硬件电路设计、研制和调试②应用软件设计、程序编制和调试7.3仪器总调、性能制定；7.4进行设计文件的编制。

设计文件包括：设计任务和仪器功能描述；设计方案的论证；性能测定和现场使用报告；使用者操作说明；硬件资料；程序资料。

8结束语智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI 等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。

随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。

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向小型化、多功能化、更加灵活的方向发展的动力。

可以预料，各种功能的智能仪器在不远的将来会广泛地使用在社会的各个领域。

参考文献：[1] 孙焕根.电子测量与智能仪器.杭州：浙江大学出版社，1992.[2] 程德福林君.智能仪器.机械工业出版社，2009.[3] 赵新明.智能仪器原理及设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.[4] 沈兰荪.仪器仪表智能化的进展.测控技术，1999，18(1)：10-12.[5]金峰.智能仪器设计基础.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005.[6]史键芳.智能仪器设计基础.北京：电子工业出版社，2007.。