摘要：簡(jiǎn)要介紹了智能儀器的概念、工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)從設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原則上闡述了智能儀器的設(shè)計(jì)思想，并結(jié)合最新的工程技術(shù)和業(yè)界動(dòng)態(tài)講述了智能儀器的發(fā)展趨勢(shì)，最后指出各種功能的智能儀器在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)廣泛使用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：放大器、微電子、EMI、GPIB、傳感器　 　　智能儀器的出現(xiàn)，極大地?cái)U(kuò)充了傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)勢(shì)，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 1、智能儀器的工作原理 　　傳感器拾取被測(cè)參量的信息并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)濾波去除干擾后送人多路模擬開(kāi)關(guān)；由單片機(jī)逐路選通模擬開(kāi)關(guān)將各輸入通道的信號(hào)逐一送入程控增益放大器，放大后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)后送入單片機(jī)中；單片機(jī)根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理（如非線(xiàn)性校正等）；運(yùn)算的結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印；同時(shí)單片機(jī)把運(yùn)算結(jié)果與存儲(chǔ)在片內(nèi)FlashROM或EPROM內(nèi)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算比較后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果和控制要求，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)（如報(bào)警裝置觸發(fā)、繼電器觸點(diǎn)等）。此外，智能儀器還可以與PC機(jī)組成分布式測(cè)控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為下位機(jī)采集各種測(cè)量信號(hào)與數(shù)據(jù)，通過(guò)串行通信將信息傳輸給上位機(jī)——PC機(jī)，由PC機(jī)進(jìn)行全局管理。智能儀器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 　　圖1: 智能儀器的一般結(jié)構(gòu) 2、智能儀器的功能特點(diǎn) 　　隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以單片機(jī)為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成了所謂的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”，也就是智能儀器。與傳統(tǒng)儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點(diǎn)： 　　1）操作自動(dòng)化。儀器的整個(gè)測(cè)量過(guò)程如鍵盤(pán)掃描、量程選擇、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機(jī)或微控制器來(lái)控制操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全部自動(dòng)化。 　　2）具有自測(cè)功能，包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等，極大地方便了儀器的維護(hù)。 　　3）具有數(shù)據(jù)處理功能，這是智能儀器的主要優(yōu)點(diǎn)之一。智能儀器由于采用了單片機(jī)或微控制器，使得許多原來(lái)用硬件邏輯難以解決或根本無(wú)法解決的問(wèn)題，現(xiàn)在可以用軟件非常靈活地加以解決。 　　4）具有友好的人機(jī)對(duì)話(huà)能力。智能儀器使用鍵盤(pán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的切換開(kāi)關(guān)，操作人員只需通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí)，智能儀器還通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員，使儀器的操作更加方便直觀(guān)。 　　5）具有可程控操作能力。一般智能儀器都配有GPIB、RS232C,RS485等標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便地與PC機(jī)和其他儀器一起組成用戶(hù)所需要的多種功能的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，來(lái)完成更復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。 3、智能儀器的設(shè)計(jì)原則及研制 　　智能儀器的研制開(kāi)發(fā)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程。為完成儀器的功能，實(shí)現(xiàn)儀器的指標(biāo)，提高研制效率，并能取得一定的研制效益，應(yīng)遵循正確的設(shè)計(jì)原則、按照科學(xué)的研制步驟來(lái)開(kāi)發(fā)智能儀器。 　　儀器可靠性是最突出也是最重要的，應(yīng)采取各種措施提高儀器的可靠性，從而保證儀器能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。 　　第一，硬件：儀器所用器件的質(zhì)量和儀器結(jié)構(gòu)工藝是影響可靠性的重要因素，故應(yīng)合理選擇元器件和采用在極限情況下進(jìn)行試驗(yàn)的方法。所謂合理選擇元器件是指在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)元器件的負(fù)載、速度、功耗、工作環(huán)境等技術(shù)參數(shù)應(yīng)留有一定的余量，并對(duì)元器件進(jìn)行老化和篩選。而極限情況下的試驗(yàn)是指在研制過(guò)程中，一臺(tái)樣機(jī)要承受低溫、高溫、沖擊、振動(dòng)、干擾、煙霧等試驗(yàn)，以保證其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。 　　第二，軟件：采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時(shí)，對(duì)軟件進(jìn)行全面測(cè)試也是檢驗(yàn)錯(cuò)誤排除故障的重要手段。 　　在硬件或軟件設(shè)計(jì)時(shí)，把復(fù)雜的、難處理的問(wèn)題，分為若干個(gè)較簡(jiǎn)單的、容易處理的問(wèn)題，然后再一個(gè)個(gè)地加以解決。設(shè)計(jì)人員根據(jù)儀器功能和設(shè)計(jì)要求提出儀器設(shè)計(jì)的總?cè)蝿?wù)，并繪制硬件和軟件總框圖（總體設(shè)計(jì)）。然后將任務(wù)分解成一批可獨(dú)立表征的子任務(wù)，這些子任務(wù)還可以再向下分，直到每個(gè)低級(jí)的子任務(wù)足夠簡(jiǎn)單，可以直接而且容易地實(shí)現(xiàn)為止。這些低級(jí)子任務(wù)可采用某些通用模塊，并可作為單獨(dú)的實(shí)體進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，能夠以最低的難度和最高的可靠性組成高一級(jí)的模塊。 　　智能儀器的造價(jià)，取決于研制成本、生產(chǎn)成本、使用成本。設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)盲目追求復(fù)雜、高級(jí)的方案。在滿(mǎn)足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)單成熟的方案，意味著元器件少，開(kāi)發(fā)、調(diào)試、生產(chǎn)方便，可靠性高。就第一臺(tái)樣機(jī)而言，主要的花費(fèi)在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和軟件開(kāi)發(fā)，樣機(jī)的硬件成本不是考慮的主要因素。 4、智能儀器發(fā)展趨勢(shì) 　　4.1　微型化 　　微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)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(hào)的采集、線(xiàn)性化處理、數(shù)字信號(hào)處理，控制信號(hào)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(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價(jià)格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在自動(dòng)化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用。 　　4.2　多功能化 　　多功能本身就是智能儀器儀表的一個(gè)特點(diǎn)。例如，為了設(shè)計(jì)速度較快和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，儀器生產(chǎn)廠(chǎng)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(zhuān)用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測(cè)試功能上提供了較好的解決方案。 　　4.3　人工智能化 　　人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，利用計(jì)算機(jī)模擬人的智能，用于機(jī)器人、醫(yī)療診斷、專(zhuān)家系統(tǒng)、推理證明等各方面。智能儀器的進(jìn)一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動(dòng)，從而在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、思維等方面具有一定的能力。這樣，智能儀器可無(wú)需人的干預(yù)而自主地完成檢測(cè)或控制功能。 　　4.4　融合ISP和EMIT技術(shù) 　　伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)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(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透，實(shí)現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的通訊能力以及對(duì)設(shè)計(jì)好的智能儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)、功能重置和系統(tǒng)維護(hù)。 　　在系統(tǒng)編程技術(shù)（In-System Programming，簡(jiǎn)稱(chēng)ISP技術(shù)）是對(duì)軟件進(jìn)行修改、組態(tài)或重組的一種最新技術(shù)。它是LATTICE半導(dǎo)體公司首先提出的一種使我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣(mài)給最終用戶(hù)以后，具有對(duì)其器件、電路板或整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時(shí)進(jìn)行組態(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)的某些限制和連接弊病，有利于在板設(shè)計(jì)、制造與編程。ISP硬件靈活且易于軟件修改，便于設(shè)計(jì)開(kāi)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(zhuān)門(mén)編程器和較復(fù)雜的流程，只要通過(guò)PC機(jī)，嵌入式系統(tǒng)處理器甚至INTERNET遠(yuǎn)程網(wǎng)進(jìn)行編程。EMIT嵌入式微型因特網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)是emWare公司創(chuàng)立ETI（eXtend the Internet）擴(kuò)展Internet聯(lián)盟時(shí)提出的，它是一種將單片機(jī)等嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)。利用該技術(shù)，能夠?qū)?位和16位單片機(jī)系統(tǒng)接入Internet，實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳/下載數(shù)據(jù)文件等功能。 　　4.5　虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段 　　測(cè)量?jī)x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)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用PC機(jī)的軟件來(lái)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(jī)組成測(cè)量?jī)x器。這種基于PC機(jī)的測(cè)量?jī)x器稱(chēng)為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測(cè)量?jī)x器?？梢?jiàn)，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)中用了某種計(jì)算機(jī)技術(shù)，而虛擬儀器則強(qiáng)調(diào)在通用的計(jì)算機(jī)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(kuò)展性和升級(jí)性，能為用戶(hù)帶來(lái)極大的利益，因此，具有傳統(tǒng)的智能儀器所無(wú)法比擬的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。 5、結(jié)束語(yǔ) 　　智能儀器是計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、人工智能、VLSI等新興技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)的結(jié)合。隨著專(zhuān)用集成電路、個(gè)人儀器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。作為智能儀器核心部件的單片計(jì)算機(jī)技術(shù)是推動(dòng)智能儀器向小型化、多功能化、更加靈活的方向發(fā)展的動(dòng)力?？梢灶A(yù)料，各種功能的智能儀器在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)廣泛地使用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。