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智能仪器功能原理及其发展趋势

话题调查中国仪表网2006年11月21日 10:53人气:585

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。
4. 智能仪器发展趋势
4.1 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。
4.2 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。

4.3 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。
4.4 融合ISP和EMIT技术,实现仪器仪表系统的Internet接入(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,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。

  目前美国ConnectOne公司、emWare公司、TASKING公司和国内的P&S公司等均提供基于Internet的DeviceNetworking的软件、固件(Firmware)和硬件产品。
4.5 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。
5. 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。  
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