智能仪器的特点和基本组成

1．智能仪器的概况

智能仪器是一类新型的、内部装有微处理器或单片机的微机化电子仪器，它是由传统的电子仪器发展而来的，但在结构和内涵上已经发生了本质的变化。

这一代仪器是计算机科学、通信技术、微电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI等新兴技术与传统电子仪器相结合的产物。智能型仪器的主要特征是仪器内部含有微处理器(或单片机)，它具有数据存储、运算和逻辑判断的能力，能根据被测参数的变化自动选择量程，可实现自动校正、自动补偿、自寻故障，以及远距离传输数据、遥测遥控等功能，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作。也就是说，这种仪器具备了一定的智能，故称为智能仪器。

2．智能仪器的组成

智能仪器主要由硬件和软件两部分组成。

(1)硬件。硬件主要包括主机电路、模拟量输入输出通道、人机接口和标准通信接口电路等，如图6－12所示。

图6－12 智能仪器硬件电路

主机电路通常由微处理器、程序存储器以及输入输出(I/O)接口电路等组成，有时，主机电路本身就是个单片机。主机电路主要用于存储程序与数据，进行系列的运算和处理，并参与各种功能控制。模拟量输入输出通道主要由A/D转换器，D/A转换器和有关的模拟信号处理电路等组成。主要用于输入和输出模拟信号，实现模数与数模转换。人机接口主要由仪器面板上的键盘和显示器等组成，用来建立操作者与仪器之间的联系。标准通信接口使仪器可以接受计算机的程控命令，用来实现仪器与计算机的联系。一般情况下，智能仪器都配有GPIB等标准通信接口。此外，智能仪器还可以与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机——PC机，由PC机进行全局管理。

(2)软件。软件即程序，主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。

监控程序面向仪器面板和显示器，负责完成如下工作: 通过键盘操作，输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数; 通过控制I/O接口电路进行数据采集，对仪器进行预定的设置; 对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理; 以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。接口管理程序主要面向通信接口，负责接收并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并根据通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果以及响应计算机远程控制命令。数据处理程序主要完成数据的滤波、运算和分析等任务。监控程序面向仪器面板和显示器，负责完成如下工作: 通过键盘操作，输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数; 通过控制I/O接口电路进行数据采集，对仪器进行预定的设置; 对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理; 以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。

智能仪器硬件结构接口管理程序主要面向通信接口，负责接收并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码，并根据通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果以及响应计算机远程控制命令。数据处理程序主要完成数据的滤波、运算和分析等任务。

3．智能仪器的特点

含有微计算机的智能仪器意味着计算机技术与测量仪器的结合，它所具有的软件功能已使仪器呈现出某种智能的作用。相对于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破，其发展潜力十分巨大，这已为多年来智能仪器发展的历史所证实。概括起来，智能仪器具有以下特点:

(1)测量过程自动化。整个测量过程在软件控制下进行，实现了自动化。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在CPU的控制下，按照软件程序操作，实现测量过程的全部自动化。软件控制可以简化系统的硬件结构，缩小体积，降低功耗，提高测试系统的可靠性和自动化程度。

(2)数据处理功能强。能够对测量数据进行存储和处理是智能测试系统的主要优点之一。相比于传统测试系统事后进行数据分析和处理来讲，智能测试系统采用软件对测量结果进行实时处理和修正，这不仅将人们从繁重的手工数据处理工作中解脱出来，大大提高了测量精度，而且可以对采集的信号进行数字滤波、时域和频域分析，从而获取更为丰富的信息。另外，由于智能仪器采用了单片机或微控制器，这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，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，有效地提高了仪器的测量精度。

(3)测量速度快、精度高。测量速度是指系统从测量开始，经过信号放大、整流、滤波、非线性补偿，A/D转换、数据处理和结果输出的全过程所需的时间，高速测量一直是测试系统追求的目标之一。高速的PC机的时钟频率，高速A/D转换的采样速度，和高速显示、高速打印以及高速绘图设备的日臻完善，所有这些都为智能仪器的快速检测提供了条件。此外，微处理器具有强大的数据运算、数据处理和逻辑判断功能，这使得智能仪器能够有效地消除由于漂移、增益变化和干扰等因素所引起的误差，从而提高仪器的测量精度，进一步简化电路结构。

(4)多功能化。智能仪器具有测量过程软件控制和数据处理功能，这使得一机多用成为可能。例如在电力系统使用的智能电力需求分析仪，不仅可以测量电源的各种功率、电能、各相电压、电流、功率因数和频率，还可以统计电能的利用峰值、峰时、谷值、谷时以及各项超界时间，预置电量需求计划，并兼有自动测量、打印、报警等多项功能。

(5)面板控制简单灵活，人机界面友好。智能仪器使用键盘代替传统仪器中旋转式或琴键式切换开关来实施对仪器的控制，只需键入命令，就可实现各种测量功能，这既有利于提高仪器技术指标，又方便了仪器的操作。与此同时，智能仪器还可通过显示屏将系统的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉人们，更形象直观。

(6)具有可程控操作能力。一般的智能仪器都有GPIB、RS232C、USB等标准通信接口，可以很方便地与计算机联系，接收计算机的命令，使其具有可程控操作的功能。也可以与其他系统一起组成多功能的自动测试系统，从而完成更复杂的测试任务。这不仅简化了组建过程，降低了成本，还提高了效率。

(7)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。