智能儀表的構(gòu)成要素

摘要：由于計算機、微電子和通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的儀器儀表已經(jīng)被更加智能的儀表所慢慢取代。單片機、DSP、嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用為智能儀表的設計提供了更多新的方案，智能儀表已經(jīng)成為現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)中重要的工具。本文主要闡述了智能儀表的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，并對智能儀表的軟硬件構(gòu)成進行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：智能儀表監(jiān)測系統(tǒng)

1、智能儀器儀表的發(fā)展和現(xiàn)狀

智能儀器是計算機技術(shù)和測控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是含有微型計算機或微處理器的測量儀器，由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能具有一定智能的作用，因此被稱為智能儀器。近年來，智能儀器已經(jīng)開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理方向發(fā)展。智能儀器儀表在模糊判斷、故障診斷、容錯技術(shù)、傳感器信息融合、數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、人工智能、計算智能、機件壽命預測、災害信息辨識等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

自從1971年第一種微處理器出現(xiàn)以來，儀器儀表大致經(jīng)過了模擬化、數(shù)字化、智能化和虛擬化四個發(fā)展階段。

模擬式儀器被稱為第一代，大量指針式電壓表、電流表、功率表以及一些通用的測試儀器均是典型的模擬式儀器，模擬式儀器功能簡單、精度低、響應速度慢。

第二代是數(shù)字式儀器，它的基本特點是將待測的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行測量，測量結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示并向外發(fā)送。數(shù)字式萬用表、數(shù)字式頻率計等均是典型的數(shù)字式儀器，數(shù)字式儀器精度高、響應速度快，讀書清晰、直觀，測量結(jié)果可打印輸出，也容易與計算機技術(shù)相結(jié)合，并且使用于遙測和遙控等遠距離傳輸。

20世紀70年代后，隨著微處理器的廣泛應用，出現(xiàn)了完全突破傳統(tǒng)概念的新一代儀器，即目前比較流行的智能儀器。智能儀器儀表不僅能完成某些測量任務，還能進行各種復雜的數(shù)據(jù)運算處理，且能適應被測參數(shù)的變化，進行自動補償，自動選擇量程、自動校準、自尋故障、自動進行指標判斷與分選以及進行邏輯操作、定量控制與程序控制等工作。隨著新型單片機和大規(guī)模可編程集成器件的出現(xiàn)，新研制生產(chǎn)的智能儀器儀表不斷產(chǎn)生，并且正在逐漸取代傳統(tǒng)的儀器儀表。

隨著微電子技術(shù)與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，測試技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合引起儀器儀表領域里的一場新的革命，一種全新的儀器結(jié)構(gòu)概念導致第四代儀器儀表——虛擬儀器儀表和網(wǎng)絡化儀器儀表的出現(xiàn)。虛擬儀器就是以通用計算機為基礎，加上特定的硬件接口設備和實現(xiàn)特定功能而編制的軟件而形成的一種新型儀器。NI公司有一句著名口號:“軟件就是儀器”。由于虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境和儀器驅(qū)動程序可以為用戶提供自行開發(fā)工具，用戶可以利用這些工具使儀器實現(xiàn)特定的功能。當需要增加新的測量功能時，不用購買一臺新儀器，只需要編制一段新的程序即可。

2、智能儀表的硬件結(jié)構(gòu)

硬件部分主要包括微機系統(tǒng)、輸入通道、輸出通道、人—機對話通道及通信接口等，基本結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1智能儀表基本結(jié)構(gòu)

其中微機系統(tǒng)用來存儲數(shù)據(jù)、程序，并進行一系列運算處理，它通常由微處理器、ROM、RAM、I/O接口和定時/計數(shù)電路等芯片組成，或者它本身就是一個單片機或嵌入式系統(tǒng)。輸入系統(tǒng)用來將對象的狀態(tài)如開關(guān)量信號、頻率量信號、模擬量信號傳輸?shù)轿C系統(tǒng)的通道，是微機系統(tǒng)與采集對象相連接的部分。輸出通道是將微機系統(tǒng)得到的開關(guān)量信號、頻率量信號、模擬量信號向外界傳輸?shù)耐ǖ?，輸出通道的電路隨著輸出控制的不同也有多種多樣，例如D/A 轉(zhuǎn)換電路、放大隔離電路等。人—機對話通道的作用是溝通操作者與儀表之間的聯(lián)系。通信接口則是用來實現(xiàn)儀表與外界交換數(shù)據(jù)、進而實現(xiàn)網(wǎng)絡化互聯(lián)的需求。

3、智能儀表的軟件結(jié)構(gòu)

智能儀表的軟件通常包括監(jiān)控程序、中斷處理程序以及實現(xiàn)各種算法的功能模塊。監(jiān)控程序是儀表軟件的中心環(huán)節(jié)，它接收和分析各種命令，管理和協(xié)調(diào)全部程序的執(zhí)行；中斷處理程序是在人機聯(lián)系部件或其他外圍設備提出中斷申請，并為主機響應后直接轉(zhuǎn)去執(zhí)行的程序，以便及時完成實時處理任務；功能模塊是用來實現(xiàn)儀表的數(shù)據(jù)處理和控制功能，包括各種測量算法（例如數(shù)字濾波、標度變換、非線性校正等）和控制算法（PID控制、前饋控制、純滯后控制、模糊控制等）。

4、總結(jié)

本文首先闡述智能儀表的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，在此基礎上，分析了智能儀表的軟硬件的構(gòu)成要素。

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