智能、虚拟和网络化的新型仪器仪表的应用

　　本文介绍了计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合所形成的新型仪器仪表——智能仪器、虚拟仪器和网络化仪器。

　　近20年来，仪器仪表发展尤为迅速，特别是这些年来计算机技术迅猛发展，广泛渗透到仪器仪表领域，出现崭新的一代仪器仪表——智能仪器、虚拟仪器和网络化仪器。

　　智能仪器

　　智能仪器是将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其具有类似人智能特性或功能的仪器。为了实现这种特性或功能，智能仪器中一般都使用嵌入微处理器的系统芯片(SOC)、或数字信号处理器(DSP)及专用电路(ASIC)，仪器内部带有处理能力很强的智能软件。仪器仪表已不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合，软件在仪器智能高低方面起重要作用的新型仪器。

　　仪器与微处理器相结合，取代了许多笨重的硬件，内部结构和前面板大为改观，节省许多开关和调节旋钮。微处理器通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪器的运行，执行常规测量，对数据进行智能分析和处理，数字显示或传送，而传统的模拟方法是很难做到的。智能仪器具有如下特点：

　　(1)采集信息　借助于传感器和变送器，按处理器的要求采集电量和非电量。

　　(2)与外界对话　使用智能接口进行人机对话及与外部仪器设备对话，接入自动测试系统，甚至接入Internet。另一方面，使用者借助面板上的键盘和显示屏，可用对话方式选择测量功能、设置参数。当然，通过显示器等也可获得测量结果。

　　(3)记忆信息　智能仪器的存储器既用来存储测量程序、相关的数学模型以及操作人员输入的信息，又用来存储以前测得的和现在测得的各种数据。

　　(4)处理信息　按设置的程序对测得的数据进行算术运算，求均值、对数、方差、标准偏差等数**算FFT变换，求解代数方程，比较、判断、推理等。

　　(5)控制　以分析、比较和推理的结果输出相应的控制信息。

　　(6)自检自诊断　自测试(自检)程序对仪器自身各部分进行检测，验证能否正常工作。自检及格时显示通过信息或发出相应声音。否则，运行自诊断程序，进一步检查仪器的哪一部分出了故障，并显示相应的信息。若仪器中考虑了替换方案，则经内部协调和重组还可自动修复。

　　(7)自补偿自适应　智能仪器能适应外界的变化。比如，能自动补偿环境温度、压力等对被测量的影响，能补偿输入的非线性，并根据外部负载的变化自动输出与其匹配的信号等等。

　　(8)自校准自学习　智能仪器常常通过自校准(校准零点、增益等)来保证自身的准确度。不仅如此，它们还能通过自学习学会处理更多更复杂的测控程序。

　　虚拟仪器

　　虚拟仪器是充分利用计算机技术，并可由用户自己设计、自己定义的仪器。它通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板，而波形发生器发生的波形、频率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号(沿口、电平、类型……)等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用，不过，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。随着计算机技术和虚拟仪器技术的发展，用户只能使用制造商提供的仪器功能的传统观念正在改变，而用户自己设计、定义的范围进一步扩大;同一台虚拟仪器可在更多场合应用，比如既可在电量测量中应用，又可在振动、运动和图像等非电量测量中应用，甚至在网络测控中应用。

　　软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言G的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。去年，LabVIEW 6i 问世，将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Internet网。

　　网络化仪器与远程测控

　　网络化仪器是适合在远程测控中使用的仪器。这是计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪器。许多仪器仪表具有远程通信能力，这是早就知道的事情，不过*近这几年正发生着许多新的、重要的变化，*重要的一点是扩展了Web技术的应用，特别是扩展了传输控制协议/网络协议(TCP/IP)、浏览器和嵌套服务器的应用。比如，通过GPIB-ENET转换器、RS232/RS485-TCP/IP转换器，将数据采集仪器的数据流转换成遵循TCP/IP协议的形式，然后上Intranet/Internet网;而基于TCP/IP的网络化智能仪器则通过嵌入式TCP/IP软件，使现场变送器或仪器直接具有Intranet/ Internet功能。它们与计算机一样，成了网络中的独立节点，很方便地就能与就近的网络通信线缆直接连接，而且“即插即用”，直接将现场测试数据送上网;用户通过浏览器或符合规范的应用程序即可实时浏览到这些信息(包括处理后的数据、仪器仪表的面板图像等)。虚拟仪器(VI)把传统仪器的前面板移植到Web页面上，通过Web服务器处理相关的测试需求，通过Intranet/ Internet实时地发布和共享测试数据。

　　考虑远程测量/控制和集中数据收集/处理，仪器需要这种强有力的有线、无线连通性能。这种连通性能给用户带来许多实惠：1.通过网络，用户能够远程监测/控制过程和实验数据，而且实时性非常好。一旦过程中发生问题，有关数据也会立即展现在用户面前，以便采取相应措施(包括向远方制造商咨询等)，可靠性大为增强。2.通过网络，一个用户能远程监控多个过程，而多个用户也能同时对同一过程进行监控。例如,工程技术人员在他的办公室里监测一个生产过程，质量控制人员可在另一地点同时收集这些数据，建立数据库。3.通过网络，大大增强了用户的工作能力。用户可利用普通仪器设备采集数据，然后指示另一台功能强大的远方计算机分析数据，并在网络上实时发布。4.通过网络，用户还可就自己感兴趣的问题在世界范围内进行合作和访问，比如，软件工程师可以利用网络化软件工具把开发程序或应用程序下载给远方的目标系统，进行调试或实时运行，就像目标系统在隔壁房间一样方便。

　　总之，网络通过释放系统的潜力，改变了测量技术的以往面貌，打破了在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式;依靠Internet和网络技术，人们已能够和将能够有效地控制远程仪器设备，在任何地方进行采集、任何地方进行分析、任何地方进行显示。不久的将来，越来越多的测试和测量仪器将融入Internet网。