2.3　智能儀器

2.3.1　概述

智能儀器是含有微型計算機或者微型處理器的測量儀器，可實現對數據的存儲、運算、邏輯判斷和自動化操作。智能儀器的出現，極大地擴充了傳統儀器的應用范圍。智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優勢，逐步在現代液壓測試系統中得到了應用。

與傳統儀器儀表相比，智能儀器具有以下功能特點。

（1）操作自動化

儀器的整個測量過程如鍵盤掃描，量程自動切換，開關啟動閉合，數據的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用單片機或微控制器來控制操作，實現測量過程的全部自動化。

（2）通過軟件控制測量過程

智能儀器引入計算機技術，測試系統的計算機和其他硬件在計算機軟件的控制下，自動、協調地按設定的程序工作，完成測量和實現各種自動控制功能。當需要增加或改變儀器的功能時，只需要修改軟件（控制程序），硬件結構可以不改變或作小的調整。

（3）具有自測功能

包括自動調零、自動故障與狀態檢驗、自動校準、自動過載保護、自診斷及量程自動切換等。智能儀表能自動檢測出故障的部位，甚至故障的原因。這種自測試可以在儀器啟動時運行，也可在儀器工作中運行，極大地方便了儀器的維護。

（4）具有強大的數據處理功能

智能儀器采用了單片機或微控制器，使得許多原來用硬件邏輯難以解決或根本無法解決的問題，現在可以用軟件非常靈活地加以解決。例如，傳統的數字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型的數字萬用表不僅能進行上述測量，而且具有對測量結果進行諸如零點平移、取平均值、求極值、統計分析等復雜的數據處理功能；不僅使用戶從繁重的數據處理中解放出來，而且有效地提高了儀器的測量精度。

（5）具有友好的人機對話能力

智能儀器使用鍵盤代替傳統儀器中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現某種測量功能。與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態以及對測量數據的處理結果及時反饋給操作人員，使儀器的操作更加方便直觀。

（6）具有可編程控操作能力

一般智能儀器都配有GPIB、RS-232C、RS-485等標準的通信接口，可以很方便地與PC機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統，來完成更復雜的測試任務。

（7）具有多樣化、綜合化的測試功能

計算機測試系統中只要配有相應的傳感器、信號調理電路和計算機控制程序，就可以一機多能，并可通過綜合各測量參數得到所需要的測量結果。智能儀器不但測量數據多樣化，其顯示也可有數值、曲線圖、直方圖、圖片等多種形式。此外，還可設置故障自診斷、報警等功能。

霍尼韋爾公司生產的DSTJ-3000系列智能變送器，能進行差壓值狀態的復合測量，可對變送器本體的溫度、靜壓等實現自動補償，其精度可達到±0.1%FS； RACA-DANA公司的9303型超高電平表，利用微處理器消除電流流經電阻所產生的熱噪聲，測量電平可低達-77dB；福祿克公司生產的超級多功能校準器5520A，內部采用了3個微處理器，其短期穩定性達到1×10-6，線性度可達到0.5×10-6； FOXBORO公司生產的數字化自整定調節器，采用了專家系統技術，能夠像有經驗的控制工程師那樣，根據現場參數迅速地整定調節器。北京威視銳科技有限公司新近開發的一款便攜式可編程智能測量儀器——WaveXpert，它融合了多通道示波器、任意信號發生器、協議分析儀、邏輯分析儀等眾多電子測試儀器的基本功能，結合了嵌入式系統和移動互聯網技術，可以通過軟件重新定義測量功能。

2.3.2　智能儀器的形式

隨著計算機技術的發展和計算機在測試系統中越來越多的應用，智能儀器具體的結構形式也越來越多樣化。目前，智能儀器的基本結構形式有微機內置式和微機擴展式兩種。

（1）微機內置式智能儀器

微機內置式智能儀器將單片和多片微機芯片與測量儀器有機地結合成一體形成單機，其結構如圖2-11所示。在這種智能儀器中，其核心CPU通過總線和接口電路與輸入、輸出電路及外部設備相連，對測試系統進行控制和數據處理。微機內置式智能儀器具有多功能、小型化、低成本和適應性強等特點，被廣泛地應用于工業狀態檢測、科學實驗及家用電器等的測量與自動控制。

（2）微機擴展式智能儀器

微機擴展式智能儀器是以PC機為核心的擴展型測試儀器，其結構如圖2-12所示，它充分利用了PC機的資源，如硬盤、打印機、繪圖儀等硬件以及系統軟件、應用軟件等，可實現復雜的、高質量要求的測量和數據處理。

2.3.3　智能儀器的功能模塊

智能儀器的核心部件是單片微處理器或單板微處理器，實際測試系統的具體要求和功能千差萬別，但輸入電路通常包括信號調理、采樣保持、A/D轉換等功能模塊。測試系統需要顯示數據、人機交互界面或實現某種自動控制，要求有D/A轉換、功率放大、驅動等功能電路。

（1）V/I轉換電路

由于電流信號衰減小、抗干擾能力強、適宜于較遠距離的傳輸，因此，許多工業用智能儀器都以電流方式配接。D/A轉換輸出的信號有電壓和電流兩種形式，但電流幅值大多在μA數量級。所以D/A轉換器通常需要配接V/I轉換電路。典型的V/I轉換電路有負載共電源方式和負載共地方式，如圖2-13所示。

①負載共電源方式　圖2-13（a）所示為負載共電源方式的V/I轉換電路，運算放大器兩輸入端基本上為等電位，由此可得：

　　（2-1）

從式（2-1）可知，該電路的輸出量Io與輸入量Vi成正比，即V/I轉換電路將電壓輸入量轉換成了電流輸出。

②負載共地方式　圖2-13（b）所示的負載共地方式的V/I轉換電路中，運算放大器的輸入阻抗很高，其輸入電流可以忽略不計，當R2?Rf時，流過R2的電流與Io相比也可以忽略不計，又由于運算放大器的兩輸入端近似等電位，故有：

化簡后得：

　　（2-2）

從式（2-2）中可知，該電路的輸出量Io也與輸入量Vi成正比。

（2）開關量輸出電路

智能儀器通過開關控制方式控制只有兩種工作狀態的執行機構，由于不同的執行機構所要求的控制電壓或控制電流會有誤差，因此需要配用與之相適應的開關量輸出電路。開關量輸出電路的基本結構如圖2-14所示，圖中DB、AB分別表示CPU輸出的控制指令和地址指令。

地址譯碼器根據CPU的指令產生開關量輸出口地址的鎖存命令信號，鎖存器用于鎖存多位開關信號。為防止干擾，鎖存器輸出的開關信號通常用光電耦合器或繼電器等進行分離，并通過驅動電路連接執行機構。

（3）量程自動轉換電路

量程自動轉換是智能儀器最基本的功能，它使儀器能根據被測量的大小自動選擇適當的量程，從而確保了儀器有適宜的分辨力，并可提高測量的精度。量程自動化轉換電路具有的結構形式有多種，其基本組成有衰減器、放大器、接口及開關驅動電路等。

以圖2-15所示的量程自動轉換電路為例進行說明，切換開關S1、S2、S3分別控制衰減系數、前置放大器增益、放大器輸出。S1被激勵切向A時衰減系數為100，激勵撤銷，切向B時衰減系數為1；S2被激勵切向C時放大器增益為1，激勵撤銷，切向D時增益為10；S3在E、F位時，放大器分別為直接輸出和衰減1/10輸出。智能儀器CPU輸出的量程轉換指令控制驅動電路工作，使S1、S2、S3線圈通電或斷電，實現三個切換開關狀態的不同組合，使該電路形成200 mV、2 V、20 V、200 V和1000 V五擋量程。該量程自動轉換電路的量程自動轉換閾值如表2-1所示。

量程自動轉換控制程序流程如圖2-16所示，它根據測量值是否超過了當前量程范圍，由主程序在完成一次測量之后調用。如果測量值在高端量程UL和低端量程DL之間，說明現行量程合適，顯示測量結果后返回主程序；如果現行量程不當，則進行量程選擇，找到合適的量程后返回主程序，并以新換的量程進行下一次測量。

（4）非線性校正

當測量系統輸出量與輸入量之間函數關系已知時，測量結果的非線性可利用修正電路來校正。但是，當系統的輸出特性不能準確描述時，用硬件來校正就極為困難。智能儀器可通過軟件來進行非線性修正，如用查表法和插值法就可校正測量結果的非線性。

當測試系統的輸出特性可以用表達式準確表示時，可以用查表法進行修正；如果非線性程度嚴重或測量范圍較寬，則可采用分段插值的方法修正；如果所要求的校正精度較高，也可采用曲線擬合的方法修正。

（5）零位誤差與增益誤差校正

測量裝置因傳感器和測量電路中元器件的不穩定而產生溫度或時間漂移，造成零位誤差和增益誤差會影響測量精度。一般的儀器采用零位校正機構或校正電路，通過調節旋鈕進行零位校正。智能儀器通常采用圖2-17所示的方式進行零位誤差和增益誤差校正，在進行零位校正時，會中斷正常的測量過程，并將輸出端短路。如果此時輸出不為零，則判斷為有零位誤差。這時，根據系統的增益將輸出值折算成輸入電路的零位值存儲于內存單元。在正常測量時，通過將采樣值減去零位值的方法消除零位誤差。

智能儀器的增益誤差校正是通過定時測量基準參數的方法來實現的。儀器開機后，或每隔一定的時間測量一次基準參數，建立增益誤差校正模型，確定并存儲校正模型參數。增益誤差校正模型確定后，就可對測量值進行校正，以消除誤差。

（6）溫度誤差的補償

電子儀表的溫度校正通常采用溫度修正電路，這使儀表線路變得復雜。智能儀器則是通過軟件進行溫度補償。在智能儀器的存儲器中，存儲有通過理論分析和實驗方法建立的溫度誤差補償模型、包含修正算法的控制程序以及溫度補償用標準參數。工作時，測試系統根據溫度傳感器的信號對測量值實時地進行溫度補償。