1.2 智能儀器的分類與特點

如前所述，智能儀器一般可看成是由傳感器、輸入信號處理接口、人機(jī)界面接口、微機(jī)系統(tǒng)、輸出接口電路構(gòu)成的，其中微機(jī)系統(tǒng)是智能儀器的核心。隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，具有各種處理功能的集成電路體積越來越小，功能越來越強(qiáng)，包含了微機(jī)系統(tǒng)的智能儀器、儀表的體積也可以做得很小。智能儀表，甚至智能傳感器也可以有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能。在此不再加以區(qū)分，統(tǒng)一稱為智能儀器、儀表，或簡稱為智能儀器。

1.2.1 智能儀器的分類

智能儀器分類的方法有多種，可以按微處理器（智能）進(jìn)行分類，也可以按其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，還可以按其主要用途、測量精度等級進(jìn)行分類等。這里簡單討論一下按智能程度分類和按結(jié)構(gòu)分類。

1.智能儀器按智能程度分類

因為微處理器的種類很多，其處理信息的能力差別很大，因此智能儀器存在智能程度或級別，它主要由智能儀器系統(tǒng)的以下特征所決定。

（1）系統(tǒng)大腦（微處理器）的計算能力。從早期的只能同時處理8位數(shù)據(jù)的嵌入式微處理器，到新近能同時處理64位數(shù)據(jù)的嵌入式微處理器，其計算能力差別巨大。

（2）系統(tǒng)用于感知處理、環(huán)境建模、行為生成、判值和全局通信的算法（軟件）復(fù)雜性。

（3）系統(tǒng)在內(nèi)部存儲器內(nèi)存儲信息的能力，包括存儲量、存儲速度等。

（4）系統(tǒng)作用過程的復(fù)雜性，包括多信息的融合等。

涉及自動化生產(chǎn)工業(yè)時，把智能定義成自動化生產(chǎn)過程中一種閉環(huán)控制的儀器所具有的結(jié)合輸入信號及存儲的記憶而出現(xiàn)的判斷控制能力，相應(yīng)地可以將智能儀器做如下分類。

① 聰明類——電子、傳感、測量。

② 初級智能——計算機(jī)，信號與處理。

③ 模型化——系統(tǒng)辨識，模式識別。

④ 高級智能——人工智能。

2.智能儀器按結(jié)構(gòu)分類

智能儀器按結(jié)構(gòu)主要可分成三大類。

（1）單機(jī)型智能儀器。單機(jī)型智能儀器系統(tǒng)的簡單框圖如圖1.5所示。這類智能儀器通常為某種測量目的而設(shè)計，硬件與軟件都是根據(jù)待測量、測控要求、性能指標(biāo)來設(shè)計，針對性比較強(qiáng)，其人機(jī)界面比較簡單，輸入按鍵比較少，輸出采用數(shù)碼管顯示器或液晶顯示器，體積小，測試精度高，可靠性高，一般還有符合某些協(xié)議的通信接口，應(yīng)用十分廣泛。智能儀器狹義上通常就是指這種單機(jī)型智能儀器，這也是本教材要著重分析的智能儀器。

（2）個人計算機(jī)儀器。廣義上，任何一臺個人計算機(jī)附加上測量控制的外部設(shè)備都可以看成是一臺智能儀器，可稱為微機(jī)卡式儀器PCI（Personal Computer Instrument，也稱個人計算機(jī)儀器）。外部設(shè)備與個人計算機(jī)的連接也有多種方法，如插卡式，將所配用的模擬量輸入通道以印制電路板的插板方式直接插入PC箱內(nèi)的空槽中；插件箱式，將各種功能插件集中在一個專用的機(jī)箱中，機(jī)箱備有專用的電源；外接式，通過串、并行口或USB接口與外部設(shè)備相連接。

這類智能儀器的結(jié)構(gòu)如圖1.6所示，虛線框中為標(biāo)準(zhǔn)的個人計算機(jī)結(jié)構(gòu)。如果把打印機(jī)與掃描儀也視做個人計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，則個人計算機(jī)儀器只是比個人計算機(jī)多了測量控制設(shè)備。

這類智能儀器通常采用現(xiàn)成的操作系統(tǒng)，可以在一些通用平臺上進(jìn)行二次設(shè)計開發(fā)，因此具有較強(qiáng)的軟件功能和較好的人機(jī)界面。且個人計算機(jī)儀器充分利用PC的軟件和硬件資源，相對于傳統(tǒng)儀器，大幅度地降低了系統(tǒng)成本，縮短了研制周期。個人計算機(jī)儀器的測量精度等主要由外接的測試電路決定，但可以利用軟件及數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行修正和補(bǔ)償。缺點是普通的微機(jī)可能對工作環(huán)境有一定的要求，此外，PC總線也不是專為儀器系統(tǒng)設(shè)計的，不能實現(xiàn)儀器間的直接通信及觸發(fā)、同步、模擬信號傳輸?shù)裙δ堋Ｒ虼耍@種個人計算機(jī)儀器的性能不是很高。

（3）智能儀器測控系統(tǒng)（又稱為網(wǎng)絡(luò)儀表）。在自動化工業(yè)過程中，往往對整個生產(chǎn)過程都要進(jìn)行監(jiān)控。在對機(jī)電產(chǎn)品測試中，也往往要對多種變量進(jìn)行測試，綜合分析測試結(jié)果。因此，用大量智能儀器、儀表（傳感器）構(gòu)成智能儀器系統(tǒng)也已經(jīng)在很多場合得到了應(yīng)用。

這種智能儀器系統(tǒng)可以利用已有的單機(jī)型智能儀器、個人計算機(jī)儀器組成，也可以根據(jù)工業(yè)自動化過程或自動化測試的具體要求進(jìn)行特殊設(shè)計，目前應(yīng)用比較廣泛的有集散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。這種智能儀表控制系統(tǒng)總體功能強(qiáng)，是未來智能儀器的發(fā)展方向。對這種智能儀器系統(tǒng)而言，單機(jī)型智能儀器可以看成是其中的一個部分，或者說一個單元，很多這樣的測控單元通過現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)組合而成。關(guān)于這種智能儀器測控系統(tǒng)，本書將在后面進(jìn)行介紹。

1.2.2 智能儀器的特點

微機(jī)系統(tǒng)的引入，使智能儀器具有很多明顯的特點（優(yōu)點），主要包括以下幾個方面。

（1）微處理器的引入使許多原來用硬件電路難以解決或根本無法解決的問題，由于利用軟件而獲得較好的解決。例如，傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表（DMM）只能測量交/直流電流、電壓及電阻等，但采用微處理器的智能數(shù)字萬用表還能測量百分率偏移、比例、極值、平均值、方差、均方差、均方根值等，甚至在加上傳感器后還能測量溫度、壓力等非電量。

（2）智能儀器可以通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行自動校正非線性補(bǔ)償、數(shù)字濾波等，修正和克服由各種傳感器、變換器、放大器等引進(jìn)的誤差和干擾，從而提高儀器的精度和其他性能。

（3）智能儀器一般都具有很高的自動化水平。微處理器能控制儀器的整個測量過程，如鍵盤掃描，量程選擇，數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及顯示記錄輸出等，實現(xiàn)了測量過程的自動化。例如，加了微機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的智能數(shù)字萬用表，除可測量傳統(tǒng)的直流電壓、直流電流及電阻外，還可測量任意波形的交流電壓及交流電流的有效值。測頻率時，范圍可擴(kuò)展到10Hz～1MHz。測溫度時，范圍可擴(kuò)展到-60～200℃。可進(jìn)行電平（分貝值）測量和實現(xiàn)自動量程切換，有極性顯示及輸入過載保護(hù)等自動化功能，可對測量結(jié)果做簡單的誤差計算。有的智能數(shù)字萬用表還可在數(shù)字顯示器下面外接光條顯示器，以提高對被測信號波動變化傾向的判斷能力，甚至有的智能數(shù)字萬用表可以顯示波形曲線及相關(guān)性能，具有示波器的功能。

（4）微機(jī)系統(tǒng)都具有通信的功能。通過相關(guān)的協(xié)議，使智能儀器很容易與其他計算機(jī)系統(tǒng)通信，也可以用很多智能儀器構(gòu)成自動測控系統(tǒng)。

（5）智能儀器采用微處理器，從而可以用軟件代替許多硬件電路的工作。這樣，儀器可以簡化結(jié)構(gòu)、減小體積、降低成本和提高可靠性。

（6）智能儀器通常都具有自測試和自診斷功能。它能自行測試功能是否正常，自行診斷是否存在故障及報告故障的部位，提高了儀器的可靠性，簡化和加快了儀器的維修工作。