浅议智能仪表的设计探讨

摘要: 智能仪器是在数字化的基础上发展起来的，应用新的处理技术和新的硬件平台，使所设计仪表精度、可靠性、可维护性和可测试性都得到保证和提高的仪器，是计算机技术与仪器仪表相结合的产物，具有数字存储、运算、逻辑判断能力，根据被测参数的变化自动选择量程，具有自动校正、自动补偿、自动寻故障等功能。

关键词:智能仪表原理设计

一、前言

当今通常把模拟式仪器称为第一代，大量指针式的电压表、电流表、功率表及一些通用的测试仪器均是典型的模拟式仪器。模拟式仪器功能简单、精度低、响应速度慢。仪器仪表所采用的电子器件经历了真空管、晶体管和集成电路三个时代；从组织结构、工作原理和功能特点等方面考察，仪器仪表则经历了模拟式、数字式和智能化三个发展阶段。第二代是数字式仪器，它的基本特点是将待测的模拟信号转换成数字信号进行测量，测量结果以数字形式输出显示并向外传送。数字万用表、数字式频率计等均是典型的数字式仪器。数字式仪器精度高、响应速度快、读数清晰、直观，测量结果可打印输出，也容易与计算机技术相结合。同时因数字信号便于远距离传输，所以数字式仪器也适用于遥测、遥控。

二、智能仪表的结构及特点

智能仪表是具备测控功能的特殊微机系统，由于承担的任务，应用的场合不同，各种智能仪表的硬、软件系统差别很大。简单的只含几个芯片和少量程序，如井下压力计、温度显示调节器等；复杂的含大量芯片，丰富的软件和齐全的外设，甚至使用多个单片机；有的智能仪表的复杂程度甚至超过通用型个人计算机，如色谱质谱仪。尽管如此，由于它们都具有内藏处理器或单片机这一基本特征，因此在结构上仍然存在着一些共同之处，其典型结构由三个层次构成。

（一）、微处理器（单片机）

是整个智能仪表的核心，具有基本的算术运算、逻辑分析能力。通常，微处理器需要时钟电路和复位电路，能支持存储器I/O口的扩展和外部中断，有些单片机（如AD836、80C196）还带有片内存储器、定时/计数器、串行通信口以及A/D转换器等。它的时钟频率、字节长度、指令功能与执行速度、外部扩展能力等对整个仪表的性能有直接的影响。

（二）、微型计算机

将片外存储器（EPROM、FLASH等）、I/O接口芯片、外部设备等通过地址、数据、控制三总线与微处理器相连接，即组成微型计算机。为了提高性能和降低成本，大多数定型的智能仪表往往使用嵌入式系统；或应用微处理器的内核，再根据需要配置相应的存储器、接口和其他电路，形成专用集成电路。

（三）、智能仪表

在微型计算机的基础上，根据仪表的性能、功能要求，设计出测量电路和数据采集接口、过程控制电路与接口，再参照仪表的使用环境、习惯和特点设计出其他结构和电路，以及通信、显示和操作部分的软硬件，并构成良好的外型和安装结构，然后再将它们组成完整的智能仪表。由于各种仪表功能、性能要求不一，工作环境不同，面向的被测量千差万别，因此，数据采集和过程控制接口的设计以及数据处理技术与程序实现往往成为整台仪表设计的重点和难点。

三、智能化仪器仪表设计理念和思路

我国的仪器仪表行业引进了大批的国际上高水平的仪器仪表。不仅对国内测量仪器的设计研制、元器件、生产工艺带来了强烈的冲击，更是对我国仪器仪表的设计理论和制造方法的巨大震动。据分析，我国仪器仪表行业的设计理念与国际上差距主要表现在：

1.设计的可靠性

可靠性指标从系统整机到部件级、元器件级逐级分配，从而使整机的可靠性得到保证。当某一部分的可靠性指标无法满足时，可采用冗余设计方案来实现。在高可靠性场合时，尤其是计算机控制系统中，也采用冗余法。国外智能式仪表不仅注重仪表本身的可靠性设计，并对使用可靠性也要加以设计考虑。一般电子仪器仪表产品的可靠性属于指数分布，而机械加工件多的仪表其可靠性属于正态分布，实际计算起来并不很复杂。我国的仪表设计却对此重视不够。

2.设计的维修性

维修性是指使用中产品的维修和生产阶段仪器的校准功能、调试功能和维修功能等技术指标，维修性必须在设计阶段加以保证。国外智能仪器仪表，具有较高的维修度，使其便于生产调试和维修，包括在设计中实施于自动检测系统。这样设计的产品给用户在测量和使用过程中提供了极大的方便性。

3.产品系列化和通用化

国外的仪器仪表制造厂家，其产品系列化工作做得很好。几乎每一种类型产品， 都先后推出系列产品。有简单到复杂的功能型系列：有低到高的量程范围型系列；有仪表附件及接口等不同的附件系列等。先进的智能式仪器仪表，其通用性都很强。这突出反映在绝大多数产品都有通用接口系统，可以很方便地将系统互联并与计算机组建成自动测试系统．这样就使得仪器与仪表的用途和使用范围大大地扩展了。

4.完善智能化仪器仪表中计算机的应用

通过计算机将仪器仪表与传统专业结合起来形成自动控制系统，构成新的专业和产业，解放和发展生产力，这是传统专业发展的力向随着计算机技术在仪器仪表中的使用，这些专业向智能化、自动化发展。因此，拥有可靠性和维修性的设计，加强产品系列化和通用化、完善配套服务设施和智能化仪器仪表中计算机的应用这样的设计理念，才能使智能化仪器仪表行业生机勃勃。

四、智能仪表的特点

（一）、仪表功能强大。智能仪表是硬件和软件的综合体。由于软件强大的运算能力和灵活性，在数据存储、数据处理和测量过程自动控制等方面，仪表的功能均大大增强。

（二）、仪表性能优越。智能仪表中通过微处理进行数据存储和运算处理，很容易实现多种自动补偿、自动校正、多次测量平均等技术，使测量精度大大提高。

（三）、仪表操作自动化。智能仪表自动化程度高被称为自动测试仪表。

（四）、数据传送与通信方便 。智能仪表通常都具有标准通信接口，能够很方便地接入自动测试系统，接受遥控命令、实现自动测试。

五、智能仪表原理

智能仪表的设计原理是从现场实际问题出发，应用新的处理技术和新的硬件平台，使所设计仪表精度、可靠性、可维护性和可测试性都得到保证和提高。使性能、功能增强。能按照事先的安排（体现在编制的程序上），对仪表的主要元器件进行自动检测和诊断；对故障进行定位；还可以对故障部分进行隔离或对系统进行重组，大大提高仪表的容错性和可靠性。还要具有自动处理功能，可以自动进行量程转换，零点和增益误差补偿，测量特性的自动校准，按照一定的规律自动寻找最优的算法参数等，从而极大的提高仪表的性能。

1.设计原则和设计步骤

（一）、设计原则

根据设计对象的要求和实际的约束条件列出详细的设计目标。 采用自上而下逐级分解的方法形成子任务。硬件、软件协调优化设计方案。发挥技术与设备潜力提高设计质量与开发速度。依照产品化规模确定部件和器件的级别。设计自诊断与异常处理功能提高产品的可维护性。针对现场极限条件的防范措施与试运行。

七、结语

我国仪器仪表行业也将发生新的变化并获得新的发展。综上所述，设计理念上的差距，是产品缺乏竞争力的源头。要从源头改变目前现状，差距将会越来越大。及时更新设计理念和加强计算机在智能化仪器仪表中的应用，使智能化仪器仪表发展领域更为广大。

参考文献：

[1]王大珩，现代仪器仪表技术与设计，上卷．北京：科学出版社，2002．

[2]孙培懋、刘正飞，光电技术、机械T业出版社．1995.

[3]吴正毅，测试技术与测试信号处理，清华大学出版社，1991.