2.3　智能仪器

2.3.1　概述

智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，可实现对数据的存储、运算、逻辑判断和自动化操作。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，逐步在现代液压测试系统中得到了应用。

与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点。

（1）操作自动化

仪器的整个测量过程如键盘扫描，量程自动切换，开关启动闭合，数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。

（2）通过软件控制测量过程

智能仪器引入计算机技术，测试系统的计算机和其他硬件在计算机软件的控制下，自动、协调地按设定的程序工作，完成测量和实现各种自动控制功能。当需要增加或改变仪器的功能时，只需要修改软件（控制程序），硬件结构可以不改变或作小的调整。

（3）具有自测功能

包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自动过载保护、自诊断及量程自动切换等。智能仪表能自动检测出故障的部位，甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。

（4）具有强大的数据处理功能

智能仪器采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能；不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，而且有效地提高了仪器的测量精度。

（5）具有友好的人机对话能力

智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时反馈给操作人员，使仪器的操作更加方便直观。

（6）具有可编程控操作能力

一般智能仪器都配有GPIB、RS-232C、RS-485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。

（7）具有多样化、综合化的测试功能

计算机测试系统中只要配有相应的传感器、信号调理电路和计算机控制程序，就可以一机多能，并可通过综合各测量参数得到所需要的测量结果。智能仪器不但测量数据多样化，其显示也可有数值、曲线图、直方图、图片等多种形式。此外，还可设置故障自诊断、报警等功能。

霍尼韦尔公司生产的DSTJ-3000系列智能变送器，能进行差压值状态的复合测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿，其精度可达到±0.1%FS； RACA-DANA公司的9303型超高电平表，利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声，测量电平可低达-77dB；福禄克公司生产的超级多功能校准器5520A，内部采用了3个微处理器，其短期稳定性达到1×10-6，线性度可达到0.5×10-6； FOXBORO公司生产的数字化自整定调节器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数迅速地整定调节器。北京威视锐科技有限公司新近开发的一款便携式可编程智能测量仪器——WaveXpert，它融合了多通道示波器、任意信号发生器、协议分析仪、逻辑分析仪等众多电子测试仪器的基本功能，结合了嵌入式系统和移动互联网技术，可以通过软件重新定义测量功能。

2.3.2　智能仪器的形式

随着计算机技术的发展和计算机在测试系统中越来越多的应用，智能仪器具体的结构形式也越来越多样化。目前，智能仪器的基本结构形式有微机内置式和微机扩展式两种。

（1）微机内置式智能仪器

微机内置式智能仪器将单片和多片微机芯片与测量仪器有机地结合成一体形成单机，其结构如图2-11所示。在这种智能仪器中，其核心CPU通过总线和接口电路与输入、输出电路及外部设备相连，对测试系统进行控制和数据处理。微机内置式智能仪器具有多功能、小型化、低成本和适应性强等特点，被广泛地应用于工业状态检测、科学实验及家用电器等的测量与自动控制。

（2）微机扩展式智能仪器

微机扩展式智能仪器是以PC机为核心的扩展型测试仪器，其结构如图2-12所示，它充分利用了PC机的资源，如硬盘、打印机、绘图仪等硬件以及系统软件、应用软件等，可实现复杂的、高质量要求的测量和数据处理。

2.3.3　智能仪器的功能模块

智能仪器的核心部件是单片微处理器或单板微处理器，实际测试系统的具体要求和功能千差万别，但输入电路通常包括信号调理、采样保持、A/D转换等功能模块。测试系统需要显示数据、人机交互界面或实现某种自动控制，要求有D/A转换、功率放大、驱动等功能电路。

（1）V/I转换电路

由于电流信号衰减小、抗干扰能力强、适宜于较远距离的传输，因此，许多工业用智能仪器都以电流方式配接。D/A转换输出的信号有电压和电流两种形式，但电流幅值大多在μA数量级。所以D/A转换器通常需要配接V/I转换电路。典型的V/I转换电路有负载共电源方式和负载共地方式，如图2-13所示。

①负载共电源方式　图2-13（a）所示为负载共电源方式的V/I转换电路，运算放大器两输入端基本上为等电位，由此可得：

　　（2-1）

从式（2-1）可知，该电路的输出量Io与输入量Vi成正比，即V/I转换电路将电压输入量转换成了电流输出。

②负载共地方式　图2-13（b）所示的负载共地方式的V/I转换电路中，运算放大器的输入阻抗很高，其输入电流可以忽略不计，当R2≫Rf时，流过R2的电流与Io相比也可以忽略不计，又由于运算放大器的两输入端近似等电位，故有：

化简后得：

　　（2-2）

从式（2-2）中可知，该电路的输出量Io也与输入量Vi成正比。

（2）开关量输出电路

智能仪器通过开关控制方式控制只有两种工作状态的执行机构，由于不同的执行机构所要求的控制电压或控制电流会有误差，因此需要配用与之相适应的开关量输出电路。开关量输出电路的基本结构如图2-14所示，图中DB、AB分别表示CPU输出的控制指令和地址指令。

地址译码器根据CPU的指令产生开关量输出口地址的锁存命令信号，锁存器用于锁存多位开关信号。为防止干扰，锁存器输出的开关信号通常用光电耦合器或继电器等进行分离，并通过驱动电路连接执行机构。

（3）量程自动转换电路

量程自动转换是智能仪器最基本的功能，它使仪器能根据被测量的大小自动选择适当的量程，从而确保了仪器有适宜的分辨力，并可提高测量的精度。量程自动化转换电路具有的结构形式有多种，其基本组成有衰减器、放大器、接口及开关驱动电路等。

以图2-15所示的量程自动转换电路为例进行说明，切换开关S1、S2、S3分别控制衰减系数、前置放大器增益、放大器输出。S1被激励切向A时衰减系数为100，激励撤销，切向B时衰减系数为1；S2被激励切向C时放大器增益为1，激励撤销，切向D时增益为10；S3在E、F位时，放大器分别为直接输出和衰减1/10输出。智能仪器CPU输出的量程转换指令控制驱动电路工作，使S1、S2、S3线圈通电或断电，实现三个切换开关状态的不同组合，使该电路形成200 mV、2 V、20 V、200 V和1000 V五挡量程。该量程自动转换电路的量程自动转换阈值如表2-1所示。

量程自动转换控制程序流程如图2-16所示，它根据测量值是否超过了当前量程范围，由主程序在完成一次测量之后调用。如果测量值在高端量程UL和低端量程DL之间，说明现行量程合适，显示测量结果后返回主程序；如果现行量程不当，则进行量程选择，找到合适的量程后返回主程序，并以新换的量程进行下一次测量。

（4）非线性校正

当测量系统输出量与输入量之间函数关系已知时，测量结果的非线性可利用修正电路来校正。但是，当系统的输出特性不能准确描述时，用硬件来校正就极为困难。智能仪器可通过软件来进行非线性修正，如用查表法和插值法就可校正测量结果的非线性。

当测试系统的输出特性可以用表达式准确表示时，可以用查表法进行修正；如果非线性程度严重或测量范围较宽，则可采用分段插值的方法修正；如果所要求的校正精度较高，也可采用曲线拟合的方法修正。

（5）零位误差与增益误差校正

测量装置因传感器和测量电路中元器件的不稳定而产生温度或时间漂移，造成零位误差和增益误差会影响测量精度。一般的仪器采用零位校正机构或校正电路，通过调节旋钮进行零位校正。智能仪器通常采用图2-17所示的方式进行零位误差和增益误差校正，在进行零位校正时，会中断正常的测量过程，并将输出端短路。如果此时输出不为零，则判断为有零位误差。这时，根据系统的增益将输出值折算成输入电路的零位值存储于内存单元。在正常测量时，通过将采样值减去零位值的方法消除零位误差。

智能仪器的增益误差校正是通过定时测量基准参数的方法来实现的。仪器开机后，或每隔一定的时间测量一次基准参数，建立增益误差校正模型，确定并存储校正模型参数。增益误差校正模型确定后，就可对测量值进行校正，以消除误差。

（6）温度误差的补偿

电子仪表的温度校正通常采用温度修正电路，这使仪表线路变得复杂。智能仪器则是通过软件进行温度补偿。在智能仪器的存储器中，存储有通过理论分析和实验方法建立的温度误差补偿模型、包含修正算法的控制程序以及温度补偿用标准参数。工作时，测试系统根据温度传感器的信号对测量值实时地进行温度补偿。