1 智能儀表的概念
微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，即以微型計(jì)算機(jī)為主體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表的常規(guī)電子線路，成為新一代具有某種智能的靈巧儀表。這類儀表的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，己經(jīng)從模擬和邏輯電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向的微機(jī)模板或微機(jī)功能部件、接口電路和輸入輸出通道的設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)模擬式儀表的各種功能是由單元電路實(shí)現(xiàn)的，而在以單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)為主體的儀表中，則由編程軟件、各種特殊而復(fù)雜的功能模塊、簡(jiǎn)化的用戶組態(tài)編程功能以及各種典型應(yīng)用的控制策略包等模塊組成的軟件，來(lái)完成眾多的數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)。
智能儀表將計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和測(cè)量技術(shù)等綜合應(yīng)用于儀器儀表的設(shè)計(jì)中，從而使儀器儀表體積更小，功能增強(qiáng)，它所具有的軟件功能更意味著可以將人工智能嵌入其中。與一般的儀器儀表相比，智能儀表所具有的功能特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
(1)在測(cè)量過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)軟件控制。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于儀器儀表，一方面可簡(jiǎn)化硬件的結(jié)構(gòu)，提高儀器儀表的自動(dòng)化程度；另一方面可以通過(guò)軟件的編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器儀表的多種不同功能。
(2)可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。智能儀表突出的特點(diǎn)就是能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)算，主要表現(xiàn)在改進(jìn)測(cè)量結(jié)果的度以及對(duì)結(jié)果的后續(xù)加工兩個(gè)方面。
(3)能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能。單片機(jī)的介入使智能儀表一機(jī)多用的多功能化得以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)量過(guò)程的的軟件控制以及數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)諸如故障自動(dòng)診斷，量程自動(dòng)切換，圖形顯示以及輸出打印等之前的儀器儀表*的多種功能，而且各種新的功能還在不斷的進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
(4)通信能力增強(qiáng)。智能儀表根據(jù)需求一般都配有通信接口，或者更為*的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這使智能儀表具有遠(yuǎn)程操作的能力，能夠與計(jì)算機(jī)或其他相關(guān)儀器儀表配合工作，完成更加復(fù)雜的任務(wù)。
目前智能儀表的發(fā)展現(xiàn)狀可以從對(duì)傳統(tǒng)儀表的改進(jìn)和新型儀表的出現(xiàn)兩方面來(lái)歸納。傳統(tǒng)的儀表引入MCU及各類半導(dǎo)體新器件后，不但工作速度有了跨越式提高，在測(cè)量精度、運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性、存儲(chǔ)容量等方面也有了質(zhì)的改變。除此，新的技術(shù)還使傳統(tǒng)儀表具有了目標(biāo)準(zhǔn)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等功能，使精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。
智能儀表除了在傳統(tǒng)儀表的改進(jìn)方面取得了巨大的成就以外，還開(kāi)辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多新型的儀表。20世紀(jì)80年代以來(lái)，制造業(yè)(汽車制造、各種電子設(shè)備如電子計(jì)算機(jī)、電視機(jī)的制造等)的高速發(fā)展使CAM(Computer Aided Manufacturing計(jì)算機(jī)輔助制造)達(dá)到很高水平，它對(duì)人類生產(chǎn)力的提高起著巨大的推動(dòng)作用。為了對(duì)CAM的工作質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，使成品或半成品的質(zhì)量得到保證，要求實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加工工藝過(guò)程中各重要環(huán)節(jié)或工位的在線檢測(cè)。因此在生產(chǎn)線上或檢驗(yàn)室內(nèi)大量應(yīng)用各種CAT(Computer Aided Test計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試)技術(shù)的儀表。
2 智能儀表的發(fā)展歷程
歷經(jīng)以模擬技術(shù)為特征的電動(dòng)單元組合儀表、以數(shù)?；旌霞夹g(shù)為特征的DDZ-S系列儀表的開(kāi)發(fā)后，1983年，美國(guó)霍尼韋爾公司向制造工業(yè)推出了新一代智能型壓力變送器，這標(biāo)志著模擬儀表向數(shù)字化智能儀表的轉(zhuǎn)變。當(dāng)時(shí)的這種智能變送器已具有高精度、遠(yuǎn)距離校驗(yàn)和靈活組態(tài)的特點(diǎn)，并告知用戶：盡管初期購(gòu)置費(fèi)用較高，但會(huì)被較低的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用所補(bǔ)償。緊隨其后的十年里，國(guó)外其他公司的智能壓力變送器也陸續(xù)在一些生產(chǎn)線上被采用，它們包括：Rosemount、Foxboro、YOKOGAWA、Siemens、E&H、Bailey、Fuji和ABB等。但由于缺少高速的智能通訊標(biāo)準(zhǔn)、用戶對(duì)于高精度監(jiān)控要求并不突出、培訓(xùn)等服務(wù)機(jī)制相對(duì)薄弱，當(dāng)時(shí)的智能應(yīng)用并不樂(lè)觀，只占到了約20%的市場(chǎng)。
隨著微電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展以及綜合自動(dòng)化程度的不斷提高，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的智能儀表，其技術(shù)也同樣在過(guò)去的幾十年里得到了迅猛的發(fā)展。目前國(guó)外智能儀表占據(jù)了應(yīng)用市場(chǎng)的絕大比重，如何結(jié)合目前智能儀表的工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并快速跟蹤智能前沿技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)智能儀表的開(kāi)發(fā)研究成為振興民族智能儀器儀表的一大突出問(wèn)題。
3 智能儀表的組成
通常，智能儀表由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分包括MCU、過(guò)程輸入輸出通道(模擬量輸入輸出通道和開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道)、人機(jī)交互部分和接口電路以及USB、Internek、GPRS、短消息數(shù)據(jù)通信接口等。
主機(jī)電路用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、程序，并進(jìn)行一系列運(yùn)算處理，它通常由微處理器、ROM、RAM、Flash、FRAM、I/O接口和定時(shí)計(jì)數(shù)電路等芯片組成，或者它本身就是一個(gè)單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)。模擬量輸入輸出通道用來(lái)輸入輸出模擬信號(hào)；數(shù)字量輸入輸出通道用于輸入輸出數(shù)字信號(hào)。人機(jī)交互部分是操作者與儀表之間的橋梁，通信接口則用來(lái)實(shí)現(xiàn)儀表與外界的數(shù)據(jù)交換功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)的需求。外部時(shí)序邏輯擴(kuò)展部分常用CPLD/FPGA等器件來(lái)擴(kuò)展CPU的功能。顯示打印模塊用于外接打印機(jī)和LCD/LED。
智能儀表的軟件通常包括監(jiān)控程序、中斷處理(或服務(wù))程序以及實(shí)現(xiàn)各種算法的功能模塊。監(jiān)控程序是儀表軟件的中心環(huán)節(jié)，它接收和分析各種命令，管理和協(xié)調(diào)全部程序的執(zhí)行；中斷處理程序是在人機(jī)交互部分或其它外圍設(shè)備提出中斷申請(qǐng)并為主機(jī)響應(yīng)后直接轉(zhuǎn)去執(zhí)行的程序，以便及時(shí)完成實(shí)時(shí)處理任務(wù)；功能模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)儀表的數(shù)據(jù)處理和控制功能，包括各種測(cè)量算法(例如數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、非線性校正等)和控制算法(P}控制、前饋控制、純滯后控制、模糊控制等)。
4 智能儀表的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)
智能儀表在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用得益于其突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，諸如其高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度、易維護(hù)性。以智能變送器為例，智能儀表具備如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）精度高
智能變送器具有較高的精度。利用內(nèi)裝的微處理器，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量出靜壓、溫度變化對(duì)檢測(cè)元件的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，對(duì)非線性進(jìn)行校正，對(duì)滯后及復(fù)現(xiàn)性進(jìn)行補(bǔ)償，使得輸出信號(hào)更。一般情況，精度為大量程的±0.1%，數(shù)字信號(hào)可達(dá)±0.075%。
（2）功能強(qiáng)
智能變送器具有多種復(fù)雜的運(yùn)算功能，依賴內(nèi)部微處理器和存儲(chǔ)器，可以執(zhí)行開(kāi)方、溫度壓力補(bǔ)償及各種復(fù)雜的運(yùn)算。
（3）測(cè)量范圍寬
普通變送器的量程比大為10:1，而智能變送器可達(dá)40:1或100:1，遷移量可達(dá)1900%和-200%，減少變送器的規(guī)格，增強(qiáng)通用性和互換性，給用戶帶來(lái)諸多方便。
（4）通信功能強(qiáng)
智能變送器均可實(shí)現(xiàn)手操器進(jìn)行操作，既可在現(xiàn)場(chǎng)將手操器插到變送器的相應(yīng)插孔，也可以在控制室將手操器連接到變送器的信號(hào)線上，進(jìn)行零點(diǎn)及量程的調(diào)校及變更。有的變送器具有模擬量和數(shù)字量?jī)煞N輸出方式（如HART協(xié)議），為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊奠定了基礎(chǔ)。
（5）完善的自診斷功能
通過(guò)通信器可以查出變送器自診斷的故障結(jié)果信息。智能儀表建立在微電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，超大規(guī)模集成電路的嵌入，將CPU、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換、輸入/輸出等功能集成在一塊芯片上，甚至將PID控制組件也置入其中。加之現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用，智能儀表與控制系統(tǒng)之間的數(shù)字通訊將替代以往的模擬傳遞，大大提高了精度和可靠性，避免了模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減，長(zhǎng)期難以解決的干擾問(wèn)題得到解決。此外，由于數(shù)字通訊，節(jié)省了大量電纜、安裝材料和安裝費(fèi)用。
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