智能化仪器（精选9篇）
智能化仪器 篇1
1 仪器仪表智能化的概念
所谓智能化, 就是随着外界条件的变化而做出一种正确反应的能力。这里所说的智能化, 是一种利用计算机收集信息、处理信息、理解信息和选择信息来进行智能工作的方式。智能化也是信息技术发展的最高层次。而我们这里所说的仪器仪表智能化只能定义为智能技术的初级阶段, 其实就是指把仪器仪表与计算机、微电子技术以及人工智能等现代科技结合起来。
2 仪器仪表智能化的进展分析
2.1 计算机技术对于仪器仪表智能化的推动
当今的计算机技术发展的非常迅速, 计算机中央处理器的处理速度也在飞速的升级, 很多科学家都认为计算机中央处理器在未来几年将会发展的更加迅速。目前来看, 计算机的处理能力发展趋势主要有图像信息、视频信息以及宽带信息这几种, 计算机的处理能力提升也着重在这几方面进行提升。随着计算机软件系统和硬件的飞速革新和升级, 仪表仪器智能化的发展必然会受到其非常大的影响。
另外, 计算机的人机交互能力在这些年也得到了长足的发展, 原始的人机交互是依靠文字和字符来进行交互, 后来又可以通过多媒体信息来进行人机交互, 目前可以发展到了通过虚拟现实的方式来进行人机交互。随着虚拟现实交互信息方式的出现, 通过这种在计算机中营造出的三维模拟现实环境, 从根本上改变了人类以往的思维方式。随着虚拟现实交互信息技术的普及和推广, 将会给仪表仪器智能化带来非常大的推动作用[1]。
2.2 微电子技术对于仪器仪表智能化的推动
微电子技术是从上个世纪七十年代开始发展的, 到了九十年代, 微电子技术已经进入了一个稳步提升的阶段。目前来看, 电子芯片的线宽已经达到了0.35 亚微米到0.25 亚微米。随着线宽的逐渐缩小, 以往的一个仪器仪表的机箱, 如今都可以缩小到一块芯片上。这种微电子技术的迅速发展, 无疑会极大的推动仪表仪器智能化的发展。近些年来, 微电机技术的发展速度已经大大超过了当初的预期, 根据摩尔定律, 在今后的十年当中, 微电子技术还会得到更大的发展, 并且发展速度更加迅猛。毫无疑问, 微电子技术的大力发展必然会极大的推动仪器仪表智能化的发展[2]。
当前来看, 专用集成电路ASIC不管是在集成度方面还是在生产速度和价格方面都因为微电子技术的发展得到了极大的提升, 这种提升对于仪器仪表智能化来说是具有极大意义的。目前这种ASIC, 可以通过用户来进行定制, 从而利用CAD直接在芯片上制造最先进的仪器仪表智能化系统。这种仪器仪表的系统制作方式, 不但用时短, 并且设计间接, 极大的提升了集成度[3]。
另外, 还有一种数字信号处理器DSP, 这种处理器的发展速度非常迅速, 目前已经成为了计算机硬件系统以及家电产品和网络设备非常重要的组成部分, 这种数字信号处理器目前也是仪器仪表的重要组成部件。随着近些年DSP的迅速发展, 其在运行速度上和体积上都得到了极大的升级, 最新提出了DSPS概念, 通过DSP技术与ASIC以及软件开发工具等相结合, 集成为一个新的系统。DSPS这种新概念的产生, 无疑会对仪器仪表智能化产生非常大的推动效果[4]。
2.3 人工智能技术对于仪器仪表智能化的推动
在上个实际七十年代, 随着测试技术的大力发展, 数学与测试技术进行融合, 从而诞生了分析统计学。这种分析统计学不但可以设计合理的测量分析过程, 同时可以进行处理巨大规模的信息。这种科学对于仪器仪表和人工智能相结合提供了前提条件。目前来看, 人工智能技术属于一种计算机程序, 它可以通过积累的经验与只是来进行具体行为的决策, 并且拥有非常强大的处理问题能力。通过人工智能和数据库的结合, 人工智能可以赋予仪器仪表更加强大的功能, 以往通过人工方式很难得到解决或者根本不能解决的问题, 如今可以通过人工智能与仪表仪器相结合的方式很容易的来进行解决。从这一点上来看, 人工智能对于仪表仪器智能化的发展是具有非常大的推动作用的。
3 仪器仪表智能化的展望
多功能是仪器仪表智能化的一个发展趋势, 例如通过结合一些先进的数字系统可以制造出一些性能上更高, 并且具有多功能、高准确度的综合性仪器仪表产品。这种产品不但在应用效果上更好, 同时成本也更加低廉。另外, 与微处理器为核心的仪器仪表设备也是当前的一个主要发展趋势, 它同时具有软件和硬件的调试功能, 并且更新和升级的速度非常迅速。除此之外, 随着仪器仪表智能化的发展, 频域测量和时域测量已经被证明不适合与计算机技术相结合, 所以, 数据域测试仪器已经进入了人们的视野。这种技术的使用方式和设计技术都十分的复杂, 但是随着技术的升级和更新, 这种仪器可以实现现场测试操作, 并且操作机器简单。
4 结束语
总的来说, 计算机技术、微电子技术以及人工智能技术必将推动仪器仪表智能化的发展, 而仪器仪表智能化的发展也将会给人类的科学研究和生产带来非常有利的影响。本文通过对于仪器仪表智能化概念的阐述, 以及仪器仪表智能化的进展和展望进行探讨和分析, 希望可以促进仪器仪表智能化的发展。相信在未来的10 年, 仪器仪表智能化必将得到突破性的进展。
参考文献
[1]宋慧欣.仪器仪表智能化渐成趋势[J].自动化博览, 2012 (10) :46-47.
[2]朱海龙, 高华.仪器仪表的智能化与科技创新[J].才智, 2013 (25) :223.
[3]刘博.浅析仪表的智能化发展趋势[J].科技致富向导, 2013 (17) :228.
[4]李菊.浅谈工业仪表与装置智能化网络化[J].科技与企业, 2013 (09) :113.
智能化仪器 篇2
智能仪器的特点：⒈智能仪器功能多样化；⒉智能仪器系统的集成化、模块化；⒊智能仪器构成的柔性化；⒋智能仪器的网络化；⒌智能仪器的可视化
数据采集系统的基本组成框图：传感器→信号调理电路→采样保持器S/H→A/D转换器→微机系统
连续信号频率：ωs≥2ωm wm为连续信号所含最高频率分量的角频率。
为什么样用采样/保持？模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量要一定的转换时间，在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差，要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，能完成这种功能的器件叫做采样/保持器，其在保持阶段相当于一个“模拟信号”存储器。
采样/保持器的作用：是在规定的时刻接收输入电压并在输出端保持该电压值，直到下次采样为止。
模拟量输出信号：直流电流信号（远距离传送：抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号的损失）；直流电压信号（传输给多个其他仪器：多用于控制显示等场所）
模拟量输出通道的组成：（1）D/A转换器（2）多路模拟开关（3）采样/保持器；D/A转换器主要技术指标：①分辨率；②稳定时间；③输出电平；④ 输入编码评价智能仪器质量：准确度、可靠性和抗干扰性；
键盘接口设计的主要任务：判断是否有键被按下；识别按键；消除抖动；处理同时按键；根据按下键的内容执行相应的操作。
非编码式键盘接口：独立式连接的非编码式键盘；矩阵式链接的非编码式键盘（扫描方法：定时扫描法，中断扫描法）串行接口 GP-IB接口的24线包括：16跟信号线（8条双向数据线、3条数据传送控制线、5条接口控制线）和8条逻辑地线及屏蔽线
控制器的操作过程：①控制器检测SRQ线，当其为低电平时，通过查询确定请求服务的仪表②控制器的设置ATN为有效（低电平）③控制器发送X0100001，确定地址为1的仪表为听者④控制器发送X1000010，确定地址为2的仪表为讲者⑤控制器设置ATN为有效高电平⑥讲者与听者交换数据⑦控制器发出X0111111关闭听者⑧控制器发出XL011111关闭讲者
串行通信定义：指数据按位依次传输。串行通信中要求发送和接受双方必须遵守统一的规定，这样才能保证通信正常进行。
RS-232C是采用负逻辑来定义逻辑电平的。驱动的输出电平为逻辑“0”：+5V～+15V，逻辑“1”：-15V～-5V；接收器的输入检测电平为：逻辑“0”：>+3V，逻辑“1”：<-3VMAX202芯片只需+5V电源供电，可提供TS-232C电平的发送器和接收器各两个
RS-485串行总线标准的特点：①某一设备与其他设备的连接只需两根导线②不能实行全双工通信USB2.0速率：120~240MB/S
USB特点：使用方便；速度快；接口灵活；独立供电；支持多媒体USB的数据流传输方式：等时传输方式；中断传输方式；控制传输方式；批传输方式测量算法的定义：指直接与测量技术有关的算法重要算法问题：测量结果的非数值处理算法、测量结果的数值处理算法、两层自动转换与标度变换算法和多传感器的信息融合算法排序是将一组“无序”的记录序列调整为“有序”的记录序列的过程常用的数字滤波法：限幅滤波；中位值滤波；算术平均滤波；递推平均滤波；加权递推平均滤波；一阶惯性滤波；复合滤波法
修正系统误差：利用误差模型修正；通过曲线拟合修正；校准数据表修正法智能仪器的 主要功能：按照被测控对象的要求对测控对象进行测量后，根据一定的算法对其进行控制。测量的两项基本指标：准确度和可靠性为什么要进行误差的校准和自检？对仪器的误差进行校准可保证仪器具有规定的准确度，而对仪器的自检可及时发现错误，使仪器可靠工作。仪器自检的方式：开机自检；周期性自检；键控自检；连续监控；
故障检测与诊断的目的：（1）能及时、正确的对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，提高智能仪器运行的可靠性，安全性和有效性；（2）保证智能仪器发挥最大的设计能力，制定合理的检测维修制度；（3）通过检测监视、故障分析。性能评估等为智能仪器的结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。
故障检测的任务：了解和掌握系统的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。
故障诊断的任务：根据状态检测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数及环境条件，以及该设备的运行历史，对设备可能要发生的或已发生的故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修和治理对策，并加以实施，最终使设备复原到正常状态。
串模干扰定义：由外界条件引起的、叠加在被测电压上的干扰信号，并通过测量仪器的输入端与被测量信号仪器进入测量仪器而引起参量误差。
抑制串模干扰的措施：（1）采用滤波器（2）选择器件（3）对信号进行预处理（4）电磁屏蔽
共模干扰的定义：同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号，由于被测信号的地和仪器地之间不等点位，两个“地 ”之间的电位差ECM就成为工模干扰源。
智能化仪器 篇3
[关键词] 智能仪器 设计性综合实验 改革
一、引言
《智能仪器》是我校信息工程电子类本科专业的一门必修课程,该课程具有较强的实践性、专业性、应用性,因而,实验教学内容的安排、设置在整个教学过程中尤为重要,为使该课程实验内容能充分调动学生上实验课的积极性、主动性和创造性,真正达到对学生的动手、分析、解决问题的能力以及创新能力的培养,本学期笔者对《智能仪器》课程的实验性质、内容和方法进行了认真的研究,根据专业特点、发展需求,尝试对原有的实验内容进行改革和创新,并在实施过程中,不断总结经验,改进和充实实验教学内容,从而达到了改革的预期目的。
二、特点
这次《智能仪器》课程实验教学改革的目的是培养学生的创新能力,围绕这个目的,我们主要做了以下工作:
1.实验性质定位
众所周知,高校实验教学的内容定位不外乎为验证性实验、设计性实验、综合性实验,这三种实验在教学过程中起着不同的作用:验证性实验主要是通过实验验证有关理论结果,帮助学生加深对课堂理论知识的理解,通常这类实验有详细的指导手册和步骤,学生只要按部就班就可以很快地完成实验任务了;设计性实验通常是指在课程教学中为了证明某一现象(或结果)而让学生动手创造(设计)条件,以便观察某一现象(或结果)变化及运行的过程,由于学生的知识和阅历有限,一般地说要真正独立设计一个有影响力的设计性实验是困难的,因而这类实验通常在实验教材中有所提示,或由指导教师提供部分方案让学生根据实验原理,方法,过程等进行再设计,设计性实验有助于提高学生的素质,提高动手动脑的能力,但受课程限制,这类实验不宜过大难度也有所限制;综合性实验通常由一系列的单项实验组成,每个单项实验都为实验设计的总目标服务,它们既是独立的又是关联的,这一系列实验就构成一个综合性实验,这就要求学生除了要学好本课程外,还应学好相关课程,综合性实验通常又和设计性实验相关,当需要证明一个新的命题或一种新的事实时,就需要设计一系列新的实验,在这种情况下,多个单个的设计性实验组成了设计性综合型实验,这类实验在教学实施上无论是对学生还是教师,对实验室的软硬件要求相对是比较高的,但它对教学的促进,对学生能力的培养却是实实在在的。
按照《智能仪器》课程教学要求和改革思路,我们认为经过两年多的专业学习,学生已基本掌握与课程有关的电子技术、传感器、信号处理、单片机、计算机软硬件等知识,通过学习智能仪器基础知识,理解仪器基本原理,掌握智能仪器主要技术和设计方法,学生有一定能力综合运用所学知识和技术,可直接开展设计性综合实验;同时我们对实验室的软硬件设备进行了评估,认为近年来学校加大对实验室软硬件的建设,购置多台先进的仪器设备,能基本满足课程建设发展需要,因而可不再像过去那样,先验证性后设计,然后再做综合性实验,可直接进入设计性综合实验,以提高学生创新实践能力和充分发挥、有效利用先进的仪器设备,为学生走向社会打下一个良好的基础。
2.实验内容选题
当课程实验定位为设计性综合实验后,实验的内容选择就更为重要。选题的原则是实验的内容必须建立在本课程教学要求的基础上,尽量接近工程实际应用和该课程发展前沿,并结合理论课程的教学,由部分功能模块逐渐形成一个包括软件和硬件的完整系统。为此,我们提出多个实验内容选题,供学生选择。如选题之一:在每日的12:31:00,由DAC0832送出的模拟电压,让AD0809采集,要求在液晶显示器显示时间,在LED上显示数据采集的结果,验证输入量跟输出量之间的关系;同时将AD0809采集的数据,通过串行通信方式发送到另外一台单片机,并由另外一台单片机的DAC0832送出来,比较采集的模拟量跟输出的模拟量之间的关系。这个选题涵盖了AD/DA转换,串行通讯、远程控制方法、I2C总线、时钟芯片控制、LED、LCD控制等内容,将本课程与单片机、计算机等相关课程有机的结合起来,给学生提供一个较大的思维空间,便于学生创新设计。
3.集中安排实验时间
由于实验改为设计性综合实验,原来每个课内实验两学时已不够用,为确保实验的连贯性,提高实验效率,同时考虑设计性综合实验与课程教学进程有关,原则上放在课程进程即将结束或结束时较为合适,为此我们适当调整课程,集中安排实验时间,从时间上保证设计性综合实验的实施。
三、设计性综合实验的实施
1.明确的指导思想
首先我们明确地告诉学生实验的指导思想,就是为了更好地运用本课程与相关课程知识和技术,提高学生软硬件综合应用能力,为学生提供一个创新空间,借此进一步巩固所学知识;其次明确地告诉学生《智能仪器》课程的设计性综合实验是一个较为复杂的过程,为达到设计要求,提高效率,一定要遵循正确的设计原则、依照科学的研制步骤和严谨的科学态度来开展工作,在设计过程中要注意系统的可靠性、稳定性。为此我们提醒学生注意在硬件或软件设计时,应把复杂的、难处理的问题,分为若干个较简单的、容易处理的问题,然后再一个个地加以解决,注意合理选择元器件等事项,并制定了《智能仪器》课程的设计性综合实验指导意见,供学生参考。
2.调动学生积极性,鼓励创新
在实验内容选题上,我们只给出选题,只提供基本的设计思想和要求,不提供具体的、详细的方案、电路与相关程序以及实施步骤,为学生留下较大的思维空间,学生通过自己查阅有关资料,自定设计方案、选择芯片、设计电路、选择软件、编制相应的程序以及选择实验仪器进行安装,调试等,观察实验现象,作好实验记录,进行数据处理分析,写出实验报告。整个设计调试过程学生都是主角,这样做的目的,就是为了调动学生学习积极性,以利于自主创新能力的培养。如时钟芯片选择上,有的同学选择PCF8563芯片,这种芯片我们过去从没介绍过在实验中也没使用过,我们就让学生查阅PCF8563芯片的有关资料,让学生在实验中自己解决时钟控制问题;又如在编程过程中,有的同学认为用汇编语言比较繁琐,就自学C51编程;实验课结束后,及时进行总结,对完全达到课程设计要求的、有创意的设计进行表彰,对部分达到课程设计要求的、有创意的设计的给予鼓励,对因方案不完全成熟或受器件限制没有完成设计的失败者我们也不是一棍子打死,而是告诉他们实验是允许失败的,关键是要从失败中汲取经验,学生通过设计性综合实验,培养软硬件协调设计能力,进一步巩固了专业知识,建立了“我能”的自信心,达到我们课程实验改革的目的。
3.指导教师充分发挥“指”和“导”的作用
设计性综合实验为学生提供一个较大的思维空间,便于学生创新设计,但这并不意味在这过程中放任学生自由,教师无事可干,相反鉴于过去做综合性实验时,学生反映做这类实验,耗时长,精力花费大,因而在这一过程中,不能单靠学生忙乎,要充分发挥教师“指”和“导”的作用,寓教学于实验中。在前期准备工作中,给学生提供适当实验室软硬件资源,提供各种参考书籍和专业网站,教学生学会独立进行资料收集、分析,了解课程的最新资料与发展趋势;认真审核学生的设计方案,当设计方案有问题时不是指责学生,而是和学生一起分析、探讨,只要方案有可行之处,就鼓励学生,尊重学生选择,要大胆创新,不要怕失败,因为失败有时也是一种收获,真正做到让学生唱主角,对有畏难情绪的学生,更是多一份关心,根据具体情况加强指导。
4.开放实验室
对一些提前做好设计调试准备工作的学生,可提前进入实验室,提供相应的软硬件设备,让学生按照其方案去做,以鼓励、激发学生学习的积极性
5.制定合理的考核标准
主要分三部分考核:
前期准备(20%):主要考核学生是否能根据所学知识以及课题要求查阅、收集有关资料,并进行综合分析,自定设计方案,自行处理实验过程中的一切问题,以及方案分析、可行性等
设计调试过程(50%):主要考核、验证学生设计调试结果,分别检查每个模块,电路设计是否完整、正确、可行、实用,编制出软件程序,是否调试通过,综合调试是否达到设计要求等
实验报告(30%):要求根据设计方案和课题要求写出实验报告,内容包括方案设计依据,阐述软硬件设计思想,画出实验原理图和程序流程图,测试方法及有关数据分析,提供有效的程序清单和文档,以及设计调试过程中出现的问题和解决办法。
四、思考与小结
通过《智能仪器》课程实验教学改革尝试,我们注意到该专业两个班级60多人有25%的同学较好地完成设计调试任务,50%的学生基本或部分完成设计调试任务,尽管有些学生未完成任务也不气馁,他们从失败中汲取了经验教训,得到了锻炼,学生尝到了创新教育的甜头:学生反映他们学到了许多课堂上学不到的知识,开拓了视野,增强了自信心,对专业的发展和个人未来的发展有了新的评价,我们发现,那些较好地完成设计调试任务学生深受用人单位的青睐,有学生告诉我,他到某大国企应聘,由于有这次设计性综合实验的经历,对自己充满信心,能娴熟地回答有关专业问题,顺利地被录用。同样创新教育也为教师注入新的活力:在实验过程中,有些学生设计思路新颖,有超前意识,这对教师是个促进,教师、学生互相学习,使得师生之间的沟通更密切,交流更频繁,互动更有效。
改革尝试让我们收益匪浅,在下一步的改革中要注意完善:一是准确把握选题难易程度,选题难易程度把握不准,太易,学生轻而易举地完成设计任务达不到课程教学目的;太难,学生完不成设计任务容易产生挫败感,甚至会出现抄袭现象;二是不打无准备之仗,有个别学生未做好前期工作,等到集中实验时再做准备,结果手慌脚乱,心情浮躁,影响实验顺利进行,因而,学生要早做好前期准备工作;三是做好实验总结;四是加强、增加实践训练,尤其是硬件设计,培养学生软硬件协调设计能力;五是要让学生逐步参与课程的设计,让实验课成为一个平台,通过这个平台,达到“以基本能力训练为基础,以综合素质培养为核心,以创新精神教育为主线,明确实验教学任务,更新实验教学内容,改革实验教学方法和手段,强化实验教学考核,提高实验教学质量”,使《智能仪器》课程教学更上一个台阶。
参考文献:
[1]周文富.以科研模式开展综合性设计性实验教学[J].实验室研究与探索,2008,(2):92-95.
[2]杨朝晖.改革高校实验教学,培养高素质人才[J].高等理科教育,2005,(4):106-108.
智能仪器设计研究 篇4
智能仪器是计算机技术与测量技术、仪器仪表技术相结合的产物。它具有传统仪器无法比拟的优点,在测量精度、速度、可靠性方面有了根本性改变。智能仪器广泛应用于测量、控制、通信、医学仪器以及科学研究等各个方面。近年来随着计算机技术、微电子技术的迅速发展,智能仪器又发生了巨大的变化[1,2,3],探讨智能仪器的设计方法及研制步骤。
1 智能仪器设计的基本要求
1.1 功能及技术指标应满足要求
在智能仪器设计中,首先应明确仪器要实现的功能和技术指标,然后根据功能和技术指标要求进行总体设计。常见的仪器功能有:输出功能(如显示,打印)、人机对话功能(如键盘的操作管理、屏幕的菜单选择)、通信功能、出错和超限报警功能等。常见的技术指标有:精度(如灵敏度、线性度、基本误差以及环境参数对测量的影响等)、被测参数的测量范围、工作环境(如温度、湿度、腐蚀性等)以及稳定性(如连续工作时间)等。
1.2 具有高的可靠性
可靠性就是仪器在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力[4]。一般用年均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等指标来表示。实践证明,提高仪器可靠性的关键在于提高产品的可靠性设计水平。因此在设计阶段必须充分考虑可靠性问题,在设计方案、元器件选择、工艺过程以及维护性等方面予以全面的考虑,采用成熟的设计技术以及可靠性分析、试验技术,提高产品的固有可靠性。
1.3 便于操作和维护
在仪器设计过程中,应考虑操作方便,尽量降低对操作人员的专业知识要求,以便产品的推广应用。仪器的控制开关或按键不宜太多、太复杂,操作程序应简单明了,输入输出用十进制数表示,从而使操作者无需专门的训练,便能够掌握仪器的使用方法。
智能仪器还应有很好的可维护性,为此仪器结构要规范化、模块化,并配有现场故障诊断程序,一旦发生故障,能保证有效地对故障定位,以便更换相应的模块,使仪器尽快地恢复正常运行。
1.4 仪器工艺及造型设计要求
仪器工艺流程是影响可靠性的重要因素。要依据仪器工作环境条件是否需要防水、防尘、防爆,是否需要抗冲击、抗振动、抗腐蚀等要求设计工艺流程。仪器的造型设计也极为重要。总体结构的安排、部件间的连接关系以及面板的美化等都必须认真考虑。
2 智能仪器的设计原则
2.1 从整体到局部的设计原则
智能仪器的设计大多面临复杂而综合的设计任务[5,6]。在进行仪器的软硬件设计时,应遵循从整体到局部,也就是“自顶向下”的设计原则。这种设计原则的含义是,把复杂的、难处理的问题,分为若干个较简单的、容易处理的问题,然后再逐个地加以解决。开始设计时,设计人员根据仪器功能和设计要求提出仪器设计的总任务,然后将总任务分解成一批相互独立的子任务。子任务还可以再细分,直到每个低级的子任务足够简单,可以容易地实现为止。由于这些低级的子任务相对简单,因此可以采用某些通用模块实现,并且可以作为单独的实体进行设计和调试。子任务完成后,将所有结果汇总起来,必要时做些调整,即可完成整体设计任务。
2.2 软硬件协调原则
智能仪器的某些功能(如逻辑运算、定时、滤波)既可以通过硬件实现,也可以通过软件完成。硬件和软件各有特点,使用硬件,可以提高仪器的工作速度,减轻软件编程任务。但仪器成本增加,结构较复杂,出现故障的机会增多。以往人们在智能仪器设计中,过多地着眼于硬件成本,尽量“以软代硬”,随着LSI芯片功能的增强,价格的下降,这种设计理念需要转变。哪些设计子任务应该“以硬代软”,哪些应该“以软代硬”,要根据系统的规模、功能、指标和成本等因素综合考虑。一般的原则是,如果仪器的生产批量较大,应该尽可能的压缩硬件投入,用以“以软代硬”的办法降低生产成本。此外,凡简单的硬件电路能解决的问题不必用复杂的软件取代,反之,简单的软件能完成的任务也不必去设计复杂的硬件。在具体的设计过程中,为了取得满意的结果,硬件与软件的划分需要多次协调、折中和仔细权衡。
2.3 开放式与组合化设计原则
在科学技术飞速发展的今天,设计智能仪器系统面临三个突出的问题[3,7]:①产品更新换代加快。②市场竞争日趋激烈。③如何满足用户不同层次和不断变化的要求。
针对上述问题,在智能仪器设计中应推行 “开放式系统”的设计理念。“开放式系统”是指向未来的VLSI开放,在技术上兼顾今天和明天,即从当前实际可能出发,又留下容纳未来新技术机会的余地;向系统的不同配套档次及用户不断变化的特殊要求开放。
为了使智能仪器满足“开放式系统”的要求,应采用组合化设计方法。即针对不同的应用系统要求,选用现成的硬件模块和软件组成系统。 使设计者将主要精力放在分析设计目标,确定总体结构,选择系统配件,解决专用软件的开发设计等方面,而不是放在功能模块设计上。采用组合化设计的优点是:
(1)开发设计周期短。组合化设计采用成熟的软件、硬件产品组合成系统,不需要进行功能模块的设计。因此,相对于传统设计方法,设计简便,设计周期短。
(2)结构灵活,便于扩充和更新。使用中,可以根据需要更换一些模块或进行局部结构改装来满足不断变化的要求。
(3)维修方便快捷。功能模块大量使用LSI和VLSI芯片,在出现故障时,只需要更换IC芯片或功能模块,大大缩短维修时间。
(4)成本低。仪器系统使用的功能模块,一般为批量生产,成本低而且性能稳定,因此组合成的系统成本也较低。
3 智能仪器的研制步骤
设计研制一台智能仪器的一般过程(如图1所示)。主要分为三个阶段。第一阶段:确定设计任务,并拟定设计方案;第二阶段:硬件和软件设计;第三阶段:系统调试及性能测试。各阶段的工作内容和设计任务如下。
3.1 确定设计任务、拟定设计方案
(1)确定设计任务
根据仪器最终要实现的目标,编写设计任务书。在设计任务书中,明确仪器应该实现的功能、需要完成的测量任务;被测量的类型、变化范围,输入信号的通道数;测量速度、精度、分辨率、误差;测量结果的输出方式及显示方式;输出接口的设置,如通信接口、打印机接口等。
另外,要考虑仪器的内部结构、外型尺寸、面板布置、研制成本、仪器的可靠性、可维护性及性能价格比等。
(2)拟定设计方案
设计方案就是对设计任务的具体化。首先根据仪器应该完成的功能、技术指标等,提出几种可能的方案。每个方案,应包括仪器的工作原理、采用的技术、重要元器件的性能等;接着对各方案进行可行性论证,包括对某些重要部分的理论分析、计算及必要的模拟实验;最后再兼顾各方面因素选择其中之一作为仪器的设计方案。在确定仪器总体设计方案时,微处理器的选择非常关键。微处理器是整个仪器的核心部分,应该从功能和性价比等方面认真考虑。
当仪器总体方案和选用的微处理器种类确定之后,采用“自顶向下”的设计原则,把仪器划分成若干个便于实现的功能模块。仪器中有些功能模块既可以用硬件实现,也可以用软件实现,设计者应该根据仪器的性价比、研制周期等因素对硬件和软件的选择作出合理安排。在对仪器硬件和软件协调之后,作出仪器总体硬件功能框图和软件功能框图。
3.2 硬件和软件的设计
在设计过程中,硬件和软件应同步进行。在设计硬件、研制功能模块的同时,即着手进行应用程序的编制。硬件、软件的设计工作要相互配合,充分发挥微机的特长,尽可能缩短研制周期、提高设计质量[8,9]。
(1)硬件电路的设计
硬件设计的主要工作是根据仪器总体硬件框图设计各单元电路(如输入/输出通道、信号调理电路、主机电路、人机接口、通信接口等)并研制相应的功能模块。在功能模块研制完成之后进行组合与装配,即按照硬件框图将各功能模块组合在一起,构成仪器的硬件系统。
在硬件设计中还应注意下列问题
①应考虑到将来会有的修改和扩展,硬件资源需留有足够的余地。
②为了及时修复仪器出现的故障,需附加有关的监测报警电路。
③在硬件设计时还须考虑硬件抗干扰措施和是否需要设置RAM的掉电保护措施等。
④绘制线路板时,需注意与机箱、面板的配合,接插件安排等问题。
(2)软件设计
软件设计的一般过程是,先分析仪器系统对软件的要求,画出总体软件功能框图[10];然后用模块化设计方法设计每一软件功能模块,绘出每一功能模块的流程图,选择合适的语言编写程序;最后按照总体软件框图,将各模块连接成一个完整的程序。
3.3 系统的调试
(1)调试过程
由于智能仪器设计中,硬件和软件的研制是相互独立地进行的,因此软件调试可以在硬件完成之前,硬件调试也可以在无完整的应用软件情况下进行。硬件和软件调试结束后,还需在样机上进行软件和硬件的联合调试。在调试中,如果出现故障,应分析原因,修改有关的硬件和软件。反复进行这一过程,直至没有错误为止。
(2)硬件静态调试
硬件静态调试的目的是为了排除明显的硬件故障。集成电路器件未插入电路板之前,必须仔细检查线路连接是否正确。重点检查系统总线(地址总线、数据总线和控制总线)是否存在相互之间短路或与其他信号线短路,特别要防止电源短路。确定电路连线无误后,再插入芯片,接通电源。
(3)软件调试
软件调试可以利用软件模拟开发系统进行。通常这种系统是由个人计算机和模拟开发软件构成的一种完全依靠软件手段进行开发的系统,开发系统与用户系统在硬件上无任何联系,借助于模拟开发系统,智能仪器软件设计人员可以在计算机上,利用模拟软件实现对单片机的硬件模拟、指令模拟、运行状态模拟。从而完成应用软件开发调试的全过程。
(4) 动态在线调试
智能仪器硬件电路的静态调试只是初步调试,排除了明显的静态故障。由于智能仪器的软件和硬件密切相关,对硬件电路动态故障的检查和诊断、应用软件的调试等必须在联机状态下进行。动态在线调试一般借助于仿真开发系统完成。动态在线调试时,拔掉样机的单片机(或CPU)芯片,将在线仿真器提供的IC插头插入单片机插座的位置。对于样机系统来说,单片机虽然由仿真器代替,但实际运行状态并无明显的差别。由于在线仿真器是在开发系统控制下工作的,因此,可以利用开发系统丰富的硬件和软件资源对样机系统进行研制和调试。
需要指出的是在系统调试中,还必须对设计要求的全部功能及技术指标进行测试和评价,以确定仪器是否达到预定的设计目标,若发现某一功能或指标达不到要求,则应修改硬件或软件,并进行重新调试直至满意为止。
4 结束语
研发人员进行智能仪器设计时,首先应对仪器的功能要求及技术指标进行分析。在此基础上提出并优化设计方案。在具体设计中应遵从三个设计原则,即“自顶向下”设计原则;软、硬件协调原则;开放式与组合化原则。理论设计完成后,应实施软、硬件的分别调试以及联合动态调试。调试应与仪器的功能、技术指标测试并行进行,只有功能、技术指标均满足要求,整个调试工作才算结束。
参考文献
[1]邵明松,赵伟,黄松岭.试论智能仪器进步特征及其概念内涵拓展[J].电测与仪表,2009,9.
[2]孙亚飞,陈仁文,周勇,等.测试仪器发展概述[J].仪器仪表学报,2003,24(5):480-484.
[3]姜玉柱.智能仪器及其发展前景综述[J].机械工程师,2007,8.
[4]杨培双.智能仪器硬件可靠性设计[J].仪表技术,2009,3.
[5]杨明,甘欣辉,张景文.智能仪器的量程自动转换设计[J].国外电子元器件,2004,5.
[6]吴石增.现代科学仪器与计算机技术[J].现代科学仪器,2006,6.
[7]董有祥.智能仪器的设计及发展[J].山西电子技术,2006,1.
[8]李昌禧.智能仪表原理与设计[M].北京:化学工业出版社,2005.
[9]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2005.
智能仪器、仪表隔离技术 篇5
因此在工业控制现场各种仪器、仪表在控制系统中, 不仅要采集各种监测电信号, 而且要将处理完的控制信号传递个各种控制机构, 为了保证信号传输的可靠与稳定, 必须要增加隔离装置, 消除各种因素对智能仪器的干扰。
隔离的目的是将干扰源与容易干扰的部分隔离, 使仪器、仪表与现场仅保持信号的联系, 不发生电的直接联系, 即把干扰通道切断。
一、继电器隔离
电磁式继电器是一种通过小电流的通断来控制大电流通断的开关控制器件。当继电器的线包通电, 通过的电流使电磁线圈吸合, 衔铁动作, 使常开接点闭合, 常闭接点打开。继电器的线圈和触点间只有机械上的联系, 没有直接的电的联系, 利用此原理通过接点发送输出控制信号, 避免控制和输出信号之间的直接接触, 实现了抗干扰隔离。图1为继电器控制电动机的控制电路图。
电磁式继电器线圈的驱动电源即可以是直流也可以是交流, 根据输出要求, 选择不同规格输出接点的电压、电流的继电器。电磁式继电器的线圈和触点可以使用独立的电源, 两者间互相绝缘, 耐压可高达千伏以上。一个继电器线圈可以同时带动多组常开、常闭接点, 并且相互间绝缘, 利于外电路的灵活使用, 而且它还有很大的电流放大功能。
继电器虽然能实现机械隔离, 但电磁式继电器有一缺点是机械式触点动作时间较慢 (ms级) , 限制动作相应时间, 并且使用寿命有限。
二、光电耦合隔离
光电耦合器件是以光为控制介质传输信号的集成器件, 如图2所示。
光电隔离采用光电耦合器件来实现的。其输入端采用发光二极管控制, 输出端采用光敏三极管控制输出成, 整个控制采用“电-光-电”的转换, 从而实现输入和输出在电气上实现隔离的。
光电耦合的特点:
1、光电耦合器的由于输入阻抗 (100Ω~1kΩ) 比一般干扰源的阻抗 (105~106Ω) 小, 受干扰影响小。
2、光电耦合器的隔离电阻很大 (约1012Ω) 、但是隔离电容很小 (约几个p F) , 因此很容易阻止电路性耦合产生的电磁干扰, 输出干扰很难影响输入
3、光电耦合器采用以光为媒介进行耦合, 具有很高的电气隔离和抗干扰能力。
4、输出信号与输入信号实现电气上完全隔离, 抗干扰能力强, 隔离电压可高达千伏以上;
5、无触点, 耐冲击, 寿命长、可靠性高;
6、响应速度快。
三、布线隔离
在实际工作中布线隔离有PCB版布线隔离和安装过程中的布线隔离。
1、PCB版布线隔离原则
(1) 板上事先规划好数字、模拟信号布线区域;
(2) 数字、模拟元器件及相应走线布线区域尽量分开。
(3) 大电流走线与弱电流走尽量远;
(4) 电源和地合理分开走线
(5) 数字地和模拟地分开
2、安装过程中的布线隔离
在实际的安装过程中, 必须要将弱信号线与强电线分开布线, 基本的原则
(1) 信号线路必须与强、弱电分开走线, 而且相互间要保持一定的距离。
(2) 交、直流电源线分开走线。
(3) 大电流和小电流线分开。
(4) 动力线和别的线分开, 如果信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时, 必须采用信号线路接电容器等各种不同抑制电磁感应噪声的措施。。
(5) 由于实际空间的限制, 无法保证线路距离, 安装布线尽量远的原则实施线。。
四、小结
随着各种工业仪表的智能化程度越来越高, 功能越来越强大, 在仪器的设计、安装和使用过程中面对各种复杂的工作环境, 开发者不但要采用各种不同的隔离技术和接地等手段, 努力将各种干扰源降低到最低程度, 来保证设备的稳定运行。以上只是我在工作实践中的一些总结, 希望能给大家一些帮助。
参考文献
[1]张学田.广播电视技术手册国防工业出版社, 2000, 1431-1433
[2]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计北京:北京航天航空大学出版社, 1995
智能化仪器 篇6
关键词：测控技术,智能化技术,应用
0 引言
电子信息技术是推动社会进步的重要手段, 工业社会的进一步发展对以往的发展模式也有着打破, 在当前的一些电子信息技术已经渗透到各个发展领域。一些控制技术和设备的作用也愈来愈重要, 在智能化技术于测控领域的应用过程中, 应用水平也在不断的提升, 人们在智能化技术的应用下就促进了工作效率的提升, 使得测控技术以及仪器的发展也有了进步的空间, 故此加强这一层面的理论研究就有着实质性意义。
1 测控技术以及仪器仪表分析
1.1 测控技术分析
测控技术作为现代化工业发展中的重要支柱, 对我国生产力水平的提升有着积极作用, 也是产品市场竞争力增强的重要保证。国家的综合实力提升对科学技术的支持是离不开的, 尤其是一些比较尖端的科技, 而一些重大成果的获得通常都和测控技术有着紧密联系, 我国在测控技术层面和发达国家的水平还有着很大差距, 所以当前要加大测控技术的进一步优化发展[1]。测控技术仪器发展和生产力的发展是相互协调的, 并且是和经济社会进步有着比较密切的关联, 在计算机技术的不断进步下, 将其和测控技术得到融合就能够实现测控自动化以及智能化, 这将对我国的科学技术发展起到重要促进作用。
1.2 仪器仪表分析
仪器仪表是对信息采集以及测量处理的一个重要手段及设备, 并已经成为对科学技术推动的一个重要技术。处在当前的发展过程中, 信息化发展已经成为趋势, 仪器仪表和测试技术则是信息科学技术中比较重要的部分, 其中的仪器仪表作为工业发展中的倍增器, 一些发达的国家对其有着充分重视, 并将其作为是重要发展战略。我国在经济发展过程中要能对市场优势充分利用, 在测控技术发展领域与之相结合, 推动新技术的发展, 对仪器仪表的应用创新要进一步体现。仪器仪表以及测量技术的作用在社会发展中愈来愈得到了凸显, 为能够对仪器仪表的智能化技术的进一步拓展, 就要能和我国的具体发展情况相结合[2]。
2 智能化技术的应用优势以及具体应用探究
2.1 智能化技术的应用优势分析
对于当前的技术发展, 智能化技术作为高端科技类型, 对我国的诸多领域都有着重要作用发挥。测试测量仪器的自控系统在出现的故障时, 对于智能化系统就能对故障自主分析, 及时的找到问题的原因, 为管理人员提供比较科学化的处理方案, 这样在故障的解决效率上就得到了大幅度提升。通过智能化技术的应用还能对测控仪器在设计上进行优化, 使其能够在其系统应用下更加可靠高效。在当前的测控系统运用过程中, 对于相应的仪器仪表均是智能化的, 具体应用过程中也相对比较灵活, 在智能技术的不断发展下这一水平也将会得到进一步提升。
2.2 智能化技术的具体应用探究
将智能化技术进行应用能够在多方面体现, 测控技术和仪器智能化技术的可靠性以及高效率都比较突出, 对信息的获得以及数据的转换等都能够实现, 可对信息数据的显示以及控制实现三维形象化。在测控系统中的计算机辅助设计过程中信息化以及网络化的发展, 计算机技术对测控系统就有着支持, 而在网络技术下也能够对测控系统的进一步发展有着推动[3]。在这一过程中计算机是对信息处理以及绘图功能实现的重要保障, 并且有着比较突出的作用功能发挥, 体现在逻辑判断以及推理功能上, 还有在数值的快速计算能力上也比较突出, 在储存盒管理数据信息功能和图像的显示绘图功能方面也比较突出。这样就能够将设计质量得到有效提升。
将仪器仪表中的温度计在实际中的应用也比较突出, 对提问而对测量方法比较多样, 其中的热电偶以及水银和石英晶体等都能够作为测温元件制作体温计, 这些技术都是接触式的测温, 所以就比较容易发生交叉感染的情况。而在接触测温的部分一旦移动就会对测温的效果产生很大的影响。但是在非接触测温方法的应用上就能对这些问题得到有效解决, 通过红外测温技术的应用能够对测温技术水平提升有着促进, 也能满足实际的需求。
测控系统的智能化虚拟技术是测控技术的进一步发展, 也是智能技术的进一步延伸, 通过人机交互能够对人在自然环境中的动作以及视听觉等感受进行模拟, 这样将其在软件开发中加以应用就比较方便。通过智能化虚拟仪器就能够在软件的灵活性上得到有效提升, 进而来提供全方位系统集成模块化硬件, 从而能够对测控系统的进一步发展打下基础[4]。
2.3 仪器智能化技术和测控技术发展前景
对于测控技术以及仪器智能化技术的发展, 在今后也会向着智能化以及网络化等方向迈进, 从而实现多功能跨领域的发展目标。通过物理学新效应以及高新技术来进行开发新型高灵敏度及高稳定性测控技术及仪器就会比较有利, 对我国当前的仪器仪表应用的情况来说, 还是在九十年代初期时候的水平, 对于产品可靠智能化的程度还有着很大的进步空间。我国当前对仪器仪表技术的应用有一半是从国外进口, 所以在这一方面的发展形势还比较严峻, 这就需要将对测控系统以及仪器仪表的开发研究创新的水平进一步提升和加强, 通过信息化以及工业化的发展优势对其进行带动。
对于当前的各产业发展的状况, 对测控技术的发展也有着带动, 将测控技术以及仪器智能化技术向着标准化以及开放化的方向迈进就成了一个重要趋势。自动化测控技术和仪器仪表系统是整个发展装备的中心以及安全屏障, 对我国的工业化发展的推动有着重要作用, 在市场化的作用下, 我国在自行研发的智能化执行机构以及流量计等都在市场中得到了广泛应用, 一些高档的智能化产品也不断涌出, 所以针对测控技术以及仪器智能化技术的发展也将会有良好的发展前景[5]。
测控技术和仪器智能化技术在未来的发展过程中能够实现模拟人类神经网络来对信息传输和处理, 对测控的实时性以及故障监测的准确及时性也会进一步提升。并且在建立于生物遗传规律模拟基础上的遗传算法能够对测控系统给予优化调整, 能够将智能化的水平得到继续发展。在多值逻辑基础上通过模糊集合方法对模糊性思维加强研究, 就能对未知性得到进一步的分析研究, 结合测控系统自身的发展特征, 智能化技术应用发展的趋势将会向着功能的用户界面图形化和计算的可视化方向迈进。在性能的发展趋势上将会向着高精度以及高效化和柔性化的发展方向迈进, 在体系结构层面的发展趋势将会向着网络化以及智能化方向迈进。
3 结语
总而言之, 对于当前我国的各领域技术发展的情况来看, 技术上的优化必然会带来实际生产水平的提升。智能化技术的发展正向着迅速化迈进, 对于测控技术以及仪器智能化技术在实际生产过程中的应用就要充分发挥作用。此次主要从测控技术和仪器智能化技术理论进行着手, 然后就起应用优势以及具体应用和发展趋势进行了详细分析, 通过此次的理论研究希望有助于我国测控技术以及仪器智能化技术的进一步发展。
参考文献
[1]谢启, 徐本连, 李智超, 戴梅, 李鑫.测控技术与仪器专业建设探索与实践[J].常熟理工学院学报, 2013 (12) .
[2]梁勇, 于新业.综合测控系统教学改革研究[J].科教导刊 (中旬刊) , 2014 (12) .
[3]魏绍亮, 仉毅, 孙步胜.探索:仪器科学与技术学科人才培养模式的探索[J].教育教学论坛, 2014 (08) .
[4]刘红波, 马志娟, 梁晓瑜, 李东升.测控技术与仪器专业现状分析[J].技术监督教育学刊, 2013 (01) .
智能仪器实验课程的改革探讨 篇7
智能仪器是自动化本科专业一门综合性必修课程, 含盖了前三年主要课程内容, 它集单片机技术, 检测与传感技术, 电子电路及程序设计于一体, 具有较强的实践性和专业特色。通过本课程的学习, 学生将掌握智能仪器整体构架和软、硬件设计方法。因而, 理论与实验教学内容的结合与配置尤为重要, 应以培养学生主动性和创造性为主线, 综合本专业前五个学期的主干课内容, 对学生进行分析问题、解决问题能力及创新能力的培养。
两年的理论与实验教学跟踪发现在以下几个方面尚存在不足。
⑴缺少一本适合于本专业综合知识结构的教材, 部分教学设备及实验内容相对陈旧, 与相关单片机课程的实验内容有重叠
教材的不配套直接影响课堂教学效果与教学内容的执行。当前教材市场活跃, 教材种类繁多, 各有其各自的特点和各自的重点内容。但仍有一些教材内容相对陈旧, 篇幅冗长而重点不突出。就本校自动化专业而言, 课程总学时为32且包括12个实验学时的具体情况, 仍然缺少一本结构完整、内容充实、知识点全面的智能仪器教材, 这也是本专业教师备课的重点工作之一。
在这种状况下, 一套系统的教材、完善的教案和内容完整的课件对学生全面掌握课堂内容至关重要。
⑵实验教学的内容和形式
两年的实验教学跟踪发现, 部分实验内容仍以验证程序为主, 缺乏智能仪器整体结构特别是硬件结构的认识。在12个课内学时中因受学时安排的限制, 几乎100%为软件编程实验, 硬件设计内容少之又少, 课程结束时, 学生无法建立起智能仪器整体结构框架, 减弱了教学效果。
⑶时间安排上不够合理
在实验学时的安排上问题更为突出, 理论教学每次四个自然班上课, 实验教学每次只能容纳一个自然班。这样实验教师必须要用8个学时来完成2学时的课内教学实验。对教师而言实验教学需要给课堂教学让路, 一些实验不得不安排在晚上甚至周末, 增加了实验教师的工作量;对学生而言这样的安排拉长了实验周期, 打乱了他们自身的学习计划。2014春季学期前8周自动化11年级部分学生选修了8门专业课程, 而且有多门课程伴有相关的课内实验。因为要在第8周完成课堂教学与实验教学任务, 所以许多实验集中安排在4--7周, 每周最多时达6个课内教学实验。面对这么多零散的实验, 学生没有时间进行实验内容的设计和实验方法的探讨, 而是忙于应付每天的书面报告, 部分学生不得不在课堂上书写实验报告。由于缺少对实验内容认真分析的时间和精力, 实验效果大打折扣, 同时又影响了课堂教学效果, 造成恶性循环。
此外, 实验教师与任课教师间缺乏有效的沟通, 导致部分实验内容与教学内容的脱节。管理上过于强调任课教师与实验教师的身份与分工, 二者分属于不同的工作单位, 彼此间缺少必要的教学内容的讨论与教学方法的研究, 致使实验教师不清楚任课老师讲课内容和进度, 任课老师不知道实验教师正在进行什么内容的实验, 无法体现出理论课与实验课的相互统一与联系。
2. 改革措施
这次智能仪器课程实验教学改革的目的是改善实验教学的教学效果, 培养学生整体概念和系统结构的建立, 加强独立设计能力的培养, 针对发现的问题, 找出解决问题的新方法和新途径, 主要工作如下。
(1) 明确培养方向和目标
旧版的教学大纲安排的实验通常以2学时为一个实验单元, 学生也只能按指导手册指定的操作来验证相关理论, 加深对课堂所学知识的理解, 这类实验在物理、电路、电子技术等基础和专业基础课中更为普遍。这样的学时安排在专业课程的实践环节中难以达到实验目标, 基本不具备进行设计性实验或综合性实验的时间条件。
在新版大纲中增加了建立完整的智能仪器概念及知识综合运用能力的训练, 重点突出检测与信号处理技术, 文献资料的检索与查阅, 独立解决问题能力的培养与训练。将一个综合设计性实验规划为若干个模块, 以3-5名学生为实验小组共同完成一套完整的智能仪器设计与调试。对每个成员细化设计任务, 要求各成员独立设计系统中的一个或多个模块, 改变现有教学实验中部分同学等、靠或应付的现象。近几年学校加大了对自动化专业实验设备的投入, 自动化实验中心的多数实验室对本专业学生实行全天开放。学生可以利用实验室开放的有利条件, 自己安排时间提前进入实验室进行设计与制作, 这样有利于提高实验设备的利用率, 有利于提高学生自主能力的培养。
这种尝试为非北京生源、周末不回家的学生或有计划参加电子竞赛的学生提供了极大便利, 他们在综合能力培养方面有更多的锻炼机会。
在教材建设方面, 学院、自动化系、自动化实验中心提供了多方面的支持, 鼓励教师编写和出版教材。任课教师根据本专业教学大纲的要求, 博采众长, 制作完善的教案和课件供学生学习使用, 弥补教材建设的不足。
(2) 综合设计实验内容, 合理安排实验学时
在实验内容的设计过程中, 重点考虑智能仪器概念的完整性, 其中的智能接触测温仪实验含盖了测温传感器, 信号调理, AD转换, 键盘显示, 数字通讯等环节。学生在确定了传感器后, 需要知道如何设计供电电路, 如何设计前置放大电路、电平转换等信号调理电路, 还根据热电偶测温传感器的特点考虑冷端温度补偿问题, 如何解决模拟量到数字量的转换以及分辨率、采样速率等问题;在输出通道则重点考虑显示、标准信号输出, 数字通讯等;在系统软件设计时要考虑数字滤波、软件补偿、人机交互界面等等。通过该综合实验, 学生对智能仪器的整体结构有一个全面的认识, 达到了教学目标, 保证了教学质量。通过自身的努力而完成整体实验或者完成一个初级产品, 大多数学生有了成就感, 提高了对本专业课程的学习兴趣。
由验证性实验改为设计性综合实验, 原来课内两学时实验已无法满足要求, 为确保实验的连贯性, 提高实验效率, 从时间上保证设计性综合实验的有效实施, 在新版教学计划的制定时减少了课内实验学时的30%, 增加了两周的综合设计, 通过这一环节的实践, 学生完全可以建立起智能仪器的总体概念, 改善了本课程的综合教学效果。
同时呼吁教务主管部门在每周的课表设计时尽量为自动化专业留出一个4学时的空闲单元, 以利于综合实验的安排。
在整个设计过程中, 充分利用自动化专业特有的教学团队优势, 任课教师与实验教师共同参与, 共同制定并细化设计的内容和选题。在条件允许时, 实验教师参与课堂教学, 任课教师到实验室指导学生, 增进教师之间的相互学习与交流, 让每个学生得到充分的锻炼。
(3) 改进实验考核方式
改革实验报告的内容和形式, 简化报告中过多抄写实验指导书内容的过程, 重点突出学生在实验过程中发现问题、解决问题的过程, 重点讨论实验体会, 解释各种实验现象, 同时鼓励学生对实验内容和实验过程提出他们的建议和意见, 真正做到以学生为主导的实验教学。
通过教学建设项目的实施, 建立完整的课程教学与实验内容相结合的教学模式, 增强学生对智能仪器整体概念的理解, 增强仪器设计及知识综合运用能力, 达到独立设计智能仪器模块、初步掌握设计方法和试验调试的目标。
结语
在学校教改项目资助下, 经过两年的教学改革与实践以及对智能仪器课程的教学、实验内容的探讨与跟踪, 对教学内容的不断优化, 真正实现了以学生为主体的教学实验, 使学生在知识、能力等方面得到了很好的锻炼。这种改革有利于提高学生的综合素质, 满足社会对自动化专业不断变化的人才需求。同时也为本专业其它课程的改革进行了有益的探讨, 提供了可借鉴的经验。
参考文献
[1]张常年等.电路分析骨干课程建设改革与实践[A].北方工业大学教改文集 (第五集) [C].P21-23.
[2]景作军, 孙启国, 刘峰斌.机械专业课程教学的实践与思考[A].北方工业大学教改文集 (第五集) [C].P83-85.
智能仪器仪表技术前景与应用 篇8
关键词：仪器仪表,应用现状,发展趋势
早在1983年, 美国霍尼韦尔公司开发研制出新一代智能型压力变送器, 这无异于在制造业抛下了一枚重磅炸弹, 在一定程度上标志着模拟仪表向数字化智能仪表的重大转变。目前, 通讯技术和计算机网络技术不断发展, 仪器仪表技术行业也在向着智能化的方向发展, 同时智能仪表技术也取得了突飞猛进的发展。
1 智能仪器仪表发展的特点
1.1 微型化
信息技术、微机械技术以及微电子技术等的综合运用全面改进了仪器的现有形态, 使之逐渐成为功能齐全、体积小的智能仪器, 能实现信息的搜集、整理、处理、输出或放大控制信号以及与其它仪器相连接等功能, 正被广泛运用于医疗、生物技术、电力、航天以及自动化技术等领域。
1.2 多功能化
智能仪器仪表的一个显著特征就是多功能化, 以函数发生器为例, 它具有任意波形发生器、频率合成器以及脉冲发生器等各项功能, 它的性能远高于频率合成器和专用脉冲发生器, 而且它能提供行之有效的测试功能, 提高解决问题的效率和有效性。
1.3 智能化
智能化是现代控制与检测系统发展的主导方向。一定的人工智能是智能仪器发展的重要步骤, 人工智能的进一步发展将可降低人员消耗, 在没有人干预的情况下能自主完成控制和检测功能。
1.4 虚拟化
在虚拟现实系统中, PC机软件完成负责实现数据的分析和显示, 在有数据硬件作为支撑的条件下, 可以组成较为完整的测量仪器。这种以PC机作为基础的测量仪器统称为虚拟仪器。在虚拟仪器中, 只要运用不同的软件编程, 即使硬件系统相同, 也能获得功能各异的测量仪器。软件系统是虚拟仪器的核心和关键, 它具备升级型、可扩展性、可视性、通俗性以及通用性等显著特征, 一定程度上代表着仪器的未来发展方向。
1.5 网络化
双向通信功能是智能仪器仪表的基础功能, 但是双向通信功能与网络通信还存在着较大的区别。随着科学技术的进一步发展, 仪器仪表不仅实现了智能化, 还实现了网络化, 它能就近登临现场测量参数, 而且具备着一定的信息处理能力[1]。
2 我国智能仪器仪表发展的现状
在全世界范围内而言, 我国每年生产的智能仪器仪表数量众多, 而且我国不断拓宽了仪器仪表的出口渠道和途径, 产品出口量也呈逐渐递增的趋势, 但是就整体情况而言, 我国智能仪器仪表与国外发达国家相比还存在一定差距, 这主要表现在以下几个方面:科研投入少, 自主创新能力严重不足;要切实改进芯片核心技术、材料质量、制造技术、安装尺寸标准以及生产的集中度和集约化等。目前, 我国生产智能仪器仪表的企业众多, 但是企业在发展过程中片面注重新产品的研发, 对开发生产技术线相对轻视, 而且企业投资侧重于产品技术而非生产线技术, 最终限制了硬件设备投资的增长。在这种情况下, 我国企业的自动化水平停滞不前, 难以切实保障产品的一致性。就材料质量而言, 我国用于智能仪器仪表生产的材料质量与发达国家存在显著差别。例如, 感应式电能表的阻尼磁钢、磁推轴承等, 智能仪器仪表的使用寿命在很大程度上取决于原器件的质量, 要切实提高仪器仪表的质量, 就必须从原器件的阻燃性、壳体的耐热性以及绝缘性能等方面着手。测量芯片技术是智能仪器仪表技术的关键和核心, 但是我国对此的开发能力严重不足, 在自主创新方面有待于进一步努力, 这在一定程度上阻碍了我国智能仪器仪表行业的健康发展。目前, 仪器仪表制造商正着力改进生产工艺, 大力研制和开发智能型电工仪器仪表, 但是企业要实现这一目标, 必须在材料质量、测量芯片技术以及生产线技术等方面进行努力, 只有这样, 国产产品才能不断提升自己的综合竞争力, 提升自己的市场占有额。国内仪器仪表制造企业要不断解放思想, 大力进行技术创新, 增加技术投入, 借鉴并吸收外国先进经验, 并在此基础上进行生产线技术的研发, 切实保障原材料质量, 大力生产具有自主知识产权的高新技术集成芯片, 推动智能仪器仪表企业的长期稳定发[2]。
3 我国智能仪器仪表的未来发展趋势
3.1 不断优化仪器仪表结构
智能电动化技术的发展和成熟为仪器仪表在电力系统的运用奠定了坚实的基础。在电力系统中广泛运用智能化软硬件, 能保证数据信息的准确分析和处理得当, 能切实提高电力系统的运营水平和工作效率, 开创电力系统新的发展局面, 例如混沌控制、进化计算、遗传算法以及神经网络等智能技术的运用, 提高了仪器仪表的使用性能, 使其更加灵活、高效、高速。在对不同仪器进行分散处理的过程中, 要广泛采用微控制器、微处理器等微型芯片技术, 设计出模糊控制程序, 为各种数据的安全运行设置临界值, 在模糊规则的指引下使用模糊推理技术, 力求最有效的处理各类模糊关系。加大对人工神经网络技术的运用, 充分发挥其自组织、自适应和自学习的能力, 掌握其对非线性复杂关系的输出、输入间的黑箱映射特性, 最大限度的发挥其快速实时性和适用性的显著特征, 将多传感器资源的作用发挥到极致, 保证结论的准确性和科学性。智能自动化技术在传感器测量中的运用更为普遍和直接。小波变换、短时傅立叶变换、快速傅立叶变换等技术能对信号进行过滤和处理, 这些软件技术尽可能简化硬件, 转换传感器动态特性以及提高信噪比, 但是这必须建立在动态数学模型的基础之上而且高阶滤播器在实时传播方面的性能较差。广泛采用神经网络技术能显著提高自适应滤波和自相关滤波的性能。
3.2 提高仪器仪表运行效率
计算机虚拟仪器, 也就是存在于软件模块化和硬件软化中的测量仪器, 它在现阶段取得了快速发展, 而且网络化系统资源程序的优化配置和统一规划等, 都为智能仪器仪表的发展创造了有利条件。仪器仪表生产厂家过去都是以源代码作为结构设计基础的, 他们能为客户提供智能虚拟仪器, 也就是我们通常所说的仪器驱动器, 为了切实提高仪器的运作水平, 实现编程的灵活性和提高编程质量, 仪器厂家锐意改革, 开发出了适应时代发展的智能化仪器驱动软件规范, 改进了虚拟仪器的性能和结构。充分运用智能化手段, 尽可能实现仪器驱动器代码的自动生成, 能节约大量的人力物力资源, 简化工作量, 还能实现编程驱动器结构的统一, 为客户维护和使用提供了便利条件。在智能手法的推动下, 能对不同仪器的设置和状态进行实时跟踪、识别和管理, 用户可以自行进入各种低层设置, 而且在智能管理的条件下, 驱动器能自行检查运行状况, 及时发现并解决编程错误, 切实提高了仪器的可靠性和安全性, 提高了仪器仪表的运行效率。
3.3 满足远程测控需求
随着科学技术的进一步发展, 网络技术、计算机技术等日新月异, 监控系统一般以工作站和PC机为基础, 它在组建网络的前提下切实提高了仪器仪表的工作效率, 加快了资源共享的速度, 为现代仪器仪表的快速发展指明了道路。就某种意义而言, 智能仪器仪表和计算机已初步实现了共融, 通用的仪器网络就是计算机网络。假如在测控系统中设置各种智能设备, 使它们像工作站和计算机一样通过节点连接到网络, 再加上目前相对成熟的Internet网络设备, 那么就能在更大范围和更大程度上实现资源的实时共享, 并尽可能降低组建系统费用, 同时能充分发挥测控系统的作用。在远程测控过程中要采用现场总线智能仪表, 将微电子技术、网络通信技术、现代计算机技术以及仪器测控技术有机的结合起来, 这样不仅能保证自动测量、存储、控制以及显示功能的正常发挥, 还能远程操作仪器、对仪器进行实时监控、设置合理的参数、获取测量结果以及对故障进行诊断等, 及时将最新情况反馈到Internet上, 保证仪器仪表设备的正常运行。智能仪器仪表也作为网络中独立的节点而存在, 它能采取就近原则及时与当地网络线缆进行连接, 保证现场测试数据的即时传输;用户通过符合规范的应用程序和浏览器能及时获取所需信息。不同的用户能在同一时间对同一过程进行有效监控, 领导人员、质量监控人员以及工程技术人员等能对同一运输过程进行远距离控制和监测, 即使远在千里之外也保证信息搜集工作的正常进行, 方便数据库的建立和决策意见的制定, 能及时探索和分析其中蕴含的深层规律。对于各种隐患及问题, 一经发现可以立即进行新一轮的配置, 制定出行之有效的解决措施[3]。
4 结语
社会生产力的发展推动了信息技术的快速发展, 而信息技术的发展又催生了网络智能仪表的产生和发展, 智能仪表是对传统仪表的极大变革。与传统仪表相比, 智能仪表的导线量急剧减少, 而且智能仪表的精确度也不断提升。智能仪表有着传统仪表无法比拟的优越性, 它必将成为未来仪器仪表行业新的方向。
参考文献
[1]陈庆.浅谈智能仪器仪表的发展趋向及其应用前景[J].科技创新导报, 2009, (6) :16-16.
[2]薛为.计算机在智能仪器仪表中的应用[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2013, (26) .
智能化仪器 篇9
当前, 煤矿通风安全仪器多采用人工管理方式, 突出问题表现在:台帐和记录众多, 仪器信息的查询、检索和修改因难, 统计分析与报表制作难度大, 同时人工台帐不规范, 失误和信息缺失严重, 无法有效地跟踪仪器使用状态。本文以淮北矿业集团公司祁南煤矿为试验矿区, 针对如上所述问题, 通过充分调研, 进行了煤矿通风安全仪器智能管理信息系统的需求分析、系统建模与设计、关键技术点攻关, 采用Delphi结合SQL Server技术进行了开发与应用。
1 系统目标与功能需求
系统目标是通过煤矿通风安全仪器智能管理系统, 让通风安全仪器的管理全程业务实现信息化和规范化, 把人、信息和资源有效地结合在一起, 大幅度提高煤矿的管理水平。
通过对试验区相关部门业务流程调研, 可知系统应满足如下基本功能:
1) 台帐管理:记录仪器的基本信息和使用信息, 包括:仪器的名称、型号、规格、制造厂家、用途、检定周期、报废日期等, 提供相关数据的录入和统计报表等功能。
2) 周期检定 (校准) :对由检定部门强检后的《检定证书》进行集中管理, 能对每台通风安全仪器检定情况进行跟踪, 自动生成《周期检定 (校准) 表》。
3) 维修维护:实现通风安全仪器的日常维修维护跟踪, 管理相关配件库, 并将仪器与配件消耗相关联, 对库存量能够综合分析, 实现缺货报警。
4) 日常校准管理:对光干涉式甲烷测定器、催化燃烧式甲烷测定器的日期校准情况进行管理, 将日常的校准数据录入到数据库中, 为管理人员仪器的性能提供数据依据。
5) 矿工管理:建立矿工身份数据库, 每位矿工分配一个专用的ID卡编号做为身份识别码, 所有矿工使用该识别码领用仪器。
6) 刷卡发放管理:是日常最频繁的业务操作, 主要实现仪器的刷卡发放。在每台催化燃烧式甲烷测定器的内安装智能芯片, 作为该台仪器的标识码。不同工种的工作人员使用不同的仪器, 系统通过能自动进行分辨, 自动记录仪器发出、交回时间, 另具有对单台仪器使用情况的汇总统计, 在单位时间内该仪器被领用次数, 使用时长, 平均使用时长以及累计使用时长。以便于维修人员掌握仪器的使用情况, 给维修工作做出指导性意见。
2 系统模型的构建
煤矿通风安全仪器智能管理系统模型主要包括三项内容:数据存储、业务流程和系统授权验证。
1) 数据模型是在对现实世界向信息世界抽象的过程, 建模的关键在于分析现场业务中的数据构成规则, 提取数据实体及其之间关系, 并确定这些数据实体和关系的属性组。煤矿通风安全仪器智能管理系统的实体主要包括通风安全仪器数据 (台帐、周期检定、日常维护、日常校准) 、通风安全仪器职能管理数据实体 (仪器发放、交回) 、用户授权验证数据实体 (系统操作员、矿工、权限与角色) ;实体之间通过仪器编号、矿工编号、操作员编号、权限编号、角色编号构成联系。
2) 业务流程用于描述的系统的行为特征。在信息系统中, 最为根本的业务是数据管理, 一般围绕数据模型构建其添加、修改、删除、查询和统计报表等操作方法, 再增加针对行业特征的业务操作。煤矿通风安全仪器智能管理系统业务操作包括台帐管理、仪器管理、仪器发放与交回管理、人员及其权限管理、数据检索查询和报表管理。
3) 系统授权验证。煤矿通风安全仪器智能管理系统权限分为三类权限组:管理员、维修工、发放工。每一组有特定的权限, 即该组系统操作员登录以后只能做预先设定好的操作, 不允许操作不能完成。例如, 管理员负责台帐、检定记录、维修记录、职工信息管理全局信息管理;维修工负责设备维修和维修记录的登录;发放工负责仪器的发出和交回。每一权限组可以添加若干系统操作员用户名和基本信息, 它将对应到现实中科室的工作人员, 从而在为每一个员工分配操作用户ID时, 限定了其权限, 即工作分配。
3 系统设计与关键技术点
3.1 系统设计
依据数据模型构建系统数据库, 其中包括大量实体、关系表, 例如:仪器管理台帐表、仪器管理台帐表、仪器基础信息表、启爆器参数校正表、催化燃烧式甲烷测定器验证表、光干涉式甲烷测定器校正表、报废管理表、配件采购消耗表、周期检定表、矿职工人员表、系统操作员表、发放记录表、仪器丢失处理表、证件丢失处理表等。建库建表完成后还需要为它们设置适当的索引与约束, 提高执行效率。
接着, 依据业务流程和系统授权验证建模情况, 设计系统由台帐管理、仪器管理、仪器发放与回收、矿职工信息和系统授权验证五大部分组成构成, 加以扩展, 如图1所示。
3.2 关键技术点之一:数据查询与报表技术
煤矿通风安全仪器智能管理系统需要满足大量的数据查询与报表功能, 例如:仪器台帐查询、待检查询、检定台帐查询、发放记录查询、故障仪器查询、维修记录查询等。Grid+Report提供了一个具有超强数据展现功能的数据网格 (Data Grid) 部件, 使得各种数据报表的开发过程极大简化, 可以让报表的查询、显示与打印一次实现, 既提高了开发效率又保持了数据的一致性, 部分源码如代码1所示。
3.3 关键技术点之二:智能刷卡与相互绑定技术
仪器发放与回收操作频繁, 工作量大, 是直接关系整个系统性能和用户体验的关键。传统键盘录入方式效率低下, 失误多, 也操作员的计算机技术水平要求较高。为了解决这些问题, 矿工和仪器均采用刷卡方式, 描述如下: (1) 一张ID卡拥有唯一的编号; (2) 一位矿工绑定一张磁卡, 作为其唯一标示; (3) 一个仪器或者仪器组绑定一张磁卡, 作为其唯一标示; (4) 当对矿职工做注册、注销、查询、维护等操作时, 通过刷卡锁定到对应职工记录, 然后进行界面信息操作完成; (5) 对仪器进行发出、回收、查询、报修、送检等操作时, 可刷卡锁定到对应仪器记录, 然后进行界面信息操作完成; (6) 领取设备、交回仪器涉及到对领取人和领取仪器的绑定操作。在领取设备时, 先刷人员ID卡, 读取人员信息, 再刷仪器ID卡, 读取仪器信息, 并将人员信息与仪器信息绑定, 记录发出信息;在交回仪器时, 直接刷仪器ID卡, 读出绑定信息, 待确认仪器后, 记录收回信息, 解除绑定。如图2所示。
4 系统的应用效果
煤矿通风安全仪器智能管理系统于2014年3月开始在祁南矿通风区发放室试验运行。经过反复调试和改进, 功能强大、操作简易、智能化程度高, 已能满足祁南矿通风区发放室现场所有业务需要, 成为集台帐管理、安全仪器管理、周期检定管理、日常维护管理、日常校正管理、仪器安全发放与回收智能管理、科室职责分配、相关数据查询、统计报表等功能为一体的智能化信息管理系统, 部分界面如图3所示。
由于系统严格遵循淮北矿业集团公司计量器具管理文件、国家计量法规等规范标准, 极大的简化了繁琐的仪器发放与回收过程, 提高了管理过程的规范化、程序化和智能化, 深得系统操作员和各级领导的好评, 获得了安徽煤矿安全监察局淮北分局领导、集团公司通风处领导的高度评价。
摘要：为了提高煤矿通风安全仪器管理过程的自动化和智能化程度, 以淮北矿业集团公司祁南煤矿为试验区, 反复调研、设计与调试, 构建了数据存储、业务流程和用户授权验证三方面的模型。采用Grid+Report技术实现了数据综合查询与报表;采用智能刷卡与相互绑定技术极大简化了仪器发放与回收操作。现场应用效果表明, 煤矿通风安全仪器智能管理系统能显著提高矿井通风安全仪器管理工作的效率, 减少人为失误, 并推动矿井管理的数字化、标准化和规范化建设。
关键词：通风安全,仪器仪表管理,管理系统设计,ID卡
参考文献
[1]韩书, 胡彧, 李彤, 等.通风安全仪器仪表管理系统设计[J].工矿自动化, 2014, 40 (5) .
[2]韩书.基于物联网的通风安全仪器仪表管理系统设计[D].太原理工大学硕士学位论文, 2014.
[3]谢俊生, 张晶.煤矿数字式光干涉式甲烷测定器及巡检管理系统[J].煤矿安全, 2010, 41 (7) .
[4]王婴, 谢俊生.煤矿通风工区瓦斯巡检管理系统的研制[J].煤矿安全与环保, 2009, 36 (6) .