二級計(jì)量師

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二級注冊計(jì)量師考試專業(yè)實(shí)務(wù)案例分析

智能、虛擬和網(wǎng)絡(luò)化的新型儀器儀表

近20年來，儀器儀表發(fā)展尤為迅速，特別是這些年來計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，廣泛滲透到儀器儀表領(lǐng)域，出現(xiàn)嶄新的一代儀器儀表——智能儀器、虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器。

智能儀器

智能儀器是將人工智能的理論、方法和技術(shù)應(yīng)用于儀器，使其具有類似人智能特性或功能的儀器。為了實(shí)現(xiàn)這種特性或功能，智能儀器中一般都使用嵌入微處理器的系統(tǒng)芯片（SOC）、或數(shù)字信號處理器（DSP）及專用電路（ASIC），儀器內(nèi)部帶有處理能力很強(qiáng)的智能軟件。儀器儀表已不再是簡單的硬件實(shí)體，而是硬件、軟件相結(jié)合，軟件在儀器智能高低方面起重要作用的新型儀器。

儀器與微處理器相結(jié)合，取代了許多笨重的硬件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和前面板大為改觀，節(jié)省許多開關(guān)和調(diào)節(jié)旋鈕。微處理器通過鍵盤或遙控接口接受命令和信號，并用來控制儀器的運(yùn)行，執(zhí)行常規(guī)測量，對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，數(shù)字顯示或傳送，而傳統(tǒng)的模擬方法是很難做到的。智能儀器具有如下特點(diǎn)：

（1）采集信息 借助于傳感器和變送器，按處理器的要求采集電量和非電量。

（2）與外界對話 使用智能接口進(jìn)行人機(jī)對話及與外部儀器設(shè)備對話，接入自動(dòng)測試系統(tǒng)，甚至接入Internet。另一方面，使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏，可用對話方式選擇測量功能、設(shè)置參數(shù)。當(dāng)然，通過顯示器等也可獲得測量結(jié)果。

（3）記憶信息 智能儀器的存儲器既用來存儲測量程序、相關(guān)的數(shù)學(xué)模型以及操作人員輸入的信息，又用來存儲以前測得的和現(xiàn)在測得的各種數(shù)據(jù)。

（4）處理信息 按設(shè)置的程序?qū)y得的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，求均值、對數(shù)、方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)學(xué)運(yùn)算FFT變換，求解代數(shù)方程，比較、判斷、推理等。

（5）控制 以分析、比較和推理的結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信息。2012年注冊計(jì)量師考試

（6）自檢自診斷 自測試（自檢）程序?qū)x器自身各部分進(jìn)行檢測，驗(yàn)證能否正常工作。自檢及格時(shí)顯示通過信息或發(fā)出相應(yīng)聲音。否則，運(yùn)行自診斷程序，進(jìn)一步檢查儀器的哪一部分出了故障，并顯示相應(yīng)的信息。若儀器中考慮了替換方案，則經(jīng)內(nèi)部協(xié)調(diào)和重組還可自動(dòng)修復(fù)。

（7）自補(bǔ)償自適應(yīng) 智能儀器能適應(yīng)外界的變化。比如，能自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)境溫度、壓力等對被測量的影響，能補(bǔ)償輸入的非線性，并根據(jù)外部負(fù)載的變化自動(dòng)輸出與其匹配的信號等等。

（8）自校準(zhǔn)自學(xué)習(xí) 智能儀器常常通過自校準(zhǔn)（校準(zhǔn)零點(diǎn)、增益等）來保證自身的準(zhǔn)確度。不僅如此，它們還能通過自學(xué)習(xí)學(xué)會處理更多更復(fù)雜的測控程序。

虛擬儀器

虛擬儀器是充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，并可由用戶自己設(shè)計(jì)、自己定義的儀器。它通常由計(jì)算機(jī)、儀器模塊和軟件三部分組成。儀器模塊的功能主要靠軟件實(shí)現(xiàn)，通過編程在顯示屏上構(gòu)成波形發(fā)生器、示波器或數(shù)字萬用表等傳統(tǒng)儀器的軟面板，而波形發(fā)生器發(fā)生的波形、頻率、占空比、幅值、偏置等，或者示波器的測量通道、標(biāo)尺比例、時(shí)基、極性、觸發(fā)信號（沿口、電平、類型……）等都可用鼠標(biāo)或按鍵進(jìn)行設(shè)置，如同常規(guī)儀器一樣使用，不過，虛擬儀器具有更強(qiáng)的分析處理能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，用戶只能使用制造商提供的儀器功能的傳統(tǒng)觀念正在改變，而用戶自己設(shè)計(jì)、定義的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；同一臺虛擬儀器可在更多場合應(yīng)用，比如既可在電量測量中應(yīng)用，又可在振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和圖像等非電量測量中應(yīng)用，甚至在網(wǎng)絡(luò)測控中應(yīng)用。

軟件技術(shù)是虛擬儀器的核心技術(shù)。常用的儀器用開發(fā)軟件有LabVIEW、LabWindows/CVI、VEE等等。這些軟件已相當(dāng)完善，而且還在升級、提高。以LabVIEW為例，這是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI儀器及數(shù)據(jù)采集卡等硬件的系統(tǒng)構(gòu)成，而且，具有很強(qiáng)的分析處理能力。去年，LabVIEW 6i 問世，將智能化測量與控制技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展到了Internet網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò)化儀器與遠(yuǎn)程測控

網(wǎng)絡(luò)化儀器是適合在遠(yuǎn)程測控中使用的儀器。這是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與儀表技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的一種新型儀器。許多儀器儀表具有遠(yuǎn)程通信能力，這是早就知道的事情，不過最近這幾年正發(fā)生著許多新的、重要的變化，最重要的一點(diǎn)是擴(kuò)展了Web技術(shù)的應(yīng)用，特別是擴(kuò)展了傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）、瀏覽器和嵌套服務(wù)器的應(yīng)用。比如，通過GPIB-ENET轉(zhuǎn)換器、RS232/RS485-TCP/IP轉(zhuǎn)換器，將數(shù)據(jù)采集儀器的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成遵循TCP/IP協(xié)議的形式，然后上Intranet/Internet網(wǎng)；而基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)化智能儀器則通過嵌入式TCP/IP軟件，使現(xiàn)場變送器或儀器直接具有Intranet/ Internet功能。它們與計(jì)算機(jī)一樣，成了網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，很方便地就能與就近的網(wǎng)絡(luò)通信線纜直接連接，而且“即插即用”，直接將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)送上網(wǎng)；用戶通過瀏覽器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序即可實(shí)時(shí)瀏覽到這些信息（包括處理后的數(shù)據(jù)、儀器儀表的面板圖像等）。虛擬儀器（VI）把傳統(tǒng)儀器的前面板移植到Web頁面上，通過Web服務(wù)器處理相關(guān)的測試需求，通過Intranet/ Internet實(shí)時(shí)地發(fā)布和共享測試數(shù)據(jù)。

考慮遠(yuǎn)程測量/控制和集中數(shù)據(jù)收集/處理，儀器需要這種強(qiáng)有力的有線、無線連通性能。這種連通性能給用戶帶來許多實(shí)惠：1.通過網(wǎng)絡(luò)，用戶能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測/控制過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且實(shí)時(shí)性非常好。一旦過程中發(fā)生問題，有關(guān)數(shù)據(jù)也會立即展現(xiàn)在用戶面前，以便采取相應(yīng)措施（包括向遠(yuǎn)方制造商咨詢等），可靠性大為增強(qiáng)。2.通過網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)用戶能遠(yuǎn)程監(jiān)控多個(gè)過程，而多個(gè)用戶也能同時(shí)對同一過程進(jìn)行監(jiān)控。例如，工程技術(shù)人員在他的辦公室里監(jiān)測一個(gè)生產(chǎn)過程，質(zhì)量控制人員可在另一地點(diǎn)同時(shí)收集這些數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫。3.通過網(wǎng)絡(luò)，大大增強(qiáng)了用戶的工作能力。用戶可利用普通儀器設(shè)備采集數(shù)據(jù)，然后指示另一臺功能強(qiáng)大的遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)發(fā)布。4.通過網(wǎng)絡(luò)，用戶還可就自己感興趣的問題在世界范圍內(nèi)進(jìn)行合作和訪問，比如，軟件工程師可以利用網(wǎng)絡(luò)化軟件工具把開發(fā)程序或應(yīng)用程序下載給遠(yuǎn)方的目標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)試或?qū)崟r(shí)運(yùn)行，就像目標(biāo)系統(tǒng)在隔壁房間一樣方便。

總之，網(wǎng)絡(luò)通過釋放系統(tǒng)的潛力，改變了測量技術(shù)的以往面貌，打破了在同一地點(diǎn)進(jìn)行采集、分析和顯示的傳統(tǒng)模式；依靠Internet和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們已能夠和將能夠有效地控制遠(yuǎn)程儀器設(shè)備，在任何地方進(jìn)行采集、任何地方進(jìn)行分析、任何地方進(jìn)行顯示。不久的將來，越來越多的測試和測量儀器將融入Internet網(wǎng)。

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