1.2 智能仪器的分类与特点

如前所述，智能仪器一般可看成是由传感器、输入信号处理接口、人机界面接口、微机系统、输出接口电路构成的，其中微机系统是智能仪器的核心。随着集成电路技术的飞速发展，具有各种处理功能的集成电路体积越来越小，功能越来越强，包含了微机系统的智能仪器、仪表的体积也可以做得很小。智能仪表，甚至智能传感器也可以有很强的数据处理功能。在此不再加以区分，统一称为智能仪器、仪表，或简称为智能仪器。

1.2.1 智能仪器的分类

智能仪器分类的方法有多种，可以按微处理器（智能）进行分类，也可以按其结构进行分类，还可以按其主要用途、测量精度等级进行分类等。这里简单讨论一下按智能程度分类和按结构分类。

1.智能仪器按智能程度分类

因为微处理器的种类很多，其处理信息的能力差别很大，因此智能仪器存在智能程度或级别，它主要由智能仪器系统的以下特征所决定。

（1）系统大脑（微处理器）的计算能力。从早期的只能同时处理8位数据的嵌入式微处理器，到新近能同时处理64位数据的嵌入式微处理器，其计算能力差别巨大。

（2）系统用于感知处理、环境建模、行为生成、判值和全局通信的算法（软件）复杂性。

（3）系统在内部存储器内存储信息的能力，包括存储量、存储速度等。

（4）系统作用过程的复杂性，包括多信息的融合等。

涉及自动化生产工业时，把智能定义成自动化生产过程中一种闭环控制的仪器所具有的结合输入信号及存储的记忆而出现的判断控制能力，相应地可以将智能仪器做如下分类。

① 聪明类——电子、传感、测量。

② 初级智能——计算机，信号与处理。

③ 模型化——系统辨识，模式识别。

④ 高级智能——人工智能。

2.智能仪器按结构分类

智能仪器按结构主要可分成三大类。

（1）单机型智能仪器。单机型智能仪器系统的简单框图如图1.5所示。这类智能仪器通常为某种测量目的而设计，硬件与软件都是根据待测量、测控要求、性能指标来设计，针对性比较强，其人机界面比较简单，输入按键比较少，输出采用数码管显示器或液晶显示器，体积小，测试精度高，可靠性高，一般还有符合某些协议的通信接口，应用十分广泛。智能仪器狭义上通常就是指这种单机型智能仪器，这也是本教材要着重分析的智能仪器。

（2）个人计算机仪器。广义上，任何一台个人计算机附加上测量控制的外部设备都可以看成是一台智能仪器，可称为微机卡式仪器PCI（Personal Computer Instrument，也称个人计算机仪器）。外部设备与个人计算机的连接也有多种方法，如插卡式，将所配用的模拟量输入通道以印制电路板的插板方式直接插入PC箱内的空槽中；插件箱式，将各种功能插件集中在一个专用的机箱中，机箱备有专用的电源；外接式，通过串、并行口或USB接口与外部设备相连接。

这类智能仪器的结构如图1.6所示，虚线框中为标准的个人计算机结构。如果把打印机与扫描仪也视做个人计算机的标准配置，则个人计算机仪器只是比个人计算机多了测量控制设备。

这类智能仪器通常采用现成的操作系统，可以在一些通用平台上进行二次设计开发，因此具有较强的软件功能和较好的人机界面。且个人计算机仪器充分利用PC的软件和硬件资源，相对于传统仪器，大幅度地降低了系统成本，缩短了研制周期。个人计算机仪器的测量精度等主要由外接的测试电路决定，但可以利用软件及数据处理技术进行修正和补偿。缺点是普通的微机可能对工作环境有一定的要求，此外，PC总线也不是专为仪器系统设计的，不能实现仪器间的直接通信及触发、同步、模拟信号传输等功能。因此，这种个人计算机仪器的性能不是很高。

（3）智能仪器测控系统（又称为网络仪表）。在自动化工业过程中，往往对整个生产过程都要进行监控。在对机电产品测试中，也往往要对多种变量进行测试，综合分析测试结果。因此，用大量智能仪器、仪表（传感器）构成智能仪器系统也已经在很多场合得到了应用。

这种智能仪器系统可以利用已有的单机型智能仪器、个人计算机仪器组成，也可以根据工业自动化过程或自动化测试的具体要求进行特殊设计，目前应用比较广泛的有集散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。这种智能仪表控制系统总体功能强，是未来智能仪器的发展方向。对这种智能仪器系统而言，单机型智能仪器可以看成是其中的一个部分，或者说一个单元，很多这样的测控单元通过现场总线通信系统组合而成。关于这种智能仪器测控系统，本书将在后面进行介绍。

1.2.2 智能仪器的特点

微机系统的引入，使智能仪器具有很多明显的特点（优点），主要包括以下几个方面。

（1）微处理器的引入使许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，由于利用软件而获得较好的解决。例如，传统的数字万用表（DMM）只能测量交/直流电流、电压及电阻等，但采用微处理器的智能数字万用表还能测量百分率偏移、比例、极值、平均值、方差、均方差、均方根值等，甚至在加上传感器后还能测量温度、压力等非电量。

（2）智能仪器可以通过数据处理进行自动校正非线性补偿、数字滤波等，修正和克服由各种传感器、变换器、放大器等引进的误差和干扰，从而提高仪器的精度和其他性能。

（3）智能仪器一般都具有很高的自动化水平。微处理器能控制仪器的整个测量过程，如键盘扫描，量程选择，数据采集、传输、处理及显示记录输出等，实现了测量过程的自动化。例如，加了微机系统构成的智能数字万用表，除可测量传统的直流电压、直流电流及电阻外，还可测量任意波形的交流电压及交流电流的有效值。测频率时，范围可扩展到10Hz～1MHz。测温度时，范围可扩展到-60～200℃。可进行电平（分贝值）测量和实现自动量程切换，有极性显示及输入过载保护等自动化功能，可对测量结果做简单的误差计算。有的智能数字万用表还可在数字显示器下面外接光条显示器，以提高对被测信号波动变化倾向的判断能力，甚至有的智能数字万用表可以显示波形曲线及相关性能，具有示波器的功能。

（4）微机系统都具有通信的功能。通过相关的协议，使智能仪器很容易与其他计算机系统通信，也可以用很多智能仪器构成自动测控系统。

（5）智能仪器采用微处理器，从而可以用软件代替许多硬件电路的工作。这样，仪器可以简化结构、减小体积、降低成本和提高可靠性。

（6）智能仪器通常都具有自测试和自诊断功能。它能自行测试功能是否正常，自行诊断是否存在故障及报告故障的部位，提高了仪器的可靠性，简化和加快了仪器的维修工作。