浅谈智能自动化在仪器仪表领域中的应用

当今的智能科技分支林立，蓬勃兴旺，在国内外已获得了长足的进步，智能科技在仪器仪表中的应用也正日新月异地飞速发展，许多其他领域的新技术也不断融合进来。当今又有光互连技术正以极高的时空带宽、极小的电磁干扰和较小的互连功耗等一系列独特的物理性能，克服了电互连技术物理上的本质极限，为动态、灵活、高速、实时地重构网络互连结构，大大提高并行处理能力，开创出一个全新天地。智能自动化技术的应用正在全面渗入到仪器仪表工业。

一、在仪器仪表结构、性能改进中的应用

(一)智能自动化技术为仪器仪表与测量的相关领域的应用开辟了广阔的前景

运用智能化软硬件，使每台仪器或仪表能随时准确地分析、处理当前的和以前的数据信息，恰当地从低、中、高不同层次上对测量过程进行抽象，以提高现有测量系统的性能和效率，扩展传统测量系统的功能，如运用神经网络、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能、高机动灵活等性能。

(二)智能自动化技术可以对事物的模糊关系进行模糊决策

在分散系统的不同仪器仪表中采用微处理器、微控制器等微型芯片技术，设计模糊控制程序，设置各种测量数据的临界值，运用模糊规则的模糊推理技术，对事物的各种模糊关系进行各种类型的模糊决策。其优势在于不必建立被控对象的数学模型，也不需大量的测试数据，只需根据经验，总结合适的控制规则，应用芯片的离线计算、现场调试，按我们的需要和精确度产生准确的分析和准时的控制动作。

(三)智能自动化技术在传感器测量中的应用

在传感器测量中，智能自动化技术的应用更为广泛。用软件实现信号滤波，如快速傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换等技术，是简化硬件，提高信噪比，改善传感器动态特性的有效途径，但需要确定传感器的动态数学模型，而且高阶滤波器的实时性较差。运用神经网络技术，可实现高性能的自相关滤波和自适应滤波。充分利用人工神经网络技术强有力的自学习、自适应、自组织能力，联想、记忆功能以及对非线性复杂关系的输入、输出间的黑箱映射特性，无论在适用性和快速实时性等各方面都将大大超过复杂函数式，可充分利用多传感器资源，综合获取更准确、更可信的结论。其中实时与非实时的、快变与缓变的、模糊和确定性的数据信息，可能相互支持，也可能相互矛盾，此时，对象特征的提取、融合，直至最终决策，做出正确的判断，将成为难点。于是神经网络或模糊逻辑将成为最值得选用的方法。例如，气体传感阵列用于混合气体识别，在信号处理方法上可采用自组织映射网络和BP网络相结合，先进行分类，再识别组分，将传统方法的全程拟合转化为分段拟合，以降低算法的复杂度，提高识别率。又如，食品味觉信号的检测和识别的难度，曾一度是研究与开发单位的主要障碍所在。如今可利用小波变换进行数据压缩和特征提取，然后将数据输入用遗传算法训练过的模糊神经网络，则大大提高了对简单复合味的识别率。

二、在虚拟仪器结构设计中的应用

仪器与测量技术和计算机技术的结合，不但大大提高了测量精确度与智能自动化水平，特别是计算机的硬件软化和软件模块化的虚拟仪器的迅猛发展，以及其与网络化系统资源程序的统一和优化性能配置，为仪器仪表的智能化水平的迅速提高，创造了越来越优越的条件。在仪器仪表结构设计中，仪器厂家过去都是以源代码形式向用户提供智能虚拟仪器即插即用的仪器驱动器，为了简化最终用户的使用操作与开发过程，不断提高运行效率，以及编程质量和编程灵活性，相关仪器厂家在VXI即插即用的总线仪器驱动器标准的基础上做出了一套新的智能化仪器驱动软件规范，在虚拟仪器结构与性能上进行了下述多方面改进。

1、考虑要兼顾用户的直观、易用与尽可能提高运行效率，并保持原来VXI总线即插即用标准的高层编程接口，以提供相同的功能函数调用格式。

2、在最新的开发工具基础上，运用智能化手段，使智能虚拟仪器的仪器驱动器代码，可以在人机交互作用下自动生成，这样既简化了大量编程工作量，又统一了驱动器代码的编程结构和风格，还大大方便了不同水平用户的使用和维护。

3、应用一系列智能手法，识别、跟踪和管理所有各种仪器状态和设置，使用户能直接进入所有低层设置，并通过智能状态管理，使用户可根据需要，在“测试开发”和“正常运行”两种模式之间随意切换。在“测试开发”模式下，驱动器可智能自动化地完成一系列状态检查，以帮助发现各种编程错误。当程序调试正常投入使用后，用户即可切换到“正常运行”模式，以使驱动软件高速运行。这样既保证了仪器的安全性和可靠性，又可使软件随时投入高速运行，尽可能提高其运行效率。

4、也由于采用了各种智能化方法，使驱动器可实现多线程同时安全运行，进行多线程并行测试;同时，驱动器还具有强大的仿真功能，可以在不连接实际仪器的情况下，开发测试程序。

5、最后一个特点是驱动器运行只与测试功能相关，而与仪器采用的接口总线方式无关，只通过一个初始化函数来区分仪器接口总线和地域的异用。

三、仪器仪表网络化中的应用

由于仪器与计算机一旦组成网络，即可凭借智能化软硬件充分发挥灵活调用和合理配置网上各种计算机和仪器仪表的各自资源特性和潜力，产生1+1>2的组合优势。例如，目前已可使用连接到Web的数字万用表和示波器，通过因特网和模式识别软件区别不同的时空条件和仪器仪表的类别特征以及测出临界值，做出不同的特征响应;也可使用分布式数据采集系统代替过去单独使用的数据采集设备，以至可跨越以太网或其他网络，实施远程测量和采集数据，并进行分类的存储和应用。网络化的智能测量环境将网上各种类型，不同任务的计算机和仪器仪表有机地联系在一起，完成各种形式的任务要求，如在某地采集数据后送往各种需要这些数据的地方，把相同数据按需拷贝多份，送往各需要部门;或者定期将测量结果送往远方数据库保存，供需要时随时调用。而多个用户可同时对同一过程进行监控，例如各部门工程技术人员、质量监控人员以及主管领导人员可同时分别在相距遥远的各地监测、控制同一生产运输过程，不必亲临现场而又能及时收集各方面数据，进行决策或建立数据库，分析现象规律。一旦发生问题，可立即展现眼前或重新配置，或即时商讨决策，立即采取相应措施。另外，智能重构信息处理技术也将为仪器仪表创造更广阔的活动舞台。结合了计算机与专用集成电路优点的可重构计算机，不仅要根据不同的计算任务对大量的可编程逻辑单元阵列做出灵活的相应配置，其指令级、比特级、流水线级以至任务级的并行计算，使其运行速度达到通用计算机的数百倍以上。