智 能 仪 器 设 计 要 点
引言
微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点，已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入偷出通道的设计，以及应用软件的开发。其主要包括将被测非电量转换成与之相对应的电信号的传感器部分, 对传感器的信号进行进一步的滤波, 放大等的信号调理电路, 以及以单片机为核心对信号进行处理, 通信和控制的信号处理单元。 这类仪表已经实现人脑的一部分功能，例如四则运算、逻辑判断、命令识别等，有的还能够进行自校正、自诊断，并具有自适应、自学习的能力，因此习惯上称之谓“智能仪表”。但“智能化”的水平高低不一，目前所见的一部分这类产品，智能化的程度还不高，需要不断改进和完善。随着科学技术的进步发展，这类仪表所具有的智能水平将会越来越高。一些新技术新器件，如32位RISC 处理器、DSP 、ARM 、大容量存储器、嵌入式实时操作系统等的不断涌现，将对智能仪表的发展起到极大的推动作用。将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。 智能仪器具有以下功能特点：
①操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。
②具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。
③具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。
④具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。
⑤具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB 、RS232C 、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC 机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。
设计要点
智能仪器设计的主要内容通常包含硬件(连同单片机在内的全部电子线路) 、软件(包括监控管理程序及各种功能模块) 及仪表结构工艺三大部分。设计者应当熟悉要设计的仪表的工作原理和技术性能，应能对仪表的硬件部分独立地进行设计和计算；能够根据该仪表的各项测量功能独立地进行软件设计；还要能够根据所设计的原理电路，综合考虑仪表的性能和技术要求，合理地布置元器件，绘制出仪表的线路图‘最后，对所设计的仪表进行总调，发现设计中的错误之处及时修正，直至所设计的智能化测控仪表达到顶期的要求。
在智能化仪器仪表的设计研制过程中，要按仪表的功能把硬件和软件分成若干个模块，对各个模块采用“自顶向下”的顺序分别进行设计和调试，最后将各模块连接起来进行总调。首先应进行总体设计，按仪器应完成的任务确定其功能。例如，仪器是用于过程控制还是用于数据采集的处理，要求的精度如何；仪器输入信号的类型、范围如何；是否需要进行隔离；仪器的输出来用什么形式，是否需要进行打印输出；仪器是否需要具有通信功能，采用并行还是串行通信；仪器的成本应控制在什么范围之内等等。另外，还要对整台仪器的结构、外形、面板布置、使用环境等给予充分的考虑。在总体设计个要绘制出仪器的系统总图及各功能模块的流程图，并拟定详细的工作计划。完成总体设计后，再根据这些计划按流程图对仪器各部分硬件和软件进行具体的设计。
在智能化测控仪表中，单片机是核心，因此在硬件设计时首先要考虑单片机的选择，然后再确定与之配套的外围芯片。在选择单片机时，要考虑的因素有字长(即数据总线宽度) 、寻址能力、指令功能、执行速度、中断能力以及市场对该种单片机的软、硬件支持状态等。在充分考虑上述各种因素正确选择了单片机之后，还要进行输入和输出接口和其它功能组件的设计。输入输出接口是智能化测控仪表与外部设备交换信息的通道，它包括A ／D 和D ／A 转换接口、键盘显示器接口、打印机接口以及各种通信接口等。在进行上述各种接口的设计过程中，要画出详细电路图并进行参数计算，标出各个芯片的型号、器件参数值，然后根据电路图在试验板上进行调试，发现设计不当之处随时修改，调试成功之后再制作印刷电路板。在试验板上改动硬件设计比在印刷板上改动要容易得多。最后还应指出，在硬件电路设计时还应考虑到仪器的可维修性，即在电路上适当增加若干故障检查手段，如各种短路点及助线等。这样做虽然会增加一些成本，但可节省今后产品维修的费用。
软件设计也是智能化仪器的一个主要内容。设计者不仅府能熟练地进行各种硬件电路的设计，同时还必须掌握软件的设计方法。通常的软件设计方法是先画出程序流程图，然后根据流程固写出程序。
常用的程序设计方法有下面三种：
1．模块法
模块法是把一个长的程序分成若干个较小的程序模块进行设计和调试，然后再把各个模块连
接起来。智能仪器仪表监控程序总的可分为三大模块，即监控主程序、接口管理程序和命令处理子程序。命令处理子程序通常又可分为测试、数据处理、输入椭出、显示等子程序模块。由于程序被分成一个个较小的独立模块，因而方便了编程、纠锗和调试。
2．自顶向下设计法研制软件有两种截然不同的方式，一种叫做“自顶向下”法，另一种叫做“自底向上”法。所谓“自顶向下”法，概括地说，就是从整体到局部，最后到细节。即先考虑整体g 标，明确整体任务，然后把整体任务分为一个个子任务，子任务再分成子任务，同时分析各子任务之间的关系，最后拟定谷子任务的细节。这犹如要建造一座房子，先要设计总体图，再绘制详细的结构图，最后一块砖一块砖地建造起来。所谓“自底向上”法，就是先解决细节问题，再把各个细节结合起来，从而完成整体任务*“自底向上”是传统的程序设计方法。这种方法有严重的缺点，由于从某个细节开始，对整体任务没有进行透彻的分析与了解，因而在设计某个模块程序时很可能会出现原来没有预料到的新情况，以至于要修改或重新设计已经设计好的程序模块，造成返工，浪费时间。目前，一般趋向于采用“自顶向下”法。但事情不是绝对的，不少程序设计者认为，这两种方法应该结合起来使用。一开始在比较“顶上”的时候，应该采用“自顶向下”法，但“向下”到一定的程度，有时需要采用“自底向上”法。例如，对某个关键的细节问题，先编制程序，并在硬件上运行，取得足够的数据后再回过头来继续设计。
3．结构化程序设计结构化程序设计是20世纪70年代起逐渐被采用的一种新型的程序设计方法，它不仅在许多高级语言中应用，而且其基本结构同样适用于汇编语言的程序设计。结构化程序设计的目的是使程序易读、易查、易调试，并提高编制程序的效率。在结构化程序设计中不用或严格喂制使用转移语句。结构化程序设计的一条基本原则是每个程序模块只能有一个人口、一个出口。这样一来，各个程序模块可以单独设计，然后用最少的接口组合起来，控制明确地从一个程序模块转移到下一个模块，使程序的调试、修改或维护都要容易得多。大的复杂程序可由这些具有一个入口和一个出口的简单结构组成。 理论相实践证明，采用上述三种设计方法可构成任何程序。结构化程序设计具有许多优点，但也有缺点。例如，用结构化程序设计的程序，其速度较慢，占用的存储器较多，使某些任务难于处理等。
智能式仪表设计要注意的环节
国外智能式仪表不仅注重仪表本身的可靠性设计，并对使用可靠性也要加以设计考虑。一般电子仪器仪表产品的可靠性属于指数分布，而机械加工件多的仪表其可靠性属于正态分布，实际计算起来并不很复杂。我国的仪表设计应对此加以重视，这是产品质量的一个重要关键环节。
一、注重维修性设计
维修(Maintainability)，不仅包括使用中产品的维修，还包括生产阶段仪器的校准功能、调试功能和维修功能等技术指标，维修住必须在设计阶段加以保证。国外智能仪器仪表，具有较高的维修度，使其使于生产调试和维修，包括在设计中实施于自动检测系统。这样设计的产品给用户在测量和使用过程中提供了极大的方便性。
二、先进的设计手段和方法
国外智能仪器仪表的设计，广泛使用现代化的设计手段，如逻辑分析仪、计算机辅助设计系统等，这样可使设计调试效率提高几十倍甚至数百倍。因此我国仪器仪表行业要重视和执行CAD/CAM的应用工作。
三、产品系列化和通用化
国外的仪器仪表制造厂家，其产品系列化工作做得很好。几乎每一种类型产品，都先后推出系列产品。有简单到复杂的功能型系列; 有低到高的量程范围型系列; 有仪表附件、接口等不同的附件系列等。这样会给用户带来巨大的吸引力，而带来的效益也十分可观。
先进的智能式仪器仪表，其通用性都很强。这突出反映在绝大多数产品都有通用接口系统，可以很方便地将系统互联并与计算机组建成自动测试系统。这样就使得仪器与仪表的用途和使用范围大大地扩展了。
四、同步发展自动测试系统
新型仪器仪表大多是基于微处理机(μP) 化的智能式设计。这样，人工调试非常困难，有时是不可能的。因此，自动测试系统(ATS)就要随着仪器仪表的发展而同步研制。有了ATS 的强大的技术支持，才能使精心设计的智能式仪表的大量生产得到可靠保证。国外大的仪器和计算机制造厂家，无一例外的都配备有高水平的自动检测、自动校准和在线维修技术的功能和系统。
五、完善的配套服务设施
智能仪表都配有详细的使用说明，给出许多实用的操作使用程序，并附有各种可选择的、用于扩大应用范围的附件。这些附件的设计都要同主机设计进行一体化考虑，对仪表的易损件和定期更换件都配套供应，使用户感到十分方便。这种“软科学”发展了，仪器仪表硬件电路的智能化水平就能迅速提高。这方面英国厂家是一个很好的例证。英国的集成电路工业较薄弱，但仪表工业却很先进。这主要在于用现代化的设计思想和方案来组织设计用进口元器件所构成的仪表。我国仪器仪表工业的现代化，应首先是仪器仪表设计的现代化和智能化。
只有这样才会进入一个良性循环，使仪器仪表的设计和生产立足国产化，推动我国仪器仪表的迅速发展。
智 能 仪 器 设 计 要 点
引言
微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点，已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入偷出通道的设计，以及应用软件的开发。其主要包括将被测非电量转换成与之相对应的电信号的传感器部分, 对传感器的信号进行进一步的滤波, 放大等的信号调理电路, 以及以单片机为核心对信号进行处理, 通信和控制的信号处理单元。 这类仪表已经实现人脑的一部分功能，例如四则运算、逻辑判断、命令识别等，有的还能够进行自校正、自诊断，并具有自适应、自学习的能力，因此习惯上称之谓“智能仪表”。但“智能化”的水平高低不一，目前所见的一部分这类产品，智能化的程度还不高，需要不断改进和完善。随着科学技术的进步发展，这类仪表所具有的智能水平将会越来越高。一些新技术新器件，如32位RISC 处理器、DSP 、ARM 、大容量存储器、嵌入式实时操作系统等的不断涌现，将对智能仪表的发展起到极大的推动作用。将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。 智能仪器具有以下功能特点：
①操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。
②具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。
③具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。
④具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。
⑤具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB 、RS232C 、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC 机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。
设计要点
智能仪器设计的主要内容通常包含硬件(连同单片机在内的全部电子线路) 、软件(包括监控管理程序及各种功能模块) 及仪表结构工艺三大部分。设计者应当熟悉要设计的仪表的工作原理和技术性能，应能对仪表的硬件部分独立地进行设计和计算；能够根据该仪表的各项测量功能独立地进行软件设计；还要能够根据所设计的原理电路，综合考虑仪表的性能和技术要求，合理地布置元器件，绘制出仪表的线路图‘最后，对所设计的仪表进行总调，发现设计中的错误之处及时修正，直至所设计的智能化测控仪表达到顶期的要求。
在智能化仪器仪表的设计研制过程中，要按仪表的功能把硬件和软件分成若干个模块，对各个模块采用“自顶向下”的顺序分别进行设计和调试，最后将各模块连接起来进行总调。首先应进行总体设计，按仪器应完成的任务确定其功能。例如，仪器是用于过程控制还是用于数据采集的处理，要求的精度如何；仪器输入信号的类型、范围如何；是否需要进行隔离；仪器的输出来用什么形式，是否需要进行打印输出；仪器是否需要具有通信功能，采用并行还是串行通信；仪器的成本应控制在什么范围之内等等。另外，还要对整台仪器的结构、外形、面板布置、使用环境等给予充分的考虑。在总体设计个要绘制出仪器的系统总图及各功能模块的流程图，并拟定详细的工作计划。完成总体设计后，再根据这些计划按流程图对仪器各部分硬件和软件进行具体的设计。
在智能化测控仪表中，单片机是核心，因此在硬件设计时首先要考虑单片机的选择，然后再确定与之配套的外围芯片。在选择单片机时，要考虑的因素有字长(即数据总线宽度) 、寻址能力、指令功能、执行速度、中断能力以及市场对该种单片机的软、硬件支持状态等。在充分考虑上述各种因素正确选择了单片机之后，还要进行输入和输出接口和其它功能组件的设计。输入输出接口是智能化测控仪表与外部设备交换信息的通道，它包括A ／D 和D ／A 转换接口、键盘显示器接口、打印机接口以及各种通信接口等。在进行上述各种接口的设计过程中，要画出详细电路图并进行参数计算，标出各个芯片的型号、器件参数值，然后根据电路图在试验板上进行调试，发现设计不当之处随时修改，调试成功之后再制作印刷电路板。在试验板上改动硬件设计比在印刷板上改动要容易得多。最后还应指出，在硬件电路设计时还应考虑到仪器的可维修性，即在电路上适当增加若干故障检查手段，如各种短路点及助线等。这样做虽然会增加一些成本，但可节省今后产品维修的费用。
软件设计也是智能化仪器的一个主要内容。设计者不仅府能熟练地进行各种硬件电路的设计，同时还必须掌握软件的设计方法。通常的软件设计方法是先画出程序流程图，然后根据流程固写出程序。
常用的程序设计方法有下面三种：
1．模块法
模块法是把一个长的程序分成若干个较小的程序模块进行设计和调试，然后再把各个模块连
接起来。智能仪器仪表监控程序总的可分为三大模块，即监控主程序、接口管理程序和命令处理子程序。命令处理子程序通常又可分为测试、数据处理、输入椭出、显示等子程序模块。由于程序被分成一个个较小的独立模块，因而方便了编程、纠锗和调试。
2．自顶向下设计法研制软件有两种截然不同的方式，一种叫做“自顶向下”法，另一种叫做“自底向上”法。所谓“自顶向下”法，概括地说，就是从整体到局部，最后到细节。即先考虑整体g 标，明确整体任务，然后把整体任务分为一个个子任务，子任务再分成子任务，同时分析各子任务之间的关系，最后拟定谷子任务的细节。这犹如要建造一座房子，先要设计总体图，再绘制详细的结构图，最后一块砖一块砖地建造起来。所谓“自底向上”法，就是先解决细节问题，再把各个细节结合起来，从而完成整体任务*“自底向上”是传统的程序设计方法。这种方法有严重的缺点，由于从某个细节开始，对整体任务没有进行透彻的分析与了解，因而在设计某个模块程序时很可能会出现原来没有预料到的新情况，以至于要修改或重新设计已经设计好的程序模块，造成返工，浪费时间。目前，一般趋向于采用“自顶向下”法。但事情不是绝对的，不少程序设计者认为，这两种方法应该结合起来使用。一开始在比较“顶上”的时候，应该采用“自顶向下”法，但“向下”到一定的程度，有时需要采用“自底向上”法。例如，对某个关键的细节问题，先编制程序，并在硬件上运行，取得足够的数据后再回过头来继续设计。
3．结构化程序设计结构化程序设计是20世纪70年代起逐渐被采用的一种新型的程序设计方法，它不仅在许多高级语言中应用，而且其基本结构同样适用于汇编语言的程序设计。结构化程序设计的目的是使程序易读、易查、易调试，并提高编制程序的效率。在结构化程序设计中不用或严格喂制使用转移语句。结构化程序设计的一条基本原则是每个程序模块只能有一个人口、一个出口。这样一来，各个程序模块可以单独设计，然后用最少的接口组合起来，控制明确地从一个程序模块转移到下一个模块，使程序的调试、修改或维护都要容易得多。大的复杂程序可由这些具有一个入口和一个出口的简单结构组成。 理论相实践证明，采用上述三种设计方法可构成任何程序。结构化程序设计具有许多优点，但也有缺点。例如，用结构化程序设计的程序，其速度较慢，占用的存储器较多，使某些任务难于处理等。
智能式仪表设计要注意的环节
国外智能式仪表不仅注重仪表本身的可靠性设计，并对使用可靠性也要加以设计考虑。一般电子仪器仪表产品的可靠性属于指数分布，而机械加工件多的仪表其可靠性属于正态分布，实际计算起来并不很复杂。我国的仪表设计应对此加以重视，这是产品质量的一个重要关键环节。
一、注重维修性设计
维修(Maintainability)，不仅包括使用中产品的维修，还包括生产阶段仪器的校准功能、调试功能和维修功能等技术指标，维修住必须在设计阶段加以保证。国外智能仪器仪表，具有较高的维修度，使其使于生产调试和维修，包括在设计中实施于自动检测系统。这样设计的产品给用户在测量和使用过程中提供了极大的方便性。
二、先进的设计手段和方法
国外智能仪器仪表的设计，广泛使用现代化的设计手段，如逻辑分析仪、计算机辅助设计系统等，这样可使设计调试效率提高几十倍甚至数百倍。因此我国仪器仪表行业要重视和执行CAD/CAM的应用工作。
三、产品系列化和通用化
国外的仪器仪表制造厂家，其产品系列化工作做得很好。几乎每一种类型产品，都先后推出系列产品。有简单到复杂的功能型系列; 有低到高的量程范围型系列; 有仪表附件、接口等不同的附件系列等。这样会给用户带来巨大的吸引力，而带来的效益也十分可观。
先进的智能式仪器仪表，其通用性都很强。这突出反映在绝大多数产品都有通用接口系统，可以很方便地将系统互联并与计算机组建成自动测试系统。这样就使得仪器与仪表的用途和使用范围大大地扩展了。
四、同步发展自动测试系统
新型仪器仪表大多是基于微处理机(μP) 化的智能式设计。这样，人工调试非常困难，有时是不可能的。因此，自动测试系统(ATS)就要随着仪器仪表的发展而同步研制。有了ATS 的强大的技术支持，才能使精心设计的智能式仪表的大量生产得到可靠保证。国外大的仪器和计算机制造厂家，无一例外的都配备有高水平的自动检测、自动校准和在线维修技术的功能和系统。
五、完善的配套服务设施
智能仪表都配有详细的使用说明，给出许多实用的操作使用程序，并附有各种可选择的、用于扩大应用范围的附件。这些附件的设计都要同主机设计进行一体化考虑，对仪表的易损件和定期更换件都配套供应，使用户感到十分方便。这种“软科学”发展了，仪器仪表硬件电路的智能化水平就能迅速提高。这方面英国厂家是一个很好的例证。英国的集成电路工业较薄弱，但仪表工业却很先进。这主要在于用现代化的设计思想和方案来组织设计用进口元器件所构成的仪表。我国仪器仪表工业的现代化，应首先是仪器仪表设计的现代化和智能化。
只有这样才会进入一个良性循环，使仪器仪表的设计和生产立足国产化，推动我国仪器仪表的迅速发展。