余啟剛

1  總線(xiàn)與儀器的發(fā)展
當今信息時(shí)代最重要的是對信息的采集、傳輸、存貯與處理。儀器儀表作為測控系統的主要信息來(lái)源與基本手段，數字計算機與儀器、儀表之間實(shí)現連接與通信的結構單元――總線(xiàn)的進(jìn)步，已成為儀器儀表發(fā)展的主要標志，由此產(chǎn)生了一系列標準接口總線(xiàn)的變遷。
CAMAC（Computer Automated Measure and Control）是70年代的一種典型測試系統的連接方式，它將各種儀器和接口功能的組件插在標準機箱中，通過(guò)數據總線(xiàn)實(shí)現連接和通信。但因其功能的局限性，如數據線(xiàn)與當前32位不匹配（24位），模塊智能化程度低，軟件功能不強，編程繁瑣以及電源的電磁兼容性、抗振散熱不理想等一系列缺點(diǎn)，限制了系統可靠性的提高。使其逐步被由計算機控制的、有較高傳輸速率的通用接口總線(xiàn)GPIB（General Purpose Interface Bus）所取代。從此，儀器、儀表從單純的接收、測試方式轉變?yōu)閿底只目刂?、分析、處理、計算與顯示輸出等多功能應用，從儀器個(gè)別電量的測量變?yōu)槿到y特征參數的系統測量，并在傳統時(shí)域、頻域測量之外加上數據域（data domain）的測試。從而利用計算機軟硬件資源，使電子測量由獨立的手工操作向組成大規模自動(dòng)測試系統方向邁進(jìn)。
在此基礎上，NI公司利用HS488協(xié)議，使GPIB的數據傳輸速率提高到ISA總線(xiàn)的1.6Mbps和EISA總線(xiàn)的3.4Mbps，最高達8Mbps。并在吸取CAMAC、GPIB以及工業(yè)微機標準總線(xiàn)VME的全部?jì)?yōu)點(diǎn)后，增加了零槽模塊功能、配電、冷卻和電磁兼容一系列新特性，推出當今國際上開(kāi)放式模塊系統的新標準總線(xiàn)VXI（VEM Extension for Instrumentation）。
VXI系統一出現就與GPIB有著(zhù)密切的聯(lián)系，插于通用計算機的MXI接口板，用MXI電纜NI-VXI/VISA驅動(dòng)程序與位于VXI零槽的VXI-MXI的模塊結合起來(lái)成為多系統擴展接口總線(xiàn)，實(shí)現多個(gè)VXI機箱間的32位數據交互。由于它可直接映射VXI內存空間，從而在提高數據傳輸速率方面發(fā)揮了強大作用。
NI公司還推出一種既具有VXI系統控制功能，又具有一臺通用PC全部功能的嵌入式控制器，并進(jìn)一步應用于VXI自動(dòng)測試網(wǎng)絡(luò )的建立。
該公司還開(kāi)發(fā)出一種被譽(yù)為“科學(xué)家與工程師的語(yǔ)言”的圖形化編程平臺――LABVIEW，使各領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)工程師通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標，從而可方便迅速地建立高水平的應用程序。它由人機界面視窗、方塊圖視窗及各種工具箱組成，并提供大量針對測試測量和過(guò)程控制的儀器面板中的控制對象，使用戶(hù)可控制編輯器，將現有控制對象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對象。還可在源代碼中的數據流連線(xiàn)上設置探針，在程序運行過(guò)程中觀(guān)察數據流的變化。對用戶(hù)更為有利的是可調用它所存貯的大量基本函數、字符串函數、文件I/O到高級數字信號處理函數和分析庫，以及世界上50多家知名廠(chǎng)商的600多種GPIB儀器、串行口儀器、VXI儀器CAMAC設備的驅動(dòng)程序，極其方便地幫助組建具有TCP/IP、VDP網(wǎng)絡(luò )與VI應用系統通信能力和具備利用E-mail、FTP、Web等能力的Internet工具箱的應用系統。
2  虛擬儀器（VI）及其智能化
當前，在各行各業(yè)科研、生產(chǎn)領(lǐng)域中，由硬件的軟件化、軟件的模塊化而產(chǎn)生的虛擬儀器（Virtual Instrument, 縮寫(xiě)為VI）因其靈活、高效、易用等一系列優(yōu)異特性，使其應用范圍日益廣泛。特別在PLC控制或驅動(dòng)器的設計中，人們應用指令代替傳統的繼電器，在通用計算機上安裝一組軟件或硬件，使用者就如同操作一臺自己設計的傳統電子儀器。在虛擬系統中，硬件最終只是用于解決信號的輸入、輸出，特別是對于傳感元件，主要依靠計算機軟件完成各相應組件的功能，軟件成了儀器組成的關(guān)鍵部件，“軟件就是儀器”成為對虛擬儀器的形象描述。通過(guò)修改軟件，可方便地增減儀器系統的功能和規模，虛擬儀器與傳統儀器的比較，見(jiàn)表1。

表1

目前較為常用的虛擬儀器系統是數據采集系統、GPIB系統、VXI系統（VME在儀器系統領(lǐng)域的擴展）以及它們之間的任意組合。
國內外智能虛擬儀器IVI（Intelligent Virtual Instruments）正在蓬勃興起。例如IVI應用一系列在人機交互作用下自動(dòng)生成儀器驅動(dòng)器代碼，自動(dòng)完成各種狀態(tài)檢查，發(fā)現編程錯誤?？筛鶕脩?hù)需要，隨意切換各種模式，并在“正?！睜顟B(tài)下自動(dòng)實(shí)現多線(xiàn)程同時(shí)安全、高速運行，并行測試。且可在強大的仿真功能支持下，不必連接實(shí)際儀器，開(kāi)發(fā)測試程序。
又如結合計算機與專(zhuān)用集成電路（ASIC）優(yōu)點(diǎn)的可重構計算機，不僅可根據不同的計算任務(wù)，對大量的可編程邏輯單元陣列（FPGA）作出靈活的相應配置，而且通過(guò)指令級、地特級、流水線(xiàn)級以致任務(wù)級的并行計算，使運行速度達通用計算機的數百倍以上。更可隨機按需高速、遠程聯(lián)系網(wǎng)絡(luò )上各類(lèi)儀器，從而為當今電子商務(wù)等網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的迅速發(fā)展以及科技、經(jīng)濟的全球化發(fā)展創(chuàng )造了高速、高效和便捷的優(yōu)越條件。
3  自動(dòng)測試儀器系統的網(wǎng)絡(luò )化連接、測量與控制
將儀器與計算機組成網(wǎng)絡(luò )，可以將各自的資源和潛力得以充分發(fā)揮、靈活調用和合理配置。產(chǎn)生1+1>2的組合優(yōu)勢。例如目前連接到Web的數字萬(wàn)用表和示波器，通過(guò)因特網(wǎng)讀取儀器測量值，使用分布式數據采集系統代替過(guò)去單獨使用的數據采集設備，甚至可以跨越以太網(wǎng)或其它網(wǎng)絡(luò )采集數據，實(shí)施遠程測量。
網(wǎng)絡(luò )化的測量環(huán)境將每臺網(wǎng)上計算機和儀器儀表有機地聯(lián)系在一起。例如在某地采集數據后送往另一需要這些數據的地方，把相同數據按需拷貝多份送往各需要部門(mén)；或者定期將測量結果送往遠方數據庫保存，供需要時(shí)隨時(shí)調用。即使身處異地的不同用戶(hù)，也可以同時(shí)對同一過(guò)程進(jìn)行監控。
接入網(wǎng)絡(luò )的儀器儀表與計算機軟硬件資源、性能差別很大，有的硬盤(pán)容量大，有的內存容量寬裕，有些處理器性能優(yōu)越等。然而一旦組成網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，即可對不同的計算機分配不同的任務(wù)，不同功能的儀器統一調用，從而使測量系統的性能達到最佳，區別輕重緩急和位置遠近統一合理調配，及時(shí)應用。人們目前可以控制儀器設備在網(wǎng)上任何地點(diǎn)進(jìn)行數據采集、分析和顯示，Ethernet(以太網(wǎng))能把各種性能的計算機和各種功能的儀器儀表最有效地連接到同一網(wǎng)絡(luò )中，以至連接到因特網(wǎng)上，RS232、RS486以及IEEE1394等也可以串行方式將各種儀器與計算機連入串行網(wǎng)絡(luò )，充分發(fā)揮它們各自在通信方面的優(yōu)勢，也可應用局域網(wǎng)（LAN）連接各個(gè)自動(dòng)測試系統，用GPIB-LAN控制多個(gè)自動(dòng)測試系統或用GPIB-LAN控制器（GPIB-ENET）將使用TCP/IP的計算機轉換為一個(gè)GPIB的講者/聽(tīng)者/控者，實(shí)現完全的GPIB控制器功能和基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議。
4  儀器儀表全面智能化
儀器與測量技術(shù)和計算機技術(shù)的結合，大大提高了測量的精度與自動(dòng)化水平，隨著(zhù)虛擬儀器的迅猛發(fā)展與網(wǎng)絡(luò )化系統資源的統一優(yōu)化，為儀器儀表智能化水平的迅速提高，創(chuàng )造了更加優(yōu)越的條件。融合了計算機、通信和控制（簡(jiǎn)稱(chēng)3C）技術(shù)的現場(chǎng)總線(xiàn)儀器儀表具有智能化測控功能和開(kāi)放的通信接口，現場(chǎng)總線(xiàn)分布式控制系統將現場(chǎng)實(shí)時(shí)實(shí)地分散完成測量與控制任務(wù)，由上位機完成復雜的優(yōu)化運算、監督和管理，遵循開(kāi)放的通信標準，實(shí)現現場(chǎng)儀器之間，現場(chǎng)儀器與上位機之間高速通信聯(lián)系，上位機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口與企業(yè)局域網(wǎng)相連，從而實(shí)現高度統一、完全集成的企業(yè)自動(dòng)化信息系統，再經(jīng)由因特網(wǎng)實(shí)現全球化連網(wǎng)，獲得信息、資源最優(yōu)化合理調配與共享。
多媒體技術(shù)使人機交互界面更加自然、方便、密切，更加強了計算機信息、規則與人腦知識的迅速、密切的交流、補充，特別是虛擬儀器的軟件化、模塊化，使儀器儀表可根據人的需求，自動(dòng)、迅速地修改其構成。隨著(zhù)其智能化水平的提高，虛擬現實(shí)技術(shù)使人腦更深入、更細微地體驗對客觀(guān)規律的認識，糾正經(jīng)驗認識的偏差，更準確地認識利用客觀(guān)規律，改造客觀(guān)世界，為人類(lèi)利益服務(wù)。
人們更可利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自學(xué)習、自適應、自組織、并行處理、分布存貯、聯(lián)想記憶、反饋求精、黑箱映射、權值平衡、動(dòng)態(tài)逼近以及全息容錯防失等一系列獨特的優(yōu)越性，使儀器測控系統智能化水平獲得更大的提高。
除此之外，當今的智能科技已是分支林立，蓬勃發(fā)展。除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )之外，還有模糊邏輯、遺傳算法、專(zhuān)家系統、仿人智能、粗糙集理論、物元可拓方法、知識工程、模式識別、定性控制、小波分析、分形系統、混沌理論、數據融合技術(shù)等，它們都將使儀器儀表的測控網(wǎng)絡(luò )系統的智能化提升到一個(gè)全新境界。展望儀器儀表產(chǎn)業(yè)的明天，必將更加光輝燦爛，中國必將在儀器儀表的虛擬化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化方面為人類(lèi)作出更大的貢獻！

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