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余啟剛

1  總線與儀器的發展
當今信息時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源與基本手段，數字計算機與儀器、儀表之間實現連接與通信的結構單元――總線的進步，已成為儀器儀表發展的主要標志，由此產生了一系列標準接口總線的變遷。
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，通過數據總線實現連接和通信。但因其功能的局限性，如數據線與當前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，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、測試方式轉變為數字化的控制、分析、處理、計算與顯示輸出等多功能應用，從儀器個別電量的測量變為全系統特征參數的系統測量，并在傳統時域、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測試系統方向邁進。
在此基礎上，NI公司利用HS488協議，使GPIB的數據傳輸速率提高到ISA總線的1.6Mbps和EISA總線的3.4Mbps，最高達8Mbps。并在吸取CAMAC、GPIB以及工業微機標準總線VME的全部優點后，增加了零槽模塊功能、配電、冷卻和電磁兼容一系列新特性，推出當今國際上開放式模塊系統的新標準總線VXI（VEM Extension for Instrumentation）。
VXI系統一出現就與GPIB有著密切的聯系，插于通用計算機的MXI接口板，用MXI電纜NI-VXI/VISA驅動程序與位于VXI零槽的VXI-MXI的模塊結合起來成為多系統擴展接口總線，實現多個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，并進一步應用于VXI自動測試網絡的建立。
該公司還開發出一種被譽為“科學家與工程師的語言”的圖形化編程平臺――LABVIEW，使各領域的專業工程師通過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程控制的儀器面板中的控制對象，使用戶可控制編輯器，將現有控制對象修改成適合自己工作領域的控制對象。還可在源代碼中的數據流連線上設置探針，在程序運行過程中觀察數據流的變化。對用戶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多家知名廠商的600多種GPIB儀器、串行口儀器、VXI儀器CAMAC設備的驅動程序，極其方便地幫助組建具有TCP/IP、VDP網絡與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，在各行各業科研、生產領域中，由硬件的軟件化、軟件的模塊化而產生的虛擬儀器（Virtual Instrument, 縮寫為VI）因其靈活、高效、易用等一系列優異特性，使其應用范圍日益廣泛。特別在PLC控制或驅動器的設計中，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鍵部件，“軟件就是儀器”成為對虛擬儀器的形象描述。通過修改軟件，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生成儀器驅動器代碼，自動完成各種狀態檢查，發現編程錯誤。可根據用戶需要，隨意切換各種模式，并在“正常”狀態下自動實現多線程同時安全、高速運行，并行測試。且可在強大的仿真功能支持下，不必連接實際儀器，開發測試程序。
又如結合計算機與專用集成電路（ASIC）優點的可重構計算機，不僅可根據不同的計算任務，對大量的可編程邏輯單元陣列（FPGA）作出靈活的相應配置，而且通過指令級、地特級、流水線級以致任務級的并行計算，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、遠程聯系網絡上各類儀器，從而為當今電子商務等網絡服務的迅速發展以及科技、經濟的全球化發展創造了高速、高效和便捷的優越條件。
3  自動測試儀器系統的網絡化連接、測量與控制
將儀器與計算機組成網絡，可以將各自的資源和潛力得以充分發揮、靈活調用和合理配置。產生1+1>2的組合優勢。例如目前連接到Web的數字萬用表和示波器，通過因特網讀取儀器測量值，使用分布式數據采集系統代替過去單獨使用的數據采集設備，甚至可以跨越以太網或其它網絡采集數據，實施遠程測量。
網絡化的測量環境將每臺網上計算機和儀器儀表有機地聯系在一起。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；或者定期將測量結果送往遠方數據庫保存，供需要時隨時調用。即使身處異地的不同用戶，也可以同時對同一過程進行監控。
接入網絡的儀器儀表與計算機軟硬件資源、性能差別很大，有的硬盤容量大，有的內存容量寬裕，有些處理器性能優越等。然而一旦組成網絡環境，即可對不同的計算機分配不同的任務，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，及時應用。人們目前可以控制儀器設備在網上任何地點進行數據采集、分析和顯示，Ethernet(以太網)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絡中，以至連接到因特網上，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絡，充分發揮它們各自在通信方面的優勢，也可應用局域網（LAN）連接各個自動測試系統，用GPIB-LAN控制多個自動測試系統或用GPIB-LAN控制器（GPIB-ENET）將使用TCP/IP的計算機轉換為一個GPIB的講者/聽者/控者，實現完全的GPIB控制器功能和基于以太網的TCP/IP協議。
4  儀器儀表全面智能化
儀器與測量技術和計算機技術的結合，大大提高了測量的精度與自動化水平，隨著虛擬儀器的迅猛發展與網絡化系統資源的統一優化，為儀器儀表智能化水平的迅速提高，創造了更加優越的條件。融合了計算機、通信和控制（簡稱3C）技術的現場總線儀器儀表具有智能化測控功能和開放的通信接口，現場總線分布式控制系統將現場實時實地分散完成測量與控制任務，由上位機完成復雜的優化運算、監督和管理，遵循開放的通信標準，實現現場儀器之間，現場儀器與上位機之間高速通信聯系，上位機通過網絡接口與企業局域網相連，從而實現高度統一、完全集成的企業自動化信息系統，再經由因特網實現全球化連網，獲得信息、資源最優化合理調配與共享。
多媒體技術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、迅速地修改其構成。隨著其智能化水平的提高，虛擬現實技術使人腦更深入、更細微地體驗對客觀規律的認識，糾正經驗認識的偏差，更準確地認識利用客觀規律，改造客觀世界，為人類利益服務。
人們更可利用人工神經網絡的自學習、自適應、自組織、并行處理、分布存貯、聯想記憶、反饋求精、黑箱映射、權值平衡、動態逼近以及全息容錯防失等一系列獨特的優越性，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，蓬勃發展。除了神經網絡之外，還有模糊邏輯、遺傳算法、專家系統、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、數據融合技術等，它們都將使儀器儀表的測控網絡系統的智能化提升到一個全新境界。展望儀器儀表產業的明天，必將更加光輝燦爛，中國必將在儀器儀表的虛擬化、網絡化、智能化方面為人類作出更大的貢獻！

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