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王亞卡  羅子健

一  造紙儀器發展回顧
造紙工業是與國民經濟息息相關的行業，其發展直接反映了一個地區或國家經濟發展的水平。造紙檢測儀器作為質量控制的基礎在其中占有重要位置。在過去的一個世紀里，隨著傳感器技術、機械加工技術、信息技術的發展，傳統造紙檢測儀器的發展大致經歷了純機械儀器、模擬儀器、數字化儀器和智能儀器等幾個階段。
機械儀器：我國第一代造紙檢測儀器，如早期的紙板撕裂度儀就是由純機械機構組成的；模擬儀器：測量技術主要是模擬測量，此類儀器的基本結構是在機械機構基礎上，采用機電一體化控制，用指針來顯示測量結果；數字化儀器：大規模集成電路的發展，使電測部分由模擬技術逐步演化為數字技術，如數顯耐折度儀；智能儀器：隨著微電子技術、微計算機技術的迅速發展，嵌入式微機的運用，使儀器具有控制、存儲、運算、邏輯判斷以及自動操作等智能特征，并在測量的準確度、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用能力及解決測量技術問題的深度和廣度等方面均取得重大進步。
二  儀器的智能化
隨著生產和科學技術的發展，檢測、數據處理的工作量越來越大，因此對檢測儀器的檢測速度、準確度、測量功能等方面提出了更高的要求。計算機技術、自動控制技術及器件、設備的發展，標準接口的普及和應用，推動了智能化檢測儀器的發展。目前，基于嵌入式計算機的檢測儀器已經應用于造紙工業產品的質量檢測，其中傳統測量部分完成對化學、物理等參數的檢測，嵌入式計算機進行測量過程的控制和對參數的智能處理，兩者相互交叉，相輔相成。智能測試儀器應具備如下特點：
(1)  實現檢測的自動化 包括自動檢測、自動校準、自動故障診斷、自動數據運算和處理。
(2)  顯著提高信息的準確度 測試系統實現了自動校準零點、自動非線性校準、儀器的內外校準。高速多次采樣后的數字濾波處理，減少了噪聲干擾。
(3)  實現多功能、多參數測量 智能儀器的發展使多功能、多參數同時測量成為可能，達到對測量對象的全面分析和評價。
(4)  提高了儀器的可靠性 由于計算機的運用，許多工作由軟件代替了硬件，減少了儀器成本、體積和功耗，同時大大提高了儀器的可靠性。
(5)  簡化操作，提高測量速度 可以預先編程控制整個測量過程，提高測量速度和工作效率。可進行動態測量，對測量對象進行實時監測。
(6)  縮短儀器的設計研制周期 智能儀器不再是各種硬件的組合，而變成了由微處理器和微控制器控制的多功能系統。
儀器的智能化反映了傳統儀器設計技術的革新。輕工業自動化研究所研制的智能紙張拉力儀就是儀器智能化的一例設計，比較傳統機械式拉力儀，它的優點是不言而喻的。智能儀器結構如圖1所示。

圖1  智能儀器結構圖

計算技術、通信技術和自動化技術在各自發展了幾十年之后，正在走向集成并綜合應用于檢測設備，使之能夠處理規模更大，要求更高、更復雜的系統。測量儀器及檢測技術正日益向數字化、智能化、模塊化、軟件化和自動測試系統的方向發展。目前，國內先進的造紙儀器正是這種集成技術反映的結果。造紙儀器往往是采用光、機、電、計算機技術綜合運用設計的。例如，以往測試設備采用異步電機定速或多級變速驅動，現在應用變頻調速、微步進驅動技術實現無級精確變速驅動；傳統鹵鎢燈作為光源的色度檢測探頭也逐漸被脈沖氙燈所代替。微電子技術、計算技術、自動化技術和多媒體技術的融合，極大的豐富了智能儀器的內涵。
三  虛擬儀器
智能儀器最初的設計是基于嵌入式微處理器，往往是一機專用，智能化的造紙儀器也是如此。由于儀器類型的不斷推陳出新，研制過程中要投入大量的人力物力，而其中的信號處理有相當一部分是雷同的，顯示界面的單調不能充分體現儀器的性能。近年提出的測試平臺和插件儀器的新概念，打破了一機一用的傳統觀念，把智能測試儀器帶入一個全新的領域。美國國家儀器公司（NI公司）提出了虛擬儀器的概念，它是應用計算機技術在儀器領域形成的一種新型的儀器種類(又稱為第四代儀器)，是計算機硬件資源、儀器測控硬件和用于數據分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件之間的有效結合。其核心是以計算機作為儀器的硬件平臺，充分利用其計算、存儲、回放、調用、顯示及文件管理等功能，將傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，使之與計算機融為一體。
目前，較為常見的虛擬儀器系統是數據采集系統、GPIB儀器系統、VXI儀器系統、計算機視覺系統和運動控制系統，以及它們之間的組合，其硬件構成如圖2所示。
由基本硬件構成虛擬儀器系統后，可通過不同軟件實現不同功能。虛擬儀器的開發平臺是基于LabVIEW，它采用直觀的前面板與流程圖式的編程方法。基于圖形化的編程語言G的開發環境。

圖2

虛擬儀器具有以下特點：
①  基于計算機開放式標準結構，可方便同外設網絡及其它應用連接。
②  軟硬件具有模塊化，可重復使用和互換性等特點，功能升級成本低。
③  儀器具有友好人機界面，可編輯、存儲、打印數據。
虛擬儀器以其強大的功能和靈活的構架將成為儀器發展的方向和趨勢。
四  儀器的網絡化
近幾年來，以Internet為代表的網絡技術的出現，為測量與儀器技術帶來了新的發展天地，網絡化的新型儀器逐步出現了。總線式儀器、虛擬儀器等微機化儀器技術的應用，使組建集中和分布式系統變得更加容易。但集中測控滿足不了復雜、遠程的測控任務的需求，對此組建網絡化的測控系統顯得非常必要。而計算機軟、硬件技術的不斷進步，給組建測控網絡提供了更加優異的技術條件。
Unix、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Netware 等網絡化計算機操作系統，為組建網絡化測試系統帶來了方便。標準的計算機網絡協議，如OSI的開放系統互連參考模型RM、Internet上使用的TCP/IP協議，在開放性、穩定性、可靠性方面均具有很大優勢，采用他們很容易實現測控網絡的體系結構。在開發軟件方面，如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI的功能都十分強大，使虛擬儀器的開發及其網絡化的開發變得簡便、可靠。LabWindows/CVI中封裝了TCP類庫，可以實現基于TCP/IP的網絡開發。LabVIEW的TCP/IP和UDP網絡VI能夠與遠程應用程序建立通信，其具有的Internet工具箱為應用系統增加了E-mail、FTP和Web能力；利用遠程自動化VI，還可以對其他設備分散的VI進行控制。
把TCP/IP協議作為一種嵌入式的應用，嵌入到現場智能儀器中，使信號的收、發都以TCP/IP方式進行，使測控系統在數據采集、信息發布、系統集成等方面在企業內部網絡(Intranet)依托下，進行測控網和企業內部網及Internet互聯，實現測控網和信息網的統一。測量信息通過網絡傳輸，使實時、遠程的測控成為現實。與過去的測試技術相比，顯然網絡化的檢測系統滿足了現代工業生產的要求。
基于Web的信息網絡Intranet已成為企業內部信息網的主流。借助Internet技術，方便了企業的經營和管理。測控系統的設計思想受網絡技術的影響，由傳統的集中模式轉變為分布模式，成為具有開放性、可互操作性、分散性、網絡化、智能化的測控系統。測控網絡的功能遠遠大于系統中單個功能的總和。造紙工業的現代化，必將要求造紙儀器檢測系統的網絡化發展。

五  結語
當今，計算機技術飛速發展，網絡技術不斷延伸，儀器將成為更加開放的系統。以PC計算機和工作站為基礎，以網絡為橋梁構成的測控系統，實現高效率的測量及信息資源共享，越來越成為儀器的發展方向。在測控系統中，各種檢測設備，如各種傳統儀器、智能儀器等，利用網絡資源，可以實現信息共享，提高檢測效率。美國NI公司在虛擬儀器系統中提出“軟件即儀器”的觀點，那么現在正是“網絡就是儀器”提出的時候了。隨著測控網絡的發展，測控網絡和信息網絡的互聯技術將推動著造紙測試儀器的革命。