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把握儀表的發展方向，就是把握衡器的未來
【摘 要】 本文參考國內外自動化測量儀器發展的技術資料，探討比較成熟的儀器發展技術，如
基于PC的測量技術、現代數據采集技術、計算機測量中的軟件優先思想、無線網絡和先進開發手
段等可能對衡器發展產生的影響。
我一直認為衡器是信息類電子產品。面對科技進步新形勢的變化，企業隨時掌握電子產業的發
展趨勢，及時調整的技術策略，既能體現出企業的智慧，又能發揮出企業威力。
當一臺衡器的結構確定后，衡器的性能將由稱重儀表來決定，也可以說儀表的未來決定了衡器
的未來。從電子信息角度看，稱重儀表是衡器的靈魂，以此觀點規劃稱重儀表的發展，可以做到與
電子科技發展同步。本文參考了一些國內外計算機應用和自動化測量儀器的技術文獻，結合個人體
驗，與衡器界同仁探討稱重儀表的發展道路。
一、基于PC的稱重技術靈活地實現用戶定制的稱重系統
傳統稱重儀表還是限于接收模擬信號進行整形放大、數字化轉換、數據處理、顯示稱重結果，
大多使用的PC也是被作為終端甚至外圍設備（如國標中的一些規定，限制了PC的效用）。因此各
個廠家提供的稱重儀表最大的共同特點——由廠家定義的儀表。它們只是廠家遂心的產品，而用戶
則只能按照廠商的規定與儀表對話，甚至包括一個按鍵、一個符號都不得變更。傳統儀表缺乏擴展、
延伸等柔性能力。用戶付出昂貴的代價，卻仍難以滿足自己所需的測量、控制任務。
現在信息社會要求衡器性能越來越高、功能越來越多樣化。適應這種復雜任務的能力幸虧有了
計算機，于是出現了基于PC構建的測量控制系統（PC-Based Measurements）。只要將數據采集模
塊、輸入與輸出I/O、外圍設備與PC有機組合，就完成了把通用計算機轉換為測量控制系統的專
家。這種模式稱作由用戶來定義的稱重儀表。今天PC已進入多核處理器時代，利用其多任務、多
線程、高速度、軟硬件良好對接的特點，以計算機為核心特別靈活機動、性能卓越、功能強大的稱
重控制系統。
基于PC的測量技術具模塊化 I/O、在線處理和分析、實時數據視覺化、高效率數據儲存、自
動報告生成等顯著優勢。
1、適應各種需求的模塊化I/O（如圖1所示）
基于PC的測量提供良好的柔性選擇，很容易同現有系統如過程儀表、可編程邏輯控制器（PLC）
和單環控制器等輕松集成，針對客戶不同需求采用PCI Express、PXI Express、USB、無線和以太網
等標準總線和內部插件程序，將硬件和軟件無縫對接起來，實現快速測量及用戶自定義的處理、分
析和顯示，具有無可比擬的性價比。
2、強大的在線信號處理和過程分析能力
傳統稱重儀表中注重把測量功能排在第一位，而數據處理和分析被放在次要地位，方法也較落
后和繁瑣，如數據分析往往是將數據拷貝脫機進行。
在線處理和分析將自動化稱重推上一個新水平，利用PC的先進計算技術對獲得的信號實時處
理和在線信號分析，大大減少了人工搜尋數據和脫機分析時間，如圖2所示。
圖1 可供選擇的I/O 圖2 在線處理實時信號
3、實時數據視覺化
選擇圖形編程語言為基于PC的儀表建立人機交互圖形界面，實現實時數據視覺化，讓操作者
與系統建立起友好而緊密的互動關系，做到“一切在視覺中，一切在掌握中”。
做好人機交互界面并不困難，在直觀的圖形化編程軟件幫助下，一個沒有任何計算機編程經驗
的技術人員通過交互控制窗口，分配描述硬件代號，配置總線通訊選項等工作，就可以輕松地將計
算機轉換為用戶定義的測量系統，同時完成遵照應用程序需要的構建分析和視覺化功能（如圖3所
示）。
4、領先的高效率數據儲存
借助不斷進步的PC技術能夠一直提供領先的數據存儲容量和效率。統計得出：硬盤海量容量
（現在可達到兆兆字節的存儲量）和讀寫速度每十年有100倍的增長，成本也以同級速度下降，不
斷創造出數據讀寫的高新記錄。而且PC不同的I/O接口使操作者能隨心所欲地隨機或脫機交互數
據（如圖4所示）。
5、迅速、準確地自動生成報告
報告生成是數據分析中至為關鍵的環節。基于PC的儀表可以準確調用運算函數和預置的數據
處理軟件，自動完成從測量、處理、控制到產生報告的全部過程。在提高質量的同時，節省時間和資費。
圖3 迅速建立的用戶圖形界面 圖4 自定義高速流盤式數據記錄器
綜于以上5個顯著的優點，基于PC的衡器有著特殊的應用前途。當然，作為稱重系統，就要
考慮到計量模塊的獨立性與安全性，方便校驗與鎖封。此外，衡器標準也要跟上時代，不能絆了技
術發展的后腿。
二、數據采集的解決方案
1、數據采集的概念
未來的稱重儀器有可能作為多參數多通道的混成處理裝置，集成多種嵌入式硬件和軟件，對電
壓、流量、震動、溫度、濕度、速度等等參量進行測量、修正和處理。通過模塊化的數據采集硬件、
標準 PC 總線，將測量數據送至臺式計算機或筆記本計算機，結合軟件進行采集數據的測量和處理，
這就是數據采集DAQ（Data Acquisition)的概念（如圖5所示），它更注重于信號調理方面。
通過各種途徑，讓基于PC的測控系統與現有過程儀表、可編程邏輯控制器（PLC）和單環控
制器相互集成，實現多通道（有的儀器達32通道）、高速、高效、方便的測量。DAQ可以根據任
務和條件，選擇不同的PC技術靈活地定制數據采集系統。
(a) (b)
圖5 數據采集
a.示意圖 b.實物模型圖
2、數據采集解決方案
建立數據采集系統時，有五項組件必須考慮：傳感器、信號、信號調理、數據采集（DAQ）硬
件和程序軟件（包括驅動程序和應用程序）。下面，我們僅就信號調理和程序軟件兩項簡約述之。
（1）信號調理
信號調理系統可以用模塊化或系統集成的形式搭建，配合信號調理的附件可以使用在多種應用
場合，例如放大、衰減、隔離、橋接的完整性、同步取樣、傳感器激勵等等。
使用信號調理時必須考慮的其它重要標準包括封裝（模塊化或整合式）、效能、I/O數量、高級
功能以及價格。
（2）程序軟件
1）驅動程序軟件
軟件將PC和DAQ硬件轉變成完整的數據采集、分析及呈現系統。若是沒有軟件來控制或驅
動硬件，DAQ設備就無法正常運作。驅動程序軟件使操作者能夠輕易與硬件溝通，是應用程序軟
件和硬件之間的中間層。驅動程序軟件也讓程序設計師不需要進行緩存器層級的程序設計就具有讀
寫硬件的功能。
2）應用程序軟件
應用程序是用來制作客戶定制的應用層，符合特定條件的開發環境，也可以是以配置為基礎、
具有預先設計功能的程序。應用程序軟件為驅動程序軟件增加分析及呈現的功能。要選擇正確的應
用程序軟件，應先評估應用程序的復程度，也如是否能取得符合應用所需的配置式軟件條件等問題。
如果應用程序很復雜，或是沒有現成的程序可用，則可使用開發式的程序環境。現在有以配置
為基礎的軟件環境，不再需要程序設計，讓使用者只需輕點鼠標，就能自己設定并完成交互式測量。
三、衡器人應有“軟件優先”的胸懷和眼光
1、“軟件優先”實際是矯枉過正，提倡軟硬兼顧的思想
（1）“軟件優先”是發展的選擇
面對不容樂觀的全球經濟和制造成本一路攀升的現狀，企業不得不尋求一種既能盡快滿足客戶
需求又能滿足企業生存發展之路，越來越多的企業鐘情于以軟件定義的儀器，可以在減少成本的條
件下獲得更靈活及高性能的績效。
軟件定義的儀器系統也稱作虛擬儀器，包含了模塊化硬件架構和用戶自定義的軟件，通過硬件
模塊將標準儀器與包含數據處理的用戶自定義的測試設備整合起來。它們在軟件為核心的模塊化基
礎上，大多采用基于開放式的PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）硬件標準，定義自己的軟件
儀器系統。虛擬儀器基于軟件優先的原則，發揮軟件最大的靈活性、兼容性和客戶化能力，還能通
過減少硬件降低整個系統成本，實使廣泛的工業領域受益，世界上數以千計的企業熱衷于它。
利用虛擬儀器，設計人員可以通過更新軟件算法，快速對測試設備進行重新配置，以滿足不斷
改變的測試需求。比如在全量程范圍內設置多點、多分段的修正，除變動誤差外其余誤差依照標準
修正為零，使測量更為理想（如圖6所示）；加入信號自動識別技術，能清除變動信號和粗大干擾
等非正常信號的影響，又不存在硬件固有的延時效應，提高動態測量性能；發揮軟件的校驗、修正
能力，既能能減少硬件成本，更可提高準確度的長期穩定性。
圖, 6 通過修正擬合傳感器的輸出
（2）實現“軟件就是儀器”的條件
軟件設計人員值得注意的是：①實現軟件與硬件的無縫對接；②充分考慮混合測試系統的復雜
程度，軟件兼容性與接口的兼容性是十分必要的；③驅動軟件須經得起時間的考驗；④為操作系統
的變動留有空間。此外，當你考慮未來的項目時，必須重視軟件的向下兼容性能。
做到以上幾點后，我們才能說：“軟件就是儀器（The Software Is the Instrument）”，實實在在
地體會軟件, 發展為我們帶來的神奇。
（3）軟、硬件協同的概念最重要
“軟件優先”是儀表設計理念的革新，是對傳統的矯枉過正，但絕不能干排斥硬件作用的事。應
當說，硬件和軟件今天不再是截然分開的兩個概念，而是不離不棄、相輔相成、親密無縫對接的關
系。
今天，由軟硬件協同設計的方法還產生了一個新詞——codesign，它使用統一的方法和工具對
軟件和硬件進行描述、綜合和驗證，可以避免軟件、硬件體系獨立設計帶來的各自為政的弊病。
本文的用意是借助國際流行的“軟件定義儀器”的思想，引起衡器界同仁的重視。虛擬儀器應在
稱重儀表開發中更能體現出優越性，比如我們可以用仿真測試完成設計模型。當然，路要一步一步
走，眼下要做的是在稱重系統中盡可能多的嵌合的軟件功能模塊，盡可能多的以軟代硬，以取得衡
器功能更大的擴展性和智能化的升級。
值得稱贊的是數字化稱重傳感器，將模擬放大、ADC和補償、校正功能由儀表前移至測量前
沿，利用單片機技術實現軟硬件集成，并且以盡可能短的模擬信號傳輸距離換來了超長的數字信號
傳輸距離，提高了數據采集的質量，堪稱是軟硬件結合的儀表設計典范。
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、軟件的審查評估要求及其宗旨針對計量軟件，OIML D31 《General requirements for software controlled measuring instruments》
Edition 2008 (E)詳盡規定了對計量器具控制軟件的通用要求，大家更熟悉它之前的版本D-SW Draft
1WD（2006-1-27），該工作草案由OIML TC5/SC2技術委員會編寫，起草時考慮了加拿大計量軟件
標準和歐洲計量器具指令（MID）中的軟件要求。
我國家質檢總局也依據D-SW Draft 1WD于2007年8月21日發布了JJF-1182-2007 《計量器
具軟件測評指南》，于同年11月21日起實施。
這些規程的宗旨都是強調對計量器具軟件進行控制，確保計量器具的計量特性符合法制計量要
求。
2011年11月中國計量科學研究院成立了國家計量器具軟件測評中心，該中心主要承擔起草測
評價計量器具軟件的國家計量技術規范、研究計量器具軟件測評方法和防作弊技術、接受委托對計
量器具軟件進行測評和測試、提供預警信息等工作。在該中心成立時國家質檢總局計量司有關負責
人說，計量器具軟件測評工作非常重要，以后可能將計量器具軟件測評工作作為計量器具型式評價
的重要前提。
因此，衡器企業應重視這一即將開展起來的工作，做好接軌，避免日后被動。
保證法定相關軟件和法定相關參數的安全性、防止作弊是其中重要控制內容，軟件工作者應細
覽規程全文。2007年梅特勒-托利多（常州）稱重設備系統有限公司的戴峰先生寫過“對OIML D-SW
國際計量軟件指南的理解和淺析”的文章，刊登于當年的《稱重科技論文集》里，可作參考。本文
不重復贅述。
四、符合無線總線標準的衡器將有更廣闊的使用空間
大規模DCS系統中需布置很長的電纜或光纜，不僅成本高昂，而且長距離的電纜還容易引入噪
聲污染。類似這種情況，我們可以大膽設想，如果在惡劣的、或危險的、或移動的的復雜環境中，
不便在稱重傳感器和稱重儀表之間連接纜線，這時我們只要給稱重傳感器配置了無線輸出的能力，
就像計算機采用Wi-Fi標準連接WLAN似的靈活方便，不是可以去除計算機與測量硬件之間的長長
線纜連接了嗎。
實現這一構想的關鍵，是借助工業化的WSN（wireless sensor network）標準和技術，為遠端的
稱重傳感器及其他參數采集裝置集成無線通訊模塊，模塊內安裝射頻功放電路，則可建立起多跳點
自組織通訊的無線測量網絡。WSN一般可以傳送500m距離，或選擇更遠距離的產品，國內生產的
有華為、中興等公司，國外有SIMENS、SIMCOM、WAVECOM等公司。
網絡中不規則分布的多個傳感器信號發送到控制節點，如果使用數字化稱重傳感器則實現集成
度更高、環節更少、傳遞質量更好、還具可實現有雙向通信功能。這就是采用將采集系統移至更接
近信號源的地方的思想，用WSN技術并結合主干線以太網，可以更方便、靈活地進行分布式測量并
將數據可靠回傳至中央監控平臺，同時上位機也可向各個采集點發布命令和數據。使稱重傳感器具
有WSN能力，不僅可以打破在傳輸場地、傳輸距離、施工條件、傳輸質量等方面的限制，而且在稱
重系統的巡檢、定位、校驗與診斷等方面有更強的競爭力。因此，建設無線網絡的衡器，也是設計
思想的一個飛躍。
五、儀表開發點滴經驗
1、嚴格遵守設計流程
傳統的總體設計遵循“設計—樣機—測試—系統（驗證、修正）”的流程。該流程是工業化生產
經驗的升華，可謂經典。
具體的設計環節可在傳統流程的基礎上進行，根據任務的性質大體劃分兩個階段，第一個是設
計階段，可分解為系統指標設計、電子電氣電路設計、元器件設計、造型設計4個步驟，完成之后
設計階段后進入到驗證與修正的第二個階段；第二階段可分解為部件級別的試驗與驗證、子系統級
試驗與驗證和系統試驗與驗證3個步驟。在子系統和系統級驗證里分別試驗和修正它們的時域特性
和頻域特性，驗證同時進行設計參數的確定。有個專家將這樣的流程排成“V”型流程圖（如圖7所
示），很形象易記。
圖7 設計“V”型流程
2、利用仿真（Computer Simulation）手段開發儀表事半功倍
（1）建立模型
對于新產品設計最有幫助的莫過于仿真試驗。仿真測試的第一步是建立仿真模型，對于有源器
件，我們可以從器件供應商那里取得模型及參量；而對于無源器件和部件、通道模型，供應商無法
提供，則是要靠我們自己來取得的。但有些些情況下，模型是不可能用抽象辦法得到，這時只好求
助于對PCB等實體測試，以實驗的方法求得數據。
（2）仿真測試
仿真是計算機給我們帶來的又一個實利。利用仿真軟件形象地描述測試問題，可以優化所涉及
的無源電路。對于部件，通過仿真測試，可以反得模型和參數。這種雙向互相驗證的方法是行之有
效的，這里暫時稱之為“仿真雙向協同設計法”。
經驗表明，模擬測量中拐點數據很有參考價值；數字電路里，長0長1都容易形成緩坡，1010
時可能影響上升沿，長0后的1和長1后的0則可能使誤碼率加大。但是有些部件可能是不可測的，
例如沒有可測點，這時需要在軟件上找出路。因為對于軟件來說，似乎一切皆有可能（如圖8所示）。
圖8 利用仿真軟件測試部件參數
好的產品是設計出來的，但實現設計的思路和技術不是唯一的，也未必“最好+.+最好=最好”。
萬物皆非完美，每種措施的代價不同，須統而考之。
參考資料
1. DAQ、X系列自動測試技術資料，National Instrument，2011。
2. 嵌入式系統的構建，慕春棣，清華大學自動化系教材。
3. 集成創新是工控與自動化的發展核心，段明祥，工業控制計算機。
4. PC-based Telerehabilitation System, ECE 2009。
5. Advanced Cognitive Riadio Network, Scientific research Publishing Inc., 2011.
6. The PC based programmable Control Solution, Hurco Automation Ltd.
