现代科学仪器及其发展趋势

　　1　科学仪器的发展已引起高度重视

　　在现代化的国民经济活动中,科学仪器涉及到人类活动的各个方面。钱伟长曾经说过:“飞机要上天,离开了航空仪表就飞不起来。我们的国家正处在起飞的时候,不抓紧发展仪器仪表也飞不起来。” 科学仪器是高新技术的前沿技术,是信息获取的主要技术手段,是信息技术的关键和基础,是信息产业的源头和重要组成部分[1～3]。在世界进入信息时代的今天,科学仪器在国民经济和社会发展中的重要作用,怎样评估都不为过。科学仪器是工业生产的“倍增器”,高新技术的“催化剂”,军事上的“战斗力”。在社会生活中,科学仪器应用十分广泛,如科学研究用的实验仪器装备、教学仪器设备、医疗诊治仪器、环境监测仪器、工业过程检测仪器、电子测量仪器等。事实上,在现代化工业生产中,如果没有各种测量与控制仪器仪表的正常运行,发电厂、炼油厂、化工厂、钢铁厂、飞机和汽车制造厂等都不能维持稳定的生产,更不会创造出巨额的产值和效益。科学仪器的整体发展水平是国家综合国力的重要标志之一。

　　现代高新技术发展与基础科学实验研究,均依赖仪器仪表来完成。诺贝尔奖设立至今,众多得奖的科学家都是借助于先进的科学仪器的诞生而获得重大的科学发现的。先进的科学仪器设备既是知识创新和技术创新的前提,也是创新研究的主题内容之一和创新成就的重要体现形式,能不能创造出高水平的新型科学仪器与设备,体现了一个民族、一个国家的创新能力。正是由于人们已经认识到科学仪器的重要作用和地位,美、日、欧共体等发达国家均把科学仪器列为国家重点支持的关键技术。我国的科学仪器产业与发达国家相比,技术差距越来越大,主要产品市场都被外商占领,形势极为严重。为扭转这种落后的被动局面,在多位院士先后两次向国家提出的建议下,国家已下决心大力发展我国的仪器仪表工业。在国家重大科技攻关项目中,几乎一半是研究专用测量与控制技术手段和仪器设备的制作。科技部在国家十五科技攻关立项时,将科学仪器的研制与开发列为重大科技攻关项目;国家自然科学基金于1997年设立了科学仪器基础研究专项,以资助科学仪器的研究与发展;在科技部2001 年发布的十五期间科研条件建设发展纲要中,将科学仪器作为科研条件建设的重要内容。随着社会的快速发展,对先进的科学仪器的需求与日俱增,这些为大力发展现代科学仪器创造了十分有利的条件。

　　2　现代科学仪器的体系结构

　　2.1　科学仪器的发展历程

　　测量仪器经历了由模拟仪器、带微处理器的智能仪器到全部可编程的虚拟仪器的发展历程,其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力[4～25]。由于计算机技术特别是计算机总线标准的发展直接导致了科学仪器的飞速发展。20世纪70年代,随着微处理器的广泛应用,出现了以微处理器为核心的智能仪器(Intelligent Instrument); 1978年,带GPIB总线的专用测量仪器研制成功。80年代以来,基于个人计算机总线的插卡式仪器出现并得到快速发展,这种仪器称为个人仪器(Personal Instrument) 或PC仪器(PCI),亦称PC卡式仪器(Personal Computer Card Instrument,简称PCCI)。PCCI充分利用PC的软硬件资源,使仪器设计灵活快捷。仪器的软硬件随着PC的发展而快速发展,代表性产品分别是ISA、EISA和PCI总线卡式仪器。为了克服插卡仪器需要打开机箱、携带不方便(如流行的笔记本电脑无法使用)等缺点,人们还研制开发了外接式专用PC仪器,主要基于RS232C/RS485串行总线和并行端口(打印口)。为了克服PCCI机箱内噪声水平高、扩展能力不足、电源功率小等缺点, 1987 年出现了一种专用于测量仪器领域高性能的VXI卡式仪器(VMEbus Extension for Instrumentation), 这种仪器具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。VXI卡式仪器具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精度高、模块可重复利用、众多仪器厂家支持等优点,是大型高精度测试系统的发展主流。1997年,为克服PCI总线仪器性能上的某些不足,并且要降低VXI总线仪器的成本,出现了PXI总线仪器。1999年,为了克服PC插卡式仪器不能热拔插以及外接式专用 PC仪器的吞吐率受总线速度限制等缺点,出现了高性能串行USB总线PC仪器[26,27]。