智能儀器的硬件設(shè)計

1.1硬件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計

智能儀器系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)的選擇主要是根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模大小,、控制功能性質(zhì)及復(fù)雜 程度,、實時響應(yīng)速度及檢測控制精度等專項指標(biāo)和通用指標(biāo)決定的,。首先根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模及可靠 性要求考慮,，對于普通要求規(guī)模較小的應(yīng)用系統(tǒng),，可采用單機(jī)系統(tǒng),；對于高可靠性系統(tǒng),，即使 系統(tǒng)規(guī)模不大,，但為了可靠,，也常采用雙機(jī)系統(tǒng)。

1. 單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

單機(jī)系統(tǒng)也叫直接測控儀器系統(tǒng),。用單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)充和接口,，可滿足一般智能儀器的 需要。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展在許多方面都展示出它的*性,。其*性主要表現(xiàn)在芯片集成度高,、 可靠性高、芯片種類多,、體積小重量輕,。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中包括單片機(jī)系統(tǒng)、信號測量功能模塊,、信號功能控制模塊,、人機(jī)對話功 能模塊和遠(yuǎn)程通信功能模塊。其中單片機(jī)系統(tǒng)包括單片機(jī)基本系統(tǒng)的擴(kuò)展部分,。單片機(jī)系統(tǒng)的 擴(kuò)展部分包括存儲器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展,。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的信號測量功能模塊是測量對象與單片機(jī)相互的*的部分,，不 同的傳感器輸出的信號，經(jīng)過放大,、整形,、轉(zhuǎn)換（電流電壓轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換,，電壓頻率轉(zhuǎn)換）后 輸入單片機(jī),，如果要進(jìn)行巡回檢測，還需在信號檢測部分裝多路選擇開關(guān),、多路放大器,。若使用 多個放大器，則各放大器應(yīng)放在多路選擇開關(guān)之前,；若使用單個放大器,，放大器應(yīng)放在多路選擇 開關(guān)之后?？刂菩盘柟δ苣K是單片機(jī)與控制對象相互的重要部分,。信號控制功能模塊由單 片機(jī)輸出的數(shù)字量、開關(guān)量或頻率量轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換或頻率電壓轉(zhuǎn)換）后,，再由各種驅(qū)動回路來 驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行器實現(xiàn)控制功能,。人機(jī)對話功能模塊包括鍵盤、顯示器（LED,、LCD或CRT),、打 印機(jī)及報警系統(tǒng)等部分。為實現(xiàn)它與單片機(jī)的接口,，采用接口芯片（如8279)或通用串/并 行接口芯片,。遠(yuǎn)程通信功能模塊擔(dān)負(fù)著單片機(jī)間信息交換的功能。在具有多個單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 中,，各單片機(jī)有時相距很遠(yuǎn),，采用并行通信，投資會急劇增加,，技術(shù)上也不能實現(xiàn),。采用串行通 信方式時，可以用單片機(jī)的串行接口,，也可以使用可編程串行接口芯片,。距離較遠(yuǎn)時，還要增加調(diào)制解調(diào)器等,。另外傳感器,、各功能模塊和單片機(jī)系統(tǒng)要統(tǒng)一考慮，軟,、硬件要有幾套方案進(jìn)行 比較,，按經(jīng)濟(jì),、技術(shù)的要求從中選擇*方案。各功能塊,、單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路要盡可能選用標(biāo) 準(zhǔn)化器件,，模塊化結(jié)構(gòu)的典型電路要留有余地，以備擴(kuò)展,，盡可能采用集成電路,，減少接插件相 互間的連線，降低成本,，提高可靠性,。此外，要切斷來自電源,、傳感器,、測量信號功能模塊、控制信號功能模塊部分的干擾,。硬件,、軟件設(shè)計要合理、可靠,、抗千擾,、模塊化等。

2. 多微處理機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于一些大型復(fù)雜的測控對象,，用一臺微機(jī)無法實現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)及對眾多的對象進(jìn)行測控 時,，可組成多微機(jī)儀器系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng),。多微機(jī)系統(tǒng)具有速度快,、性價比高、系統(tǒng)可靠 且宜于擴(kuò)充和改進(jìn)等優(yōu)點,。多微機(jī)系統(tǒng)從它們相互之間的所達(dá)到的目的和要求可以分為兩種類型,，即計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)和分布式（或集散式）微機(jī)測控系統(tǒng)。二者因地域分散的不同,，應(yīng)用目的不同,，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的差異。

計算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)互連的目的是為了資源共享（包括硬件和軟件資源）,，相互之間能傳遞一 批信息,。各計算機(jī)之間的比較松散，獨立性很強(qiáng),，主要依靠操作系統(tǒng)對它們的操作進(jìn) 行管理,。這類多機(jī)系統(tǒng)更多地適用于辦公自動化數(shù)字通信的場合。

在分布式計算機(jī)或集散式微機(jī)系統(tǒng)中,，除了資源共享外,，各微機(jī)是系統(tǒng)的一個功能部件,， 它們之間相互協(xié)調(diào)形成一個整體以完成系統(tǒng)的總體任務(wù)。分布式系統(tǒng)從總體結(jié)構(gòu)上分為分級式結(jié)構(gòu),、集散式結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場總線式結(jié)構(gòu),。

(1)分級式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

分級或多級儀器系統(tǒng)是一個綜合的多機(jī)系統(tǒng)。它由多臺計算機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)中的各個級以完成 多種功能,，各級之間通過通信傳送信息,，相互協(xié)調(diào)。zui常用的是上,、下兩級計算機(jī)組成的智能 儀器測控系統(tǒng),，包括直接測控級和過程監(jiān)督級，如圖8-2所示,。各級主要分工如下,。

①過程監(jiān)督級為生產(chǎn)決策者提供有關(guān)信息，根據(jù)生產(chǎn)計劃做出調(diào)度方案,，進(jìn)行各設(shè)備間 的協(xié)調(diào),，使它們處于*運行狀態(tài)；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及當(dāng)前生產(chǎn)狀況進(jìn)行優(yōu)化控制或優(yōu)化生產(chǎn)操 作指導(dǎo),，給直接控制級計算機(jī)提供各種控制信息,，如*設(shè)定值及*控制量等；進(jìn)行有關(guān)性 能指標(biāo)計算,，生成各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)和指標(biāo)的圖形,，數(shù)據(jù)的組織管理，生產(chǎn)過程事故狀態(tài)判斷和記 錄,，險情預(yù)測預(yù)報,，報表打印等。過程監(jiān)督級的計算機(jī)可以采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC,，在有些環(huán)境 較好的地方,，也可以考慮采用普通PC。

②直接測控級進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)預(yù)處理,、系統(tǒng)控制、設(shè)備單元的監(jiān)測及故障診斷,、事 故報警等,。同時它還接收和執(zhí)行上級計算機(jī)（過程監(jiān)督級）的指令，并向上級計算機(jī)傳遞實時 信息,。在許多情況下,，直接測控級計算機(jī)都是控制器（或者單片機(jī)、DSP處理器、PLC 等）,，它可以安放在生產(chǎn)現(xiàn)場或設(shè)備附近,，使用十分靈活。

(2)集散式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

集散式（DCS,，Distributed Control System)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)又稱分散式系統(tǒng),。它在體系結(jié)構(gòu)上的特點是層次化，其基本思想是集中操作管理,，分散控制,。由于控制分散，就可以做到“危險分 散”,，從而使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高,。而且可以將多種監(jiān)測控制、計劃管理功能有機(jī)地集 成起來,，使整個系統(tǒng)的性能大為提高,。分布式系統(tǒng)是計算機(jī)監(jiān)測控制系統(tǒng)一個重要的發(fā)展方向。 對于大型,、復(fù)雜的控制過程,，分布式系統(tǒng)成為方案。但集散式系統(tǒng)中的硬件（包括計算機(jī),、接口等）和軟件（包括操作系統(tǒng),、應(yīng)用平臺、組態(tài)軟件等）都是從工業(yè)應(yīng)用出發(fā)專門設(shè)計的,， 價格昂貴,，這是它推廣應(yīng)用的主要難點所在。

對集散式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有各種觀點,，比較一致的一種意見是將集散式系統(tǒng)的層次分為4層,， 如圖8-3所示。每一層具有一臺或多臺計算機(jī),，各計算機(jī)連成網(wǎng)絡(luò),，相互協(xié)調(diào),。每一層也稱為 一級,。各層（級）的功能大體劃分如下：

①*層：直接測控級。這一層上有多臺微機(jī)（工控機(jī)或單片機(jī)）或者PLC和控制 器直接面對生產(chǎn)現(xiàn)場的各類設(shè)備,，完成各現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測,、控制，它的功能與多級系統(tǒng)中的直 接測控級類似,。

②第二層：過程優(yōu)化級,。這一層上主要有監(jiān)控計算機(jī)、操作站,、工程師站,。它綜合監(jiān)視 直接控制級中各站點的所有信息,，集中顯示，集中操作,，進(jìn)行各控制回路的組態(tài),、參數(shù)設(shè)定和 修改，優(yōu)化控制過程等,。

③第三層：生產(chǎn)管理級,。這一層上的管理計算機(jī)為決策者提供有關(guān)信息，以便其做出關(guān) 于生產(chǎn)計劃,、調(diào)度和管理的方案,，使計劃協(xié)調(diào)和生產(chǎn)管理處于*狀態(tài)。這些管理工作主要是 針對車間和工廠的生產(chǎn),，而不涉及市場和營銷,。

④第四層：經(jīng)營決策級。這一層的中央計算機(jī)擔(dān)負(fù)全廠或全公司的總體協(xié)調(diào),、計劃管理,、 市場營銷。它與廠里的財務(wù),、人事,、檔案、倉庫,、經(jīng)營等各辦公自動化系統(tǒng)連接,，制定長期發(fā) 展規(guī)劃和近期的發(fā)展計劃，綜合生產(chǎn)的計劃,、管理,、銷售、訂貨,，了解與分析市場經(jīng)營動向和 本部門的財務(wù)收支及預(yù)算,，對全企業(yè)進(jìn)行總決策，向下級下達(dá)任務(wù),，實現(xiàn)總調(diào)度,。在現(xiàn)代化的企業(yè)系統(tǒng)中，也連接到互聯(lián)網(wǎng)上,，實現(xiàn)電子商務(wù),。經(jīng)營決策級的計算機(jī)都是大中型計算機(jī)，一 般要求數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計算能力強(qiáng),，存儲容量大,。

(3)現(xiàn)場總線式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)是20世紀(jì)90年代興起的新一代工業(yè)測控 技術(shù)，它將當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的概念引入工業(yè)控制領(lǐng)域,，被稱為“21世紀(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體 系”,。計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動著智能儀器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變革,， 模擬和數(shù)字混合的集散式系統(tǒng)逐漸發(fā)展為全數(shù)字系統(tǒng),，由此產(chǎn)生了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)場總 線。按電工委員會IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù) 字式,、雙向傳播,、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。通俗地說,，F(xiàn)CS將構(gòu)成智能儀器系統(tǒng)的各種傳感 器,、執(zhí)行器及控制器通過現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)起來，通過網(wǎng)絡(luò)上的信息傳輸完成傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)中 需要硬件連接才能傳遞的信號,，并完成各設(shè)備的協(xié)調(diào),，實現(xiàn)自動化測量與控制。

圖8-4所示為FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖,。它是一個開放式的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),，既可以與同層網(wǎng)絡(luò)互 聯(lián)，也可以與不同層的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),；在現(xiàn)場設(shè)備中,，以微處理器為核心的現(xiàn)場智能設(shè)備可方便地 進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)、互操作,。從測控的角度看,，F(xiàn)CS有兩個顯著特點：

①傳統(tǒng)的4?20mA模擬信號制被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制所代替。FCS把通信線 一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場中的生產(chǎn)設(shè)備,，構(gòu)成用于現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò),。其全 數(shù)字化的信號傳輸極大地提高了信號轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，避免了模擬信號在傳輸過程中的信 號衰減,、精度下降,、干擾信號易于進(jìn)入等問題。

②傳統(tǒng)的集中在控制器和中央控制系統(tǒng)的控制功能分散下放到現(xiàn)場設(shè)備中,，實現(xiàn)*的 現(xiàn)場控制,。FCS廢棄了 DCS的I/O控制站，將這一級的功能分散地分配給現(xiàn)場設(shè)備和儀表,。 用戶可以靈活地選用各種功能塊,，經(jīng)過統(tǒng)一組態(tài)構(gòu)成控制回路實現(xiàn)控制,。

圖8-4中現(xiàn)場總線的節(jié)點包括現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表,，如傳感器、變送器、執(zhí)行器和編程器等,。但不是傳統(tǒng)的單功能現(xiàn)場設(shè)備和儀表,，而是具有綜合功能的智能設(shè)備和儀表。例如,，溫度 變送器不僅具有溫度信號變換和補(bǔ)償功能,，而且具有PID (或某種更優(yōu)良的）控制功能和運算 功能；調(diào)節(jié)閥除了具有驅(qū)動和執(zhí)行的基本功能外,，還內(nèi)含輸出特性的補(bǔ)償功能,，也可以有PID 或其他的控制和運算功能，以及閥門特性的自校正和自診斷功能等,。這些功能模塊分散在各個 現(xiàn)場設(shè)備和儀表中,，并可統(tǒng)一進(jìn)行組態(tài)，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng),，從而實現(xiàn)了更*的分散控制,。