智能仪表的发展现状研究.doc

智能仪表的发展现状研究摘要：智能仪表日益广泛地应用在工业自动化领域，随着生产自动化要求的不断提高，对智能仪表的设计提出了更高的要求。从智能仪表的概念及其发展现状出发，分析智能仪表的组成部分，并对智能仪表的设计过程和技术进行探讨。关键词：智能仪表；技术；设计1智能仪表的概念及其发展现状工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析，并根据处理结果对生产过程进行控制的重要技术工具。其中包括检测仪表、分析仪表、执行与控制仪表、记录仪表等几大类，也有将几部分功能集成在一起的仪表，是工业控制领域的基础和核心之一。微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点，己经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入偷出通道的设计，以及应用软件的开发。传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的，而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表中，则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件，来完成众多的数据处理和控制任务。这类仪表已经实现人脑的一部分功能，例如四则运算、逻辑判断、命令识别等，有的还能够进行自校正、自诊断，并具有自适应、自学习的能力，因此习惯上称之谓“智能仪表”。但“智能化”的水平高低不一，目前所见的一部分这类产品，智能化的程度还不高，需要不断改进和完善。随着科学技术的进步发展，这类仪表所具有的智能水平将会越来越高。一些新技术新器件，如32位RISC处理器、DSP、ARM 、大容量存储器、嵌入式实时操作系统等的不断涌现，将对智能仪表的发展起到极大的推动作用。目前智能仪表的发展现状可以从对传统仪表的改进和新型仪表的出现两方面来归纳。传统的仪表引入MCU及各类半导体新器件后，不但工作速度有了跨越式提高，在测量精度、运行可靠性、稳定性、存储容量等方面也有了质的改变。除此，新的技术还使传统仪表具有了目标准、自适应、自学习等功能，使精度和可靠性进一步得到提高。智能仪表除了在传统仪表的改进方面取得了巨大的成就以外，还开辟了许多新的应用领域，出现了许多新型的仪表。20世纪80年代以来，制造业(汽车制造，VLS工制造，各种电子设备如电子计算机、电视机的制造等)的高速发展使CAM (ComputerAided Manufacturing，计算机辅助制造)达到很高水平，它对人类生产力的提高起着巨大的推动作用。为了对CAM 的工作质量进行实时监督，使成品或半成品的质量得到保证，要求实现对整个加工工艺过程中各重要环节或工位的在线检测。因此在生产线上或检验室内大量应用各种CAT(Computer Aided Test，计算机辅助测试)技术的仪表。2智能仪表的组成部分通常，智能仪表由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括MCU、过程输入偷出通道(模拟量输入辟俞出通道和开关量输入偷出通道)、人机交互部分和接口电路以及USB、Internet、GPRS、短消息数据通信接口等。主机电路用来存储数据、程序，并进行一系列运算处理，它通常由微处理器、ROM、RAM、Flash、FRAM、IO接口和定时计数电路等芯片组成，或者它本身就是一个单片机或嵌入式系统。模拟量输入愉出通道用来输入偷出模拟信号；数字量输入输出通道用于输入德出数字信号。人机交互部分是操作者与仪表之间的桥梁，通信接口则用来实现仪表与外界的数据交换功能，进而实现网络化互联的需求。外部时序逻辑扩展部分常用CPLDFPGA等器件来扩展CPU的功能。显示打印模块用于外接打印机和LCDLED。智能仪表的软件通常包括监控程序、中断处理(或服务)程序以及实现各种算法的功能模块。监控程序是仪表软件的中心环节，它接收和分析各种命令，管理和协调全部程序的执行；中断处理程序是在人机交互部分或其它外围设备提出中断申请并为主机响应后直接转去执行的程序，以便及时完成实时处理任务；功能模块用来实现仪表的数据处理和控制功能，包括各种测量算法(例如数字滤波、标度变换、非线性校正等)和控制算法(PID控制、前馈控制、纯滞后控制、模糊控制等)。3智能仪表的设计31 设计过程和要点研制与开发一台智能仪表是一个复杂的过程，这一过程包括：分析仪表的功能要求和拟制总体设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路和编制程序，以及仪表的调试和性能功能测试等。为保证仪表质量和提高研制效率，应在正确的设计思想指导下进行仪表研制的各项工作。(1)模块化设计依据仪表的功能、精度要求和经济技术指标，自上而下(或由大到小)按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计与调试，然后把它们连接起来，进行总调，这就是设计仪表的最基本的思想。通常把硬件分为主机、过程通道、人机联系部件、通信接口、传感器及工作电源等几个模块；而把软件分成监控程序(包括初始化、键盘与显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断等)、中断处理程序及各种测量和控制算法等功能模块。这些硬件和软件模块还可以根据所设计的仪表的特殊性与特殊功能继续细分，由下一层次的更为具体的模块来支持和实现。模块化设计的优点是：无论硬件还是软件，每个模块都相对独立，故能独立地进行研制和修改，从而使复杂的研制工作得到简化。同时模块化设计方式有助于研制工作的分解和设计研制人员之间的分工合作，从而提高了工作效率和研制速度。(2)模块的连接上述各种软、硬件研制和调试之后还需要将它们按一定的方式连接起来，才能构成完整的仪表，以实现既定的各种功能。软件模块的连接一般是通过监控主程序调用各种功能模块，或采用中断的方法实时地执行相应服务模块来实现。硬件模块连接方式有两种：一种是以主机模块为核心，通过设计者自行定义的内部总线(数据总线、地址总线和控制总线)连接其它模块；另一种是以标准总线连接其它模块(例如STD总线等)。第一种方法由设计人员自行研制模板，电路结构简单，硬件成本低；第二种方法，设计人员可选用商品化模块，配接灵活、方便，研制周期短，但硬件成本高。3,2 设计技术智能仪表设计技术是与测控技术、电子技术、微机技术以及生产工艺水平密切相关的，除了仪表的体系结构、电路设计、电路调试、软件编程、实现功能的方法和算法以外，还包括电子元器件、机械结构、编程调试手段、焊接制作工艺等。可以说，作为一个小型的微机化控制部件，智能仪表设计涵盖了计算机控制系统设计的所有方面，而由于其结构的特殊性，它对实现技术的要求更高。就工业自动化应用领域而言，目前国外大公司生产的智能仪表几乎都采用了专用仪表集成电路，即针对某一类仪表设计的要求设计集成电路芯片，芯片中包括了MCU、ADDA、显示键盘电路接口、测量电路和控制电路等，在保证仪表功能和精度的前提下，最大限度地将仪表电路“浓缩到”专用芯片中，简化仪表电路。这些仪表无例外地采用了表面贴装工艺、自动化流水线焊接，电路调试和测试也是在计算机辅助下完成的。在仪表功能设计方面，由于长期的技术积累，这些大公司已形成各自的专有技术体系，往往一台仪表具有相当多的功能，通过设置选择使用，可以适应各种不同的应用需求，真正地发挥了智能仪表灵活性强的特点。近年来，国内的自动化仪表生产水平也有了长足的进步。通过引进技术、合资等方式，部分厂家已能规模化地生产通用型智能仪表，其技术水平和生产工艺也与国外产品相当。但不可否认的是，其中一些产品的核心技术并没有被完全掌握。还有一些单位依靠自己的力量，自主研发生产智能仪表，并取得了成功。目前，国内自主开发生产的通用型仪表一般采用通用芯片器件的组合设计仪表电路，表面贴装工艺也逐渐被采用，同等功能的仪表在尺寸、外观等方面毫不逊色。此外，一些企业和研究所也研发了在特殊行业、特殊应用中适合国内应用需求的智能仪表产品，并得到普遍应用。随着工业生产和自动化技术的不断发展，应用需求不断更新，它对智能仪表设计技术的发展提出了新的要求。参考文献：1 凌志浩智能仪表原理与设计技术M上海：华东理工大学出版社，20032 杨欣荣智能仪器原理、设计与发展M长沙：中南工业大学出版社，20033 周骆斌，冯冬芹，褚健工业自动化