智能儀器的硬件設計

1.1硬件體系結(jié)構(gòu)的設計

智能儀器系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)的選擇主要是根據(jù)應用系統(tǒng)的規(guī)模大小、控制功能性質(zhì)及復雜 程度、實時響應速度及檢測控制精度等專項指標和通用指標決定的。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)模較小的應用系統(tǒng)，可采用單機系統(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，也常采用雙機系統(tǒng)。

1. 單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

單機系統(tǒng)也叫直接測控儀器系統(tǒng)。用單片機進行適當擴充和接口，可滿足一般智能儀器的 需要。單片機技術的發(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。

單片機應用系統(tǒng)中包括單片機系統(tǒng)、信號測量功能模塊、信號功能控制模塊、人機對話功 能模塊和遠程通信功能模塊。其中單片機系統(tǒng)包括單片機基本系統(tǒng)的擴展部分。單片機系統(tǒng)的 擴展部分包括存儲器擴展和接口擴展。

單片機應用系統(tǒng)中的信號測量功能模塊是測量對象與單片機相互的*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，如果要進行巡回檢測，還需在信號檢測部分裝多路選擇開關、多路放大器。若使用 多個放大器，則各放大器應放在多路選擇開關之前；若使用單個放大器，放大器應放在多路選擇 開關之后。控制信號功能模塊是單片機與控制對象相互的重要部分。信號控制功能模塊由單 片機輸出的數(shù)字量、開關量或頻率量轉(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)動相應執(zhí)行器實現(xiàn)控制功能。人機對話功能模塊包括鍵盤、顯示器（LED、LCD或CRT)、打 印機及報警系統(tǒng)等部分。為實現(xiàn)它與單片機的接口，采用接口芯片（如8279)或通用串/并 行接口芯片。遠程通信功能模塊擔負著單片機間信息交換的功能。在具有多個單片機的應用系統(tǒng) 中，各單片機有時相距很遠，采用并行通信，投資會急劇增加，技術上也不能實現(xiàn)。采用串行通 信方式時，可以用單片機的串行接口，也可以使用可編程串行接口芯片。距離較遠時，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系統(tǒng)要統(tǒng)一考慮，軟、硬件要有幾套方案進行 比較，按經(jīng)濟、技術的要求從中選擇*方案。各功能塊、單片機系統(tǒng)硬件電路要盡可能選用標 準化器件，模塊化結(jié)構(gòu)的典型電路要留有余地，以備擴展，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、軟件設計要合理、可靠、抗千擾、模塊化等。

2. 多微處理機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

對于一些大型復雜的測控對象，用一臺微機無法實現(xiàn)復雜的任務及對眾多的對象進行測控 時，可組成多微機儀器系統(tǒng)或網(wǎng)絡化儀器系統(tǒng)。多微機系統(tǒng)具有速度快、性價比高、系統(tǒng)可靠 且宜于擴充和改進等優(yōu)點。多微機系統(tǒng)從它們相互之間的所達到的目的和要求可以分為兩種類型，即計算機局域網(wǎng)絡和分布式（或集散式）微機測控系統(tǒng)。二者因地域分散的不同，應用目的不同，導致在結(jié)構(gòu)設計上的差異。

計算機局域網(wǎng)絡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。各計算機之間的比較松散，獨立性很強，主要依靠操作系統(tǒng)對它們的操作進 行管理。這類多機系統(tǒng)更多地適用于辦公自動化數(shù)字通信的場合。

在分布式計算機或集散式微機系統(tǒng)中，除了資源共享外，各微機是系統(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。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)是一個綜合的多機系統(tǒng)。它由多臺計算機構(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)決策者提供有關信息，根據(jù)生產(chǎn)計劃做出調(diào)度方案，進行各設備間 的協(xié)調(diào)，使它們處于*運行狀態(tài)；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及當前生產(chǎn)狀況進行優(yōu)化控制或優(yōu)化生產(chǎn)操 作指導，給直接控制級計算機提供各種控制信息，如*設定值及*控制量等；進行有關性 能指標計算，生成各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)和指標的圖形，數(shù)據(jù)的組織管理，生產(chǎn)過程事故狀態(tài)判斷和記 錄，險情預測預報，報表打印等。過程監(jiān)督級的計算機可以采用標準的工業(yè)PC，在有些環(huán)境 較好的地方，也可以考慮采用普通PC。

②直接測控級進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、系統(tǒng)控制、設備單元的監(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（過程監(jiān)督級）的指令，并向上級計算機傳遞實時 信息。在許多情況下，直接測控級計算機都是控制器（或者單片機、DSP處理器、PLC 等），它可以安放在生產(chǎn)現(xiàn)場或設備附近，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)是計算機監(jiān)測控制系統(tǒng)一個重要的發(fā)展方向。 對于大型、復雜的控制過程，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、接口等）和軟件（包括操作系統(tǒng)、應用平臺、組態(tài)軟件等）都是從工業(yè)應用出發(fā)專門設計的， 價格昂貴，這是它推廣應用的主要難點所在。

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，各計算機連成網(wǎng)絡，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（工控機或單片機）或者PLC和控制 器直接面對生產(chǎn)現(xiàn)場的各類設備，完成各現(xiàn)場設備的監(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、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，進行各控制回路的組態(tài)、參數(shù)設定和 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為決策者提供有關信息，以便其做出關 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擔負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、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 本部門的財務收支及預算，對全企業(yè)進行總決策，向下級下達任務，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。經(jīng)營決策級的計算機都是大中型計算機，一 般要求數(shù)據(jù)處理和科學計算能力強，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90年代興起的新一代工業(yè)測控 技術，它將當今網(wǎng)絡通信與管理的概念引入工業(yè)控制領域，被稱為“21世紀控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體 系”。計算機技術、通信技術和計算機網(wǎng)絡技術的發(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)領域應用的現(xiàn)場總 線。按電工委員會IEC 61158標準定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù) 字式、雙向傳播、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡。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)絡起來，通過網(wǎng)絡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，既可以與同層網(wǎng)絡互 聯(lián)，也可以與不同層的網(wǎng)絡互聯(lián)；在現(xiàn)場設備中，以微處理器為核心的現(xiàn)場智能設備可方便地 進行設備互聯(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)設備，構(gòu)成用于現(xiàn)場設備和現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡。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)場設備和儀表，而是具有綜合功能的智能設備和儀表。例如，溫度 變送器不僅具有溫度信號變換和補償功能，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)場設備和儀表中，并可統(tǒng)一進行組態(tài)，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了更*的分散控制。