智能儀器的硬件設(shè)計(jì)

1.1硬件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)響應(yīng)速度及檢測(cè)控制精度等專(zhuān)項(xiàng)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(duì)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(duì)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(jì)

單機(jī)系統(tǒng)也叫直接測(cè)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(lèi)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(hào)測(cè)量功能模塊、信號(hào)功能控制模塊、人機(jī)對(duì)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(chǔ)器擴(kuò)展和接口擴(kuò)展。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的信號(hào)測(cè)量功能模塊是測(cè)量對(duì)象與單片機(jī)相互的*的部分，不 同的傳感器輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(cè)，還需在信號(hào)檢測(cè)部分裝多路選擇開(kāi)關(guān)、多路放大器。若使用 多個(gè)放大器，則各放大器應(yīng)放在多路選擇開(kāi)關(guān)之前；若使用單個(gè)放大器，放大器應(yīng)放在多路選擇 開(kāi)關(guān)之后。控制信號(hào)功能模塊是單片機(jī)與控制對(duì)象相互的重要部分。信號(hào)控制功能模塊由單 片機(jī)輸出的數(shù)字量、開(kāi)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(dòng)回路來(lái) 驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)控制功能。人機(jī)對(duì)話功能模塊包括鍵盤(pán)、顯示器（LED、LCD或CRT)、打 印機(jī)及報(bào)警系統(tǒng)等部分。為實(shí)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(gè)單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng) 中，各單片機(jī)有時(shí)相距很遠(yuǎn)，采用并行通信，投資會(huì)急劇增加，技術(shù)上也不能實(shí)現(xiàn)。采用串行通 信方式時(shí)，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(shí)，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(lái)自電源、傳感器、測(cè)量信號(hào)功能模塊、控制信號(hào)功能模塊部分的干擾。硬件、軟件設(shè)計(jì)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(jì)

對(duì)于一些大型復(fù)雜的測(cè)控對(duì)象，用一臺(tái)微機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的任務(wù)及對(duì)眾多的對(duì)象進(jìn)行測(cè)控 時(shí)，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?xún)r(jià)比高、系統(tǒng)可靠 且宜于擴(kuò)充和改進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。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(lèi)型，即計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)和分布式（或集散式）微機(jī)測(cè)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(jì)上的差異。

計(jì)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(jì)算機(jī)之間的比較松散，獨(dú)立性很強(qiáng)，主要依靠操作系統(tǒng)對(duì)它們的操作進(jìn) 行管理。這類(lèi)多機(jī)系統(tǒng)更多地適用于辦公自動(dòng)化數(shù)字通信的場(chǎng)合。

在分布式計(jì)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(gè)功能部件， 它們之間相互協(xié)調(diào)形成一個(gè)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(jí)式結(jié)構(gòu)、集散式結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)總線式結(jié)構(gòu)。

(1)分級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

分級(jí)或多級(jí)儀器系統(tǒng)是一個(gè)綜合的多機(jī)系統(tǒng)。它由多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)中的各個(gè)級(jí)以完成 多種功能，各級(jí)之間通過(guò)通信傳送信息，相互協(xié)調(diào)。zui常用的是上、下兩級(jí)計(jì)算機(jī)組成的智能 儀器測(cè)控系統(tǒng)，包括直接測(cè)控級(jí)和過(guò)程監(jiān)督級(jí)，如圖8-2所示。各級(jí)主要分工如下。

①過(guò)程監(jiān)督級(jí)為生產(chǎn)決策者提供有關(guān)信息，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)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(yùn)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(jí)計(jì)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(jì)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(guò)程事故狀態(tài)判斷和記 錄，險(xiǎn)情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，報(bào)表打印等。過(guò)程監(jiān)督級(jí)的計(jì)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(cè)控級(jí)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(cè)及故障診斷、事 故報(bào)警等。同時(shí)它還接收和執(zhí)行上級(jí)計(jì)算機(jī)（過(guò)程監(jiān)督級(jí)）的指令，并向上級(jí)計(jì)算機(jī)傳遞實(shí)時(shí) 信息。在許多情況下，直接測(cè)控級(jí)計(jì)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(chǎng)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(chēng)分散式系統(tǒng)。它在體系結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)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(xiǎn)分 散”，從而使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大提高。而且可以將多種監(jiān)測(cè)控制、計(jì)劃管理功能有機(jī)地集 成起來(lái)，使整個(gè)系統(tǒng)的性能大為提高。分布式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)一個(gè)重要的發(fā)展方向。 對(duì)于大型、復(fù)雜的控制過(guò)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(jì)算機(jī)、接口等）和軟件（包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用平臺(tái)、組態(tài)軟件等）都是從工業(yè)應(yīng)用出發(fā)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的， 價(jià)格昂貴，這是它推廣應(yīng)用的主要難點(diǎn)所在。

對(duì)集散式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有各種觀點(diǎn)，比較一致的一種意見(jiàn)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(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)，各計(jì)算機(jī)連成網(wǎng)絡(luò)，相互協(xié)調(diào)。每一層也稱(chēng)為 一級(jí)。各層（級(jí)）的功能大體劃分如下：

①*層：直接測(cè)控級(jí)。這一層上有多臺(tái)微機(jī)（工控機(jī)或單片機(jī)）或者PLC和控制 器直接面對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)設(shè)備，完成各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、控制，它的功能與多級(jí)系統(tǒng)中的直 接測(cè)控級(jí)類(lèi)似。

②第二層：過(guò)程優(yōu)化級(jí)。這一層上主要有監(jiān)控計(jì)算機(jī)、操作站、工程師站。它綜合監(jiān)視 直接控制級(jí)中各站點(diǎn)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(guò)程等。

③第三層：生產(chǎn)管理級(jí)。這一層上的管理計(jì)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(jì)劃、調(diào)度和管理的方案，使計(jì)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(duì)車(chē)間和工廠的生產(chǎn)，而不涉及市場(chǎng)和營(yíng)銷(xiāo)。

④第四層：經(jīng)營(yíng)決策級(jí)。這一層的中央計(jì)算機(jī)擔(dān)負(fù)全廠或全公司的總體協(xié)調(diào)、計(jì)劃管理、 市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。它與廠里的財(cái)務(wù)、人事、檔案、倉(cāng)庫(kù)、經(jīng)營(yíng)等各辦公自動(dòng)化系統(tǒng)連接，制定長(zhǎng)期發(fā) 展規(guī)劃和近期的發(fā)展計(jì)劃，綜合生產(chǎn)的計(jì)劃、管理、銷(xiāo)售、訂貨，了解與分析市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)動(dòng)向和 本部門(mén)的財(cái)務(wù)收支及預(yù)算，對(duì)全企業(yè)進(jìn)行總決策，向下級(jí)下達(dá)任務(wù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)電子商務(wù)。經(jīng)營(yíng)決策級(jí)的計(jì)算機(jī)都是大中型計(jì)算機(jī)，一 般要求數(shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算能力強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大。

(3)現(xiàn)場(chǎng)總線式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(chēng)為“21世紀(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體 系”。計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)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(chǎng)總 線。按電工委員會(huì)IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)定義：現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(shuō)，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(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)起來(lái)，通過(guò)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(hào)，并完成各設(shè)備的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量與控制。

圖8-4所示為FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它是一個(gè)開(kāi)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(chǎng)設(shè)備中，以微處理器為核心的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備可方便地 進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)、互操作。從測(cè)控的角度看，F(xiàn)CS有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

①傳統(tǒng)的4?20mA模擬信號(hào)制被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制所代替。FCS把通信線 一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的生產(chǎn)設(shè)備，構(gòu)成用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。其全 數(shù)字化的信號(hào)傳輸極大地提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，避免了模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中的信 號(hào)衰減、精度下降、干擾信號(hào)易于進(jìn)入等問(wèn)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(chǎng)設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)*的 現(xiàn)場(chǎng)控制。FCS廢棄了 DCS的I/O控制站，將這一級(jí)的功能分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表。 用戶可以靈活地選用各種功能塊，經(jīng)過(guò)統(tǒng)一組態(tài)構(gòu)成控制回路實(shí)現(xiàn)控制。

圖8-4中現(xiàn)場(chǎng)總線的節(jié)點(diǎn)包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(hào)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(yùn)算 功能；調(diào)節(jié)閥除了具有驅(qū)動(dòng)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(yùn)算功能，以及閥門(mén)特性的自校正和自診斷功能等。這些功能模塊分散在各個(gè) 現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了更*的分散控制。