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智能仪表技术及其发展趋势

木马童年 2018-8-10 20:56 82 0

智能仪表技术及其发展趋势 1 智能仪表的概念 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。 ...

智能仪表技术及其发展趋势

1 智能仪表的概念

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,已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。

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。本文由论文联盟http://www.LWlm.cOm收集整理

2 智能仪表的设计

2.1 智能仪表的构成

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、FlashFRAM、I/O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。模拟量输入输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CPLD/FPGA等器件来扩展CPU的功能。显示/打印模块用于外接打印机和LCD/LED。

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)。

2.2 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。

2.2.1 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。

2.2.2 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

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