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智能儀器儀表的網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)與特點

作者: 時間:2012-01-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

智能儀器是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,儀器內(nèi)部帶有處理能力很強的智能軟件。儀器儀表已不再是簡單的硬件實體,而是硬件、軟件相結(jié)合。近年來,智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識處理發(fā)展,使其功能向更高層次發(fā)展。
1 智能儀器的發(fā)展
  20世紀90年代以來,儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個方面:

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/194521.htm
  (2) 微型化。微電子技術(shù)、微機械技術(shù)、信息技術(shù)等的綜合應(yīng)用使得儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器,能夠完成信號的采集、處理、控制信號的輸出、放大、與其它儀器的接口等功能,在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域有著獨特的作用。
  (3) 多功能化。多功能本身就是的一個特點,例如具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數(shù)發(fā)生器,不但性能上(如準確度)比專用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高,而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。
  (4) 智能化?,F(xiàn)代檢測與控制系統(tǒng),或多或少的趨向于智能化這個特點。智能儀器的進一步發(fā)展將含有一定的人工智能,這樣就可無需人的干預(yù)而自主地完成檢測或控制功能。
  (5)儀器虛擬化。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)分析和顯示用PC機的軟件來完成,只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件,就可以與PC機組成測量儀器。這種基于PC機的測量儀器稱為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)。在虛擬儀器中,使用同一個硬件系統(tǒng),只要應(yīng)用不同的軟件編程,就可得到功能完全不同的測量儀器。“軟件就是儀器”。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性,代表著當(dāng)今儀器發(fā)展的新方向。
(6) 儀器儀表系統(tǒng)的化。一般的都具有雙向通信功能,但這種雙向通信功能離真正意義上的通信還有距離。伴隨著技術(shù)的飛速發(fā)展,Internet技術(shù)使儀器儀表在實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)上同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,使現(xiàn)場測控參量就近登臨網(wǎng)絡(luò),并具備必要的信息處理功能。
  2 網(wǎng)絡(luò)化儀器的功能需求和技術(shù)支持
  2.1 支持遠程測控需求
  網(wǎng)絡(luò)化儀器,如現(xiàn)場總線智能儀表,是適合在遠程測控中使用的儀器,是儀器測控技術(shù)、現(xiàn)代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與微電子技術(shù)深度融合的結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備既可以像普通儀器那樣按設(shè)定程序?qū)ο嚓P(guān)物理量進行自動測量、控制、存儲和顯示測量結(jié)果及控制狀態(tài);同時具有重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特征,經(jīng)授權(quán)的儀器使用者,通過Internet可以遠程對儀器進行功能操作、獲取測量結(jié)果并對儀器實時監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)和故障診斷,控制其在Internet上動態(tài)發(fā)布信息。它們與計算機一樣,成了網(wǎng)絡(luò)中的獨立節(jié)點,很方便地就能與就近的網(wǎng)絡(luò)通信線纜直接連接,而且“即插即用”,直接將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)送上網(wǎng);用戶通過瀏覽器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序即可實時瀏覽到這些信息(包括處理后的數(shù)據(jù)、儀器儀表的面板圖像等)。
  2.2 網(wǎng)絡(luò)化儀器的特點
  基于Internet的測控系統(tǒng)中前端模塊不僅完成信號的采集和控制,還兼顧實施對信號的分析與傳輸,因為它以一個功能強大的微處理器和一個嵌入式操作系統(tǒng)為支撐。在這個平臺上,使用者可以很方便地實現(xiàn)各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。其次,基于Internet的測控系統(tǒng)最為顯著的特點,是信號傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變。基于Internet的測控系統(tǒng)對測量、控制信號等的傳輸,是建立在公共的Internet上的。有了前端嵌入式模塊,系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)安全有效的傳輸便成為可能。再有,基于Internet的測控系統(tǒng)對測得結(jié)果的表達和輸出也有了較大改進,一方面,不管身在何處,使用者都可通過客戶機方便地瀏覽到各種實時數(shù)據(jù),了解設(shè)備現(xiàn)在的工作情況;另一方面,在客戶端的控制中心,所擁有的智能化軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都可被調(diào)用來對測得結(jié)果分析,以及為使用者下達控制指令或作決策提供幫助。
  2.3 接入Internet或以太網(wǎng)的方法
  網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表的設(shè)計方法,是把嵌入式系統(tǒng)嵌入到儀器儀表中,讓其成為測量和控制的核心。通常,嵌入式儀器接入Internet或以太網(wǎng)成為網(wǎng)絡(luò)儀器有三種方法:
  (1) 由32位高檔MCU構(gòu)成嵌入式儀器,因為有足夠資源可擴充利用,整個TCP/IP協(xié)議族可以做到系統(tǒng)里去,因而可以成為直接接入Internet的網(wǎng)絡(luò)儀器,但開發(fā)難度大;
  (2) 對于低檔8位機組成的嵌入式儀器,采用專用網(wǎng)絡(luò)(如RS-232、RS-485、Profibus等)將若干嵌入式儀器與PC相連,把PC作為網(wǎng)關(guān),并由PC把該網(wǎng)絡(luò)上的信息轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包,發(fā)送到Internet上實現(xiàn)信息共享,但必須要專門配一臺PC來進行協(xié)議轉(zhuǎn)換;
  (3) 由8位單片機組成直接接入Internet的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化儀器,這種方案好處是可以利用以前的基于8位單片機的測量設(shè)備,通過外加網(wǎng)絡(luò)芯片,直接驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)接口芯片,但占用資源(ROM、RAM、CPU)較多,要求單片機具有足夠快的運行速度。
  2.4 支持網(wǎng)絡(luò)的接口芯片
  網(wǎng)絡(luò)接口芯片使用RELTEK公司的RTL8019AS,由于其優(yōu)良的性能、低廉的價格,是用來進行以太網(wǎng)通訊的理想芯片。
(1) 主要性能
  符合EthernetⅡ與IEEE802.3標準;為全雙工通信接口,收發(fā)可同時達到10Mbps的速率;內(nèi)置16K的SRAM,用于收發(fā)緩沖,降低對主處理器的速度要求;支持8/16位數(shù)據(jù)總線,8條中斷申請線以及16個I/O基地址選擇;能完成物理幀的形成、編解碼、CRC的形成和校驗、數(shù)據(jù)的收發(fā)等,可以通過交換機在雙絞線上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
(2) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
  RTL8019AS內(nèi)部可分為遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質(zhì)訪問控制)邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內(nèi)部RAM進行讀寫的總線,即ISA總線的接口部分。單片機收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道,完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。
(3) 內(nèi)部RAM地址空間分配
  RTL8019AS內(nèi)部有兩塊RAM區(qū)。一塊16K字節(jié),地址為0x4000~0x7fff;一塊32字節(jié),地址為0x0000~0x001f。RAM按頁存儲,每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁(即0x4000~0x4bff)存儲區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū);后52頁(即0x4c00~0x7fff)存儲區(qū)作為接收緩沖區(qū)。第0頁地址為0x0000~0x001f,用于存儲以太網(wǎng)物理地址。
(4) I/O地址分配
  RTL8019AS具有32位輸入輸出地址,地址偏移量為00H~1FH。其中00H~0FH共16個地址,為寄存器地址。寄存器分為4頁:PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3,由RTL8019AS的CR(Command Register命令寄存器)中的PS1、PS0位來決定要訪問的頁。遠程DMA地址包括10H~17H,都可以用來作遠程DMA端口,只要用其中的一個就可以了。復(fù)位端口包括18H~1FH共8個地址,功能一樣,用于RTL8019AS復(fù)位。

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