（控制理论与控制工程专业论文）新一代智能仪表——sunyvpr202sesf综合仪表的研究与开发.pdf

摘要 y8 7 7 2 7 5 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革。 由于传统仪器仪表存在着功能单一、可靠性差、操作繁琐、维护量大、灵活性差、 适用范围窄等不足，逐渐被智能仪表取代。智能仪表是以微处理器为中央控制单元， 能实现物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能，并可与外界通讯的仪器 仪表。本论文围绕着新一代智能仪表综合仪表s u n y v p r 2 0 2 s e s f 展开。 本文的第一部分介绍仪器仪表的概念、发展历史和起的重要作用，主要介绍了 传统仪表和智能仪表的定义、结构、国内外研究现状和发展趋势。基于常规智能仪 表在功能方面的不足，提出了新一代智能仪表综合仪表的概念。 本文的第二部分给出了综合仪表s u n v v p r 2 0 2 s e 的软、硬件结构，对c p u 模块的 结构、模块、实时数据库、基于正c 6 1 1 3 1 3 的算法组态、人机界面( h m i ) 、嵌 入式实时操作系统u c o s 的实时内核以及在a t 9 1 上的移植进行详细地研究和分析， 最后整理出综合仪表的思路，提出了总体设计，给出了综合仪表的定义。 本文的第三部分阐述了在综合仪表s u n v v p r 2 0 2 s e 的总体架构下，它的“精简版” s u n v v p r 2 0 2 s f 灵巧型综合仪表的研究和开发。从s u n v v p r 2 0 2 s f 硬件方面的通 用信号调理、基于p w m 的d a c 的实现、点阵液晶显示、按键处理、串行f l 峪h 存储、 实时时钟、r s 4 8 5 通讯以及软件方面的数字滤波、数据处理、数字p i d 控制、系统运 行显示、系统组态、数据存储追忆、实时时钟等等方面的技术要点进行了具体、详 尽地剖析。特别的，在控制算法上提出了预定义控制模板，提高了友好性和适用性： 在热电偶、热电阻的采样数据转换成工程量处理和非线性校正中，抛弃了传统需占 用大量程序空间的查表法，利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 强大的计算能力对热电偶的t e 公式和 热电阻的r t 公式使用牛顿迭代法进行3 轮迭代，实现了热电偶的冷端补偿和热电阻 的工程量快速高精度的转换，只需记录几个多项式的系数，节省了9 5 程序空间；在 模拟电流4 2 0 m a 的输出上，放弃了通过d a 芯片来得到模拟电压的做法，使用 m s p 4 3 0 f 1 4 9 自带的p w m 输出，经过精密电压基准和两级低通滤波来得到模拟电压 输出，此方法不但电路设计简单，线性度好，精度达到预定要求，并且大大降低了 设计成本。 本文的第四部分对综合仪表s u n v v p r 2 0 2 s f 进行了在高温5 5 和低温 0 的模 拟量输入输出精度实验。实验结果表明在高低温下模拟量输入输出精度已经达到预 期目标。最后本文对研究课题进行了工作总结，并对未来工作进行了展望。 关键词：智能仪表，综合仪表，i e c 算法组态，u c o s i i ，牛顿迭代法 l i a b s t r c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sa i l dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，m es t n l c t u r e o ft h ei n s t m m e n t sh a sb e e nc h a n g e dc o m p l e t e ly o na c c o u n to ft 1 1 es h o r t a g eo ft h e t r a d i t i o n a li n s t m m e n t s ，s u c ha st h es i n g l ef u n c t i o n ，w e e kr e l i a b i l i ty ，c o m p l i c a t e do p e t “o n ， l a 曙em a i n t e n a i l c e ，b a da g i l i t ya n ds m a l la p p l yf i e l de t c ，t h et r a d i t i o n a li n s t m m e n t s 甜e r 印l a c e d 芦a d u a l l yb yi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s 1 1 1 t e l l i g e n ti n s t m m e n t sw h j c h a r ec o n t r o l l e d b ym i c r o p r o c e s s o r s ，h a v em a l l yi m p o r t a n tf u n c t i o n s ，s u c ha sp h y s i c ss i g i l a li 印u ta n d o u t p u t ，s i 印a lc o n v e r s i o n ，c a l c u l a t i n g ，c o n t r o l l i i l ga n dm m u n i c a t i o nw i t ho u t s i d e i n t e l l 蟾e ti n s t r u m e n t s n o to n l yr e s o l v et h ep r o b l e m sw h i c hc a nn o tb er e s o l v e db y t r a d i t i o n a li n s t n j m e n t se a s i l yo re v e nc a i m o t ，b u ta l s op r e d i g e s tc i r c u i t s ，a d v a l l c er e l i a b i l i ty ， a c h i e v et h eh i g hp r e c i s i o n ，h i 曲p e r f o 肌a l l c e ，m u l t i f u n c t i o ne t c t h et h e s i sf o c u s e so nt h e n e wg e n c r a t i o ni n t e l l i g e n ti n s t m m e n t i n t e g r a t i v ei n s t n l m e n ts u n y v p r 2 0 2 s i 纠s f t 1 1 et h e s i si n t r o d u c e st h ei n s t r u m e n t s p h y l o g e n ya n di m p o n a n te f f e c ti np e o p l e1 i v e sa n d e c o n o m yc o n s t n l c t i o n t h ed e f i n i t i o n ，s t m c t u r e ，r e s e a r c ha c t u a l i t y ，d e v e l o p m e n tt r e n do f t r a d i t i o n a li n s t r l l m e n t sa n di n t e l l i g e n ti n s t m m e n t sa r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h es h o n a g e s o fg e n e r a l i n t e l l 蟾e n ti n s t n l m e n t s ，t h ec o n c e p to fan e wg c n e r a t j o ni n t e l l i g e n ti n s t m m e n t 一 一i n t e g r a t i v ei n s t r u m e n ti sp r o p o s e d t h et h e s i sf o c u s e so nt h es o f t w a r ea n dh a f d w a r es t r u c t u r e so fi n t e g r a t i v ei n s t r u m e n t s u n y v p r 2 0 2 s e t h es t r u c t u r eo fc p um o d u l e ， r e a l t i m e d a t a b a s e ，a r i t h m e t i c c o n f i g u r a t i o nb a s e d0 ni e c 6 n 3 1 3 ，t h es o f h v a r ea 1 1 d h a r d w a r es t r u c t u r e s0 fh m l ，t h e k e r n e lo ft h ee m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h et r a n s p l a n to n 肖1a r e r e s e a r c h e da i l da n a l y z e dc o n c r e t e l y f i n a l l yt h et h i n k i n go ft h e t h ei n t e 乒a t i v ei n s t r u m e n t i sc o o r d i n a t e d t h ed e s i g no ft h ec 0 h e c t i v i t yi sp u tf 0 1 w a r da n dt h ed e f i n i t i o no ft h e i n t e g r a t i v ei n s t r u m e n ti sp r o p o s e d ， t h et h e s i s e x p a t i a t e s t h er e s e a r c ha n d a n a l y s i s o ft h e s u n y v p r 2 0 2 s f ，u n d e r t h e c 0 1 l e c t i v i t y s t m c t u r e0 ft h es u n y v p r 2 0 2 s e n et e c h n o l o g y p o i n lo ft h ea l l - p u r p o s e s i g n a lm e a s u r e ，d a cb a s e do np w m ，l a t t i c el c dd i s p l ay ，k e yd i s p o s a l ， s t o r a g eo ns e t i a l f l a s h ，r e a lt i m ec l o c k ，c o m m u n i c a t i o no nr s 4 8 5o fh a r d w a r ea n dd i g i t a lf i l t e r ，d a t a l i i d i s p o s a l ，d i g n a l p i dc o n l r o l ，s y s t e mc j r c u l a t j n g d j s p 】a y ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，d a t a s t o r a g ea n dr e m e m b r a n c e ，r e a lt i m ec l o c ko fs o f t w a r ea r et o o ka p a r ta 1 1 dd i s s e r t a t e d c o n c r e t e l y ah o l i s t i c ，c i e a rc o n c e p to fs u n y v p r 2 0 2 s fi sp u tf o n v a r d e 印e c i a l l y ，j nt h e r e s p e c to fc o n t r 0 1a r i t h m e t i c ，t h ea d v a n c e dd e f i r l e dc o n t r 0 1t e m p l a t ew h i c hh a si m p r o v e d a m i t ya n da p p l i c a b i l i t yi sp r o p o s e d i nt h er e s p e c to ft h ec o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o na 工l d n o n l i n e a re m e n d a t i o n ，n e w t o n i a ni n t e r p 0 1 a t i o nw h i c hh a se c o n o m i z e da b o v e9 5 o f t h e p r o 伊a m m er o o ma n di m p r o v e dp r e c i s i o ni sa d o p t e d i nt h er e s p e c to ft h ea n a l o go u t p u t t h et e c ：1 1 i l o l o g yo fp w mj sa d o p t e d ，w h i c hh a si m p r o v e dp r e c i s i o no fm ea n a l o go u t p u t a n dr e d u c e dc o s t t h e “p e r j m e n t a t i ( ) no fa n a l o gs 噜lj n p u ta n do u t p u tp r e c 主s i o no nt i ee n v i r o n m e n to f t e m p e r a t u r er a n g ea b o u t0 5 5 o fs u n y v p r 2 0 2 s fi sc a r r i e do u t ，t h er e s u l ts h o w st b e p r e c i s i o nh a sa l r e a d ya c h i e v e dt h ea j l t i c i p a t i v ea i m ，f i a l ly ，t h ec o n c l u s i o na n df u t u r e r e s e a r c hd i r e c t i o na r e 百v e n k e yw o r d s ： i n t e l l 追e n i n s t r i l m e m s ； i n t e g r a t i v ei n s t r u m e n t ；i e ca i t h m e t i c c o n f i g u r a t i o n ； u c o s i l ；n e w t o n j a n1 1 1 t e r p o l a t i o n ； 1 v 浙江人学硕 学位论史 第一章绪论 本章主要介绍仪器仪表的概念、发展历史以及在人民生活、国民经济建设中 所起的重要作用，介绍了传统仪表和智能仪表的定义、结构、国内外研究现状和 发展趋势，指出了常规智能仪表在功能方面的不足，提出了新一代智能仪表 综合仪表的概念，最后介绍了课题的主要研究内容和预期目标。 1 1 仪器仪表 仪器仪表是认识世界的工具。从人类社会发展历史来看，提高生产力是决定 性因素，而科学技术又是发展生产力的首要因素。生产力的实现要靠生产资料和 工具，而科学研究的工具主要是仪器仪表。由此可认为仪器仪表是认识世界的工 具。 现在，世界正从工业化、机械化时代迈入信息化时代。信息化时代的特征是 以计算机为核心延伸人的大脑功能，扩展人的脑力劳动，使人类逐步走出机械化 过程，进入以物质手段扩展人的感官神经系统及脑力智力的时代。此时，仪器仪 表的作用是获取信息，作为行动的依据。 人们把获得的信息通过仪器仪表或计算机进行转换或分析计算，使它成为易 于阅读和识别表达的量化形式，或者进一步信号化、图像化，通过显示系统，便 于观察、存储或进入智能化控制系统。 仪器仪表作为一种信息工具，起着不可或缺的信息源的作用。由于信息源必 须准确无误或最大限度的少误，所以现代仪器仪表都无不采用多种技术形式综合 集成，例如机械、电子、材料等等，复杂点的与计算机密切相联。 仪器仪表是国家科技发展水平的标志。特别是在高新技术发展的信息化时代， 仪器仪表完全是现代化的综合因素之一。 1 1 1 仪器仪表的作用 l 、在工业生产中，仪器仪表起着把关、指导的作用。仪器仪表从生产现场获取各 种生产信息，运用科学规律和系统工程，有效地综合、利用各种高新技术，通过 新江大学颤十学位论文 自动化控制手段和设备，使生产环节得到了最优化，从而保证了生产的规范化， 提高了产品质量，降低了生产成本。有许多重要工业，如冶金、石化、轻纺、电 力、电子等工业，如果没有先进的仪器仪表发挥测量、显示、记录、控制等功能， 就无法正常生产。这是现代化生产从粗放型转变为集约型必须采取的措施，是改 造传统工业必须的手段，也是提高产品竞争力，进入市场经济的必由之路。 2 、仪器仪表推动着科学研究的发展。在科学技术上的重大成就和科学研究新领域 的开辟，往往是以检测仪器仪表和技术方法上的突破为先导。因此有些仪器仪表 越来越复杂，性能越来越先进，规模也越来越大。仪器仪表的进展代表着科技的 前沿。仪器仪表的发展和创新应该看作是科学发展的支柱。 3 、仪器仪表在产品质量评估与评证计量等有关国家法制实旌中，发挥着技术监督 的作用。 4 、仪器仪表对于国防建设，在可持续发展战略的诸多方面如防灾减灾、资源利用、 国土利用、国土管理、人口控制、环境改善、文化教育、保健等都有至关重要的 作用。 仪器仪表用于千家万户，和人们的工作、学习、生活、健康休戚相关，人们 对仪器仪表的需求也越来越大，仪器仪表的用途、质量和价格更得到了广泛的关 注。 1 2 传统仪表 传统仪表的发展经历了漫长年代，它涉及社会生活的各个方面。它对改善人 类生活、促进社会发展和科技进步起到了无法估量的作用。直到现在在很多领域 还继续着发挥作用。 1 2 1 传统仪表的主要结构 传统仪表主要结构由硬件构成，阻相对固定形式确定下来，所实现的功能较 单一。用户在使用过程中无法对其功能进行改变。它般具有输入信号接口、内 部处理电路和实时显示三个部分。对于一些仪表功能如自调零、自校准、自动调 节量程等的设置是由用户在仪表设备面板上手工完成。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 传统仪表的主要特点 传统仪表主要特点是自成体系，自我包容，用户无法更改。传统仪表所有的 功能，如：信号输入输出范围、界面功能( 开关、旋钮、显示面板等) ，以及使用 场合等都事先确定好，用户无法改变其功能或应用场合。同时，一台普通传统仪 表具有相对独立性，不能与其他仪表设备进行通信，而只能用于现场测量，测量 结果不能处理、存储、显示，局限性很大。另外，传统仪表无法升级换代，而且 开发周期长、经费投入大。 随着科技水平不断发展，人们对传统仪表提出以下几方面要求：测量精度高、 功能强、可靠性好，测量全程自动化、智能化，微型化、使用灵活方便、升级方 便，同时还能进行测量数据的处理、存储和显示，具有和其他仪表设备进行数据 通讯等功能。这些新要求不仅促使着传统仪表不断地改进和发展，也孕育了新一 代仪表智能仪表的产生【1 j 。 1 3 智能仪表 随着微电子技术的不断发展，集成了处理器、存储器、定时器计数器、并行 和串行接口、看门狗甚至a d 、d a 转换器等电路在块芯片上的超大规模集成 电路芯片单片机出现了。以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术， 组成了“智能化测量控制系统”，也就是智能仪表i 班。 1 3 ，1 智能仪表的特点 与传统仪表相比，智能仪表具有以下特点： 1 、操作自动化。仪表的整个测量过程如量程选择、键盘扫描、开关启动闭合、数 据采集、处理、存储、传输以及显示、打印等都由微控制器来完成，实现测量过 程全部自动化。 2 、具有自动检测功能，包括自动调零、自动校准、自诊断、自动故障与状态检验 及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因，极大地 方便了仪表的维护。 3 、具有数据处理功能。智能仪表由于采用了微控制器使得许多原来用硬件逻辑 难以解决或根本无法解决的问题，现在用软件可以非常灵活地解决，而且还有效 浙江大学砸+ 学位论文 地提高了仪表的测量精度。 4 、具有友好的人机对话能力。智能仪表使用键盘代替传统仪表的切换开关，操作 人员只需通过键盘输入命令，就能实现各种功能。同时，智能仪表还可以通过显 示屏将仪表的运行状况、工作状态、工作参数、历史数据以及对数据处理结果等 以非常直观的数字或图像来告诉操作人员。 5 、具有程序控制操作能力。通常情况下，智能仪表都配有r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 例等标 准的通信接口，可以很方便地与p c 机和其他仪表设备组成用户所需要的多种功能 的自动测量系统，来完成更复杂的任务。 1 3 2 智能仪表的结构 智能仪表本质上是一种微机自动检测系统，由硬件和软件两部分组成。 1 、硬件部分 由于被测对象大部分为非电量，需要利用传感器将测到的非电量转换为电信 号，然而大多数传感器产生的信号都非常微弱，通常只有u v 或m v 量级，必须通过 运算放大器对它们进行放大，使其达到一定的幅度( 通常达到v 量级) 。同时，对信 号还需要进行滤波，选取一定频率范围的信号成分，去掉各种干扰和噪声。通过 程控增益放大器对信号进行分段放大以保证转换精度。一般采用多路模拟开关对 多路被测信号进行切换，使各路信号共用一个a d 转换器。如果模拟信号变化比 较缓慢，可以直接加到a d 转换器的输入端，如果变化较快，需要加采样保持器 以保证a d 转换的正确性。转换后的数字信号送入单片机，单片机进行数据运算 和处理，存储、显示和打印结果。单片机还可以采用适当的控制算法，向执行部 件输出控制信号，智能仪表还可以与p c 机组成分布式测控系统，由单片机作为下 位机采集各种测量信号和数据，通过串行通信接口将信息传送给上位机p c 机， 由p c 机进行更复杂的数据处理或进行全局监控。以下是智能仪表的结构图： 4 浙江大学硕士学位 芑文 ! 键盘!显示器 广。l 1 f 黧一警 一一箍一f 加卜i h 眦叫鬻卜* f 装 【l 一 l 一 微处理器1 一一l _ j 一一 厂忑苫一l 1 - ；报警! i 竺! 卜、丁一l ! j 羔一 一：! 打印机je 2 p r o m 图1 1 智能仪表的结构图【4 】 2 软件部分 智能仪表的软件部分主要包括监控程序、接口程序和数据处理程序三大部分。 监控程序主要监控仪表的键盘和显示器，实现从键盘输入数据或进行功能设罨， 完成对处理后的数据以数字、字符、图像等形式显示的任务。接口程序主要完成 数据采集、数据存储、数据通信等任务。数据处理程序主要完成数据滤波、运算、 分析等任务旧。 1 3 3 智能仪表的基本功能 1 、能够进行多通道巡回测量。 2 、能够进行数据分析和处理。 3 、能够提供多种形式的数据输出，可方便地与其他仪表设备进行数据交换。 4 、能够作为自动控制的信息反馈环节，把检测与控制结合起来。 j 、能够通过改变程序或采用可编程的方法增减仪表功能来适应不同的使用环境和 应用对象。 6 、能够自校准、自诊断、量程自动转换和各种报警功能。 1 3 4 国内外智能仪表的发展现状 智能仪表在国外得到了广泛的应用和发展。它得到了很多新技术的应用，普 遍采用了e d a ( 电子设计自动化) 、c a m ( 计算机辅助设计) | 6 】、c a t ( 计算机辅助测 试) 、d s p ( 数字信号处理) 、a s i c ( 专用集成电路) 及s m t ( 表面贴装技术) 等n 高 度智能化、多功能和综合应用的智能仪表日益普遍，国外智能仪表的改进和更新 换代频繁，功能日益增强，有的智能仪表甚至具有专家系统和推断、分析、决策、 浙江人学硕j 学位论文 优化控制功能。 智能仪表在我国虽然起步较晚，但发展非常迅速，丌发潜力巨大，市场极其 广阔。目前，我国智能仪表总体上达到国际上世纪9 0 年代初期水平【8 ，4 0 的产品 实现了数字化；1 5 的产品实现了智能化吼我国己经成为智能仪表厂商激烈争夺 的重要战场。虽然智能仪表在我国发展较快，但是我国的智能仪表行业还处于起 步阶段，其所占比重在1 0 以下，综合仪表更是少之又少，普及应用率较低、品 种少、产量少、更新换代慢、研究开发人员少，受到国外产品激烈冲击。 1 3 5 智能仪表的发展趋势 1 、硬件功能软件化 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展，微处理器 的处理速度越来越快，使得一些实时性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以 通过软件来完成。而且甚至许多用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题，也 可以通过软件很好地来解决。数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的 广泛应用，极大地提高了仪表的信号处理能力。同时，促进了新的测试理论、测 试领域、测试方法不断涌现并发展成熟，逐步改变了以往仪表功能的实现和改变 主要依赖于硬件电路的设计这种传统的观念，硬件的作用被削弱，并逐渐被软件 所代替。 2 、虚拟仪器 测量仪器的主要功能是由数据采集、数据处理分析和数据显示三大部分组成 的。在虚拟系统中，数据处理分析和显示完全用p c 机的软件来完成。因此，只需 要提供一定的数据采集硬件，就可以与p c 机组成测量仪器。这种基于p c 机的测量 仪器称为虚拟仪器。在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要使用不同的软件 功能模块，就可得到功能完全不同的测量仪器1 1 0 】。由此可见，软件系统是虚拟仪 器的核心。 传统的智能仪器仪表主要在仪器仪表技术中采用了某种计算机技术，而虚拟 仪器则强调在通用的计算机中吸收仪器技术【1 1 】。作为虚拟仪器核心的软件系统具 有通用性、可视性、可扩展性和升级性。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了 “软件就是仪器”的概念【”j 。虚拟仪器的出现代表着智能仪器仪表的最新方向和 潮流。 浙江大学硕士学位论文 3 、总线化 现场总线技术的广泛应用，使组建集中和分布式测试系统变得更为容易【1 4 1 。 然而集中测控越来越不能满足复杂、远程及范围较大的测控任务的需求，所以必 须组建一个可供各个现场仪表数据共享的网络，现场总线控制系统( f c s ) 正是在这 种情况下应运而生的。现场总线控制系统是一种用于现场智能仪表与中央控制 之间的一种开放的、双向的、全数字化的、多站的通信系统1 1 6 】。目前现场总线已 成为全球自动化技术发展的重要表现形式，它为过程测控仪表的发展提供了巨大 的发展机遇，并为实现高精度、高稳定、高可靠、高适应、低消耗等方面提供了 巨大动力和发展空间【1 7 】。 4 、网络化仪表 网络化仪表是指除具备一般仪表功能外还具有通过电话线或网线直接与计算 机通信联网的功能，利用网络化仪表可以上网，发e m a i l ，还具有下载数据、资 料同步等功能，它将普通仪表赋予信息功能，并可以进行远程监控。网络化智能 仪表利用了计算机的软件和硬件优势，增加了测量功能，并提高了技术性能。网 络技术已开始逐渐成为仪表控制与测量的主要工具。从进一步拓展仪表设备定义 的角度出发，并根据网络化测量技术的特点，把服务于人们，从任何地点、在任 意时间都能够获取到测量信息( 或数据) 的所有硬、软 牛元素的有机集合称为“网 络化仪表”。网络化仪表具有如下特点： ( i ) 网络化仪表能连接h l t e m e i f l 羽。它可以在网络化仪表上实现电子商务，可以随 时对软件升级，可以上网，发e m a j l ，还具有下载数据、资料同步等功能。因为 网络化仪表和p c 处理机制截然不同，所以用网络化仪表上网、收发e m a i l 不会受 各种p c 病毒的影响。 ( 2 ) 网络化仪表采用图文并茂的显示界面，鼠标、键盘兼容的操作方式，可以方 便的实现系统组态、总线监控、参数下载，历史数据备份、查询、打印等功能。 ( 3 ) 网络化仪表为了防止非法操作设有密码锁，或者配有智能电子钥匙，具有数 据加密功能和数据存储功能。 网络化仪表不仅可实现计算机集中控制，而且所有参数可以通过网络方式访 问，大大提高了工业现场的数据处理效率和精度。在生产中，对工业过程各类数 掘采集、监控时，不再使用人工进行数据记录、统计的方式，而是采用系统集中 浙江人学顾士学位论文 为工业过程各类数据采集、处理、监控、存储、打印提供了一个高效稳定、经济 可行的解决方案。在网络化仪表条件下，将测得数据通过网络传输给异地的精密 测量设备或高性能微机化仪器去分析、处理【1 9 ，实现测量信息的共享，能够掌握 网络节点信息的实时变化的趋势。计算机技术和仪表技术的迅猛发展，带动了网 络化仪表的发展。与计算机技术紧密结合，已是当今仪表与测控技术发展的主潮 流【2 0 】。 1 4 综合仪表 1 4 1 常规智能仪表的不足 目前现有的常规智能仪表虽然引入了微处理器，采用了计算机技术，在测量 功能、测量精度、数据处理能力、自校准、自诊断、人机交互、操作自动化、控 制策略、可维修性等方面比传统仪表有了大幅度地提高，有些功能甚至是传统仪 表所不具有的，但是在不少方面还是存在不足之处： 1 、功能单一化。目前大部分的常规智能仪表的功能都比较单一，例如：记录仪表 只有记录功能，数显仪表只有显示的功能，调节仪表只有调节的功能，积算仪表 只有积算功能等等，这些常规智能仪表或者只有一种功能或者是两种功能的组合， 往往在工业现场只能承担极小地一部分功能，总体而言功能趋向单一化，由此造 成应用场合单一化，遇到需要多种功能一起使用的场合，往往就力不从心了，其 应用范围大大缩小。 2 、适用范围窄。决大部分常规智能仪表都只具有非常有限的使用环境，只针对于 一种或两种被测信号，例如：温度仪表只能测量温度、流量仪表只能测量流量、 压力仪表只能测量压力等等，往往只有单一的使用环境，因此常规智能仪表的适 用性较差。 3 、算法柔性差。很多常规智能仪表内部都有一定的控制算法或逻辑计算，例如数 字p i d 控制、流量累积、加、减、偏移等等，这些算法都是固定在程序中的，只 能按照程序位置顺序执行下来，他们之间的结构是固定的，是“死”的算法，自 由度差，用户无法根据自身的需要来进行修改、重组。有些智能仪表虽然也提供 算法组态功能，但是绝大多数都是低程度的算法组合，例如：组成一个单回路p i d 控制等等，算法柔性仍然很差。 浙江大学顾： 二学位论文 4 、i o 硬件资源不可配置。绝大多数情况下，智能仪表的i o 硬件资源是固定的， 有多少输入、输出通道是固定的，是数字通道的还是模拟通道也是固定的，这样 在应用上就有很大的局限性。假如使用的点数少于固有的点数，那么多余的点就 空闲在那边，降低了硬件资源利用率，如果使用的点数多于固有的点数，i o 不够 用，那么就无法实现需要的功能，因此就显得不够灵活，非常死板。 j 、显示画面单一、固定。目前的数显仪表大多采用u m 显示，只能显示单一的 数字，如果用来显示英文字母就比较吃力，更不用说是中文了。还有一些虽然采 用字符或点阵液晶屏，能够显示数字、英文字母、中文、甚至是棒图、曲线和一 些图元，但是这些显示画面都是固定的，用户无法根据自身的需求来更改画面。 用户只能根据这些固定的画面来进行操作、监控，无法满足用户对画面的其他要 求，由此可能会造成固定画面不符合用户习惯，使用起来难度加大。 6 、实时性不够。很多常规智能仪表一般都能在实时性要求不高的场合使用，但一 旦到了有一定实时性要求的场合就无法发挥它的作用。 1 4 2 综合仪表的特点 为了解决上述常规智能仪表存在的一些缺陷和不足，新一代的智能仪表 综合仪表应运而生了。 1 、综合仪表具有多样化的功能，它集记录仪表、数显仪表、积算仪表、调节仪表 的多种功能于一身，使用于温度测量、流量测量、压力测量等等多种应用环境。 2 、综合仪表自身提供大量的符合c 国际标准的算法功能块，同时提供经典、常 用的预定义控制模板。用户既可以使用预定义控制模板，也可根据自身需求对节 点之间逻辑关系和控制算法进行组态，实现非常复杂的控制算法，具有非常大的 柔性和自由度，仪表的适用性也随之大大增强。 3 、在最大i 加硬件资源的范围内，综合仪表的i o 硬件资源是可配置的，可以根 据用户的需求来决定使用多少个i o 模块，非常的灵活，并且i o 模块与c p u 模 块之间采用标准的总线接口，既适用于高速数据传输也适用于低速数据传输，不 用因为需要高速传输而增加高速器件，降低了用户的成本。 4 、综合仪表的画面同样是可以进行组态的，用户可根据自己的习惯、想法来定义 画面。综合仪表提供大量的图元来供用户选择，这使得画面异常丰富，j 常形象。 浙江大学硕士学位论丘： 除了可以选择综合仪表提供的图元外，用户还可以导入自己编辑的位图在液晶屏 上显示。 5 、综合仪表内部使用嵌入式实时操作系统，在需要一定实时性要求的场合也能正 常发挥功能。 综上所述，综合仪表突破了常规智能仪表在系统功能、适用环境、算法组态、 人机交互、i o 硬件资源扩展、实时性等等的局限，它是新一代的智能仪表，必将 引领新一代智能仪表的潮流! 下一章将重点论述综合仪表s u n y v p r 2 0 2 s e 的主要 结构和功能特点。 1 5 课题的研究内容和预期目标 1 5 1 课题的研究目的 课题的主要研究目的是基于智能化、数字化、网络化新一代智能仪表综 合仪表的设计理念，设计开发一种采用智能调理、灵巧总线、工业网络、液晶显 示、电子储存技术，综合指示仪表、调节仪表、积算仪表与记录仪表功能，具有 高测量控制精度、高可靠性稳定性的灵巧型综合仪表s u n y v p r 2 0 2 s f 。仪表采 用高亮度l e d 背光1 9 2 6 4 单色点阵液晶显示屏，支持2 通道通用模拟输入、1 通道 模拟输出和2 通道的报警输出。 1 5 2 课题的研究内容 1 、论述新一代智能仪表综合仪表s u n v v p r 2 0 2 s e 的设计思想、理念；集指示 仪表、调节仪表、积算仪表、记录仪表的功能于一体，i o 模块与c p u 模块之间采 用标准化总线接口，i o 硬件资源可配置，算法可组态，画面可组态，采用实时操 作系统，软硬件都具有很强的柔性。并分析它的主要架构和功能特点。 2 、基于新一代综合仪表的设计理念，灵巧型综合仪表s u n v v p r 2 0 2 s f 的硬件设计， 其中包括：通用信号输入、滤波放大、4 2 0 m a 输出、继电器驱动电路、液晶屏 接口与对比度调节电路、按键接口、环境温度测量电路、r s 4 8 5 通信、f l a s h 接口 电路、实时时钟接口电路等。 3 、灵巧型综合仪表s u n v v p r 2 0 2 s f 的软件设计，其中包括：系统初始化、a d 采样、 数字滤波、数据处理、液晶显示、f l a s h 存储、按键处理、实时时钟、通道组态、 浙江大学 磺上学位论文 p i d 控制算法组态、p i d 运算、p i d 输出模块、r s 4 8 5 通信等。 4 、灵巧型综合仪表s u n y v p r 2 0 2 s f 软硬件协同调试，达到预期目标。 5 、高低温实验、可靠性、稳定性分析及对仪表性能进行改进的想法和建议。 1 5 。3 课题的预期目标 在综合仪表s u n v v p r 2 0 2 s e 上，实现指示仪表、调节仪表、积算仪表与记录仪 表4 种仪表的功能，实现用户可自定义的基于i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准的算法块， 显示画面( 包括经典的显示、记录、调节、积算画面和流程画面) 用户可自定义， 可配置的丰富的i o 模块。 在综合仪表s u n v ，r 2 0 2 s f 上，实现指示仪表、调节仪表、积算仪表与记录 仪表4 种仪表的功能，实现预定义控制模板，用户可预定义的显示画面( 包括经 典的显示、记录、调节、积算画面和流程画面) 。综合仪表s u n y v p r 2 0 2 s f 性能预 期指标如表1 1 所示。 表l 一1 综合仪表s u n y v p r 2 0 2 s f 性能预期指标 通用模拟信号输信号类型 电流( o 2 0 n a ) 、电压( 0 5 v 、0 - 1 0 0 m v 、0 - 2 0 m v ) 、热电阻 入( p t l 0 0 ) 、热电偶( b 、j 、s 、k 、t 、e ) 输入范围o 2 0 m a 、0 5 v 、o 1 0 0 i d v 、o 2 0 m v 、p t l o o ( 一9 9 8 5 0 ) 、b ( 0 1 8 2 0 ) 、j ( 一2 1 0 1 2 0 0 ) 、s ( 一5 0 1 7 6 8 ) 、k ( 一2 7 0 1 3 7 2 ) 、t ( 一2 7 0 4 0 0 ) 、e ( 一2 7 0 1 0 0 0 ) 精度全量程0 2 ( 电流、电压、热电偶) ( 0 5 5o 5 ( p t l 0 0 ) ) 模拟信号输出信号类型4 2 0 m a 输出范围4 2 0 m a 精度全量程o 2 ( o 5 5 ) 负载最大7 5 0 欧姆 浙江人学硕士学位论文 控制 实现单网路、双回路、串级p i d 控制等控制精度达到0 2 画面显示在液晶屏上显示系统运行状态、历史数据、趋势曲线、实时时钟、通道和 p i d 算法组态等 数据存储在外部f l a s h 和单片机内部f l a s h 中进行数据存储、掉电数据保持、数据 追忆等。 新江人学硕t 学位论文 第二章综合仪表s u n y v p i 匕0 2 s e 的总体设计 本章给出了综合仪表s u n y v p r 2 0 2 s e 的软、硬件结构，对c p u 模块的结构、实 时数据库、基于匝c 6 1 1 3 1 3 的算法组态、人机界面( h m i ) 的软、硬件构成、嵌入 式实时操作系统u c o si i 的实时内核、在a r 9 1 上的移植进行详细地研究和分析。最 后给出了综合仪表的定义。 2 。1 综合仪表s u n y v p i 匕0 2 s e 的总体架构 s u n y v p r 2 0 2 s e 具有实时性的、硬件资源可配置的、画面可组态的、算法可组 态的、基于实时数据库的高级综合仪表。它的总体架构如图2 1 所示，软件结构 如图2 2 所示。 广一 厂 】i e c 编辑、编译器，界面组态软件，画面j 算法组态组态 下装 显示控制组件 标准总线接口 高速总线 低速总线 i o 模 块n 圈2 一ls u n y v p r 2 0 2 s e 总体架构图 浙江大学做t 学位论义 实时嵌入式操作 系统u c o s 任务 实时数据库 1 。，一 - 。1 。h 。1 。1 。一 “1 算法块 2 2c p u 模块 图2 2s u n y v p r 2 0 2 s e 软件架构图 2 2 1c p u 模块硬件结构 s u n y v p r 2 0 2 s e 的c p u 模块负责与l 加模块通讯传输数据、数据处理、完成组 态算法运行、系统画面显示等任务。以下是c p u 模块的硬件结构图： 匣臣 浙江入学坝i 。学位论义 一? 厂 ：高速总线b j j 四i _ dk 低速总线卜i 叫 j 电压检测卜 隧 l 一 图2 3c p u 模块硬件结构图 2 2 2 嵌入式实时操作系统u c o s i i 1 、前台后台系统的局限性 在前台后台系统中，任务没有优先级之分。应用程序由一个无穷的循环构成， 该循环调用了一些模块( 也就是函数) 来执行操作( 后台) 。中断服务程序( i s r ) 处理异步事件( 前台) 。前台被称为中断级；后台被称为任务级。关键的操作必须 由i s r 执行以确保他们能够以及时的方式进行处理。对于i s r 可以使用的后台模块 的信息，要到后台例程执行后才会被处理。这被称为任务级的响应。最糟的情况 是任务级的响应时闻依赖于后台循环执行过程所花的时间。因为典型代码的执行 时间不是一个常数，连续通过一部分循环的时间是不确定的。而且，如果改变了 其中的代码，则循环的时序会受到影响。前台后台系统结构图如下： 复 一 一 r _ 土j 塑望查兰堡主兰垡笙墨 后台 j 任务1 h 任务2 卜 任务3 任务n 前台 1 s r j i s r i s r 图2 4 前，后台系统结构 嵌入式操作系统是实时操作系统，运行于特定的硬件平台上，一股包括处理 器、存储器及外设器件和i o 端口，包括操作系统软件，要求实时和多任务操作。 用户只需添加所需的任务到操作系统中即可，既节省开发时间，又提高程序的可 靠性【2 1 1 。 2 、u c o s i i 的优点 u c o s i i 是源代码公开的实时嵌入式操作系统，它的主要特点是： ( 1 ) 公开源代码。源代码公开，可以从有关出版物上找到详细的源代码讲解和注 释，很容易把操作系统移植到