（检测技术与自动化装置专业论文）多通道智能仪表的设计与开发.pdf

摘要 摘要 随着生产自动化要求的不断提高、控制技术和微型计算机技术的不断发展，智能仪表已日益广泛地 应用在工业自动化领域，并占据了越来越高的地位。近年来，新的应用也对智能仪表的设计提出了更高 的要求。 本文首先对智能仪表的特点及其通用开发方法作了介绍，然后针对工业现场对测控仪表功能、性能 要求的提高，提出了设计开发多通道智能仪表的研究课题，并确定了仪表的系统结构、功能和性能设计 指标。该仪表以p h i l i p s 公司生产的p 8 9 c 6 6 4 微控制器( m c u ) 为核心，配置大容量f l a s h 存贮器、3 2 0 2 4 0 点阵l c d 和实时时钟等；通过8 个信号输入通道，可配接热电偶、热电阻以及标准的电压电流 信号，经1 6 位a d 采样送m c u 处理后，按设定要求完成信号监测、数据记录和柱状图曲线显示、异常 数据报警等无纸记录仪的功能，并可通过扩展接口输出基于各种控制算法的控制信号，以及通过 r s 2 3 2 r s 4 8 5 通信接口与其它系统进行数据通信；仪表软件设计采用结构化、模块化方法，并在此基础 上结合硬件配置设计了数据采集、检测信号处理、数据存取、键盘操作功能模块以及汉字、柱状图、曲 线等图形显示功能函数，以便于今后的仪表功能开发，从而使仪表具有了一定的平台功能。另外，采用 w i n d o wc e 编程开发了基于p d a 的抄表系统，不但能够完成数据抄取，也可以作为上位机实现监测和操 作功能。最后，对课题做了总结并提出了今后工作的建议。 关键词：多通道智能仪表 w i n d o wc e 无纸记录平台 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mm ed e v e l o p m e i i to f c 伽t r o la n dm i c r o c o m p u t e rt c c h n o l o g y ，i n t e l l i g e mi n s 仃u m e l l 括h a v eb e e nw i d e l y u s e di ni i l d u s 埘a 1a u t o m a t i o 玛a 1 1 dp l a yam o r ea r 】dm o r ei m p o r t a mm l ei nm i sa r e a i nr e c a my e a r s ，t h e r ei sa i l i n c r e a s i n gd e m a l l d f o rd e s i 印o f i m e i i 迪e m n s e n t sw i m i l i 曲e rp e r f o r n l a l l c e i n 廿1 i sp a p e lw i mab r i e f r e v i e w i n go f t h ec 1 1 a r a c t e r i s t i c so fi n t e l l i g e mi n s 衄m e n t s 锄dt h er e l a t i l l gd e s i g i l m e t h o d s ，ap r o j e c to fd e v e l o p i l l gam u n i - c h a l l l l e l i m e l l i g e n t m s 廿u m e mi sp r o p o s e d ，t om e e tm ed e m a n di n i n d u s t r i a l 叩p l i c a 廿o n s t h es y s t e ms n _ l 1 c t 【l r e ，f l l n c t i o na n dp e r f o n a l l c ei n d e xo ft h em u l t i - c h a n n e li n t e l l i g e m i n s t r m n e ma r ed e t e r m j n e d 1 1 1 i sj n s n u m e n tj sb a s e do nam i c r 0 c o n 仃o l l e ru n i t ( m c u ) ，p 8 9 c 6 6 4 ，p r o d u c e db yp 1 1 i j i p s ，、i 血t h e s u p p o r 七i n gp e r i p h e r ys u c ha s8 m b i t sn a s hm e m o 吼3 2 0 x 2 4 0l c dg r a 曲i cd i s p l a y e ra 1 1 dr e a l 廿m ec l o c k nc a l l a d a p tm e m o c o u p l e s ，t h e m o - r e s i s t o r s ，s 伽1 d a r dv o n a g eo rc u n 弓n ts 培n a l sv i ae i 曲ta n a l o gc h a m e l s t h em c u p r o c e s s e sd a t aa c q u i r e db y1 6 - b ha d c ，a n da c c o m p l i s h e st 1 1 ep a p e r l e s sr e c o r d e rf u n c 廿o n s ，s u c ha ss i g n a i m o n i t o r i n g ，r e c o r d i n g ，c u r v eo rb 盯d i s p l a y i i 培a 1 1 do v e rt 1 1 r e s h o l da l a m i n g t h ei n s e mc a 工1o u t p u tc o n 口o i s j g n a 】sb a s e d 。nv 鲥o u sc o n 仃o lm e t h o 出w i mt 1 1 eh e l po f e x p a n d i n gb u s ，a n dc o m m u l l i c a c ew i t ho t h e rs ”t e m s v i ar s 2 3 2o rr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h em o d u l a r i z a t i o na n ds 廿1 l c t i l r 。a l s 订a t e g ya r ea d o 讲e di 1 1t 1 1 ei n s t r 眦e ms o r w a r ep r o 掣a m m i n g t h e f 1 1 n c t i o n a ld r i v e rm o d u l e s ，s u c ha sd a t aa c q u i r e m e m ，m e a s u r i n gs i g 士1 a 1p r o c e s s i n g ，d a t aa c c e s s ，k e yo p e r a t i o n ， c h i n e s e c h a r a c t e “u “e ，b a rd i s p l a ya n ds oo n ，a r ed e v e l o p e da s s o c i a t e dw i mt h ei n s 仃l l 1 e mh a r d w a r e s of 吐 t h ei n s t 兀删e n th a sb e e ne q u i p p e da sad e s j g np l a m ) n nt oa c c e l e r a t e d e v e j o p m e n tp r o c e s si nt h ef u t i l r e f i l m l e r r n o r e ，am e t e fr e a d m gs y s t e mb a s e do np e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ( p d a ) w h i c hc a nn o to n l yc o p y r e c o r d e dd a t a ，b u ta l s oa c c o m p l i s hm o n h o r i n go p e r a t i o n sl i k eu p p e ri n d i l s 廿i a lp c ，i sd e v e l o p e du 1 1 d e r 、i n d o w sc ee n 们r o n m e n t f i n a l l mac o n c l u s i o no ft 1 1 i sp 印e ra n ds o m es u g g e s t i o n so nf m h e rd e v e l o p m e n t a r ed f e s e m e d k e vw o r d s ：m u l t i c h a n n e l i m e l l i g e mi n s e n t w i n d o w sc e p a p e r l e s sr e c o r d p 1 a t f o m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 程这孚 日期d 叼占歹、多口 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名 磊治尝 导师签名 期 芦，； 第一章引言 第一章引言 1 - 1 智能仪表的概念及其发展现状 工业自动化仪表是用以实现信息的获取、传输、变换、存储、处理与分析，并根据处理结果对生产 过程进行控制的重要技术工具。其中包括检测仪表、分析仪表、执行与控制仪表、记录仪表等几大类， 也有将几部分功能集成在一起的仪表，是工业控制领域的基础和核心之一”1 。 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( 单 片机或嵌入式系统) 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 入输出通道的设计，以及应用软件的开发。传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的，而在以 单片机或嵌入式系统为主体的仪表中，则由编程软件、各种特殊而复杂的功能模块、简化的用户组态编 程功能以及各种典型应用的控制策略包等模块组成的软件，来完成众多的数据处理和控制任务。 由于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，并具有白适应、自学习的能力，因此人们习惯上称它们为“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3 2 位r i s c 处理器、d s p 、a r m 、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。 目前智能仪表的发展现状可以从对传统仪表的改进和新型仪表的出现两方面来归纳。传统的仪表引 入m c u 及各类半导体新器件后，不但工作速度有了跨越式提高，在测量精度、运行可靠性、稳定性、存 储容量等方面也有了质的改变。除此，新的技术还使传统仪表具有了自校准、自适应、自学习等功能， 使精度和可靠性进一步得到提高。 智能仪表除了在传统仪表的改进方面取得了巨大的成就以外，还开辟了许多新的应用领域，出现了 许多新型的仪表。2 0 世纪8 0 年代以来，制造业( 汽车制造，v l s i 制造，各种电子设备如电子计算机、 电视机的制造等) 的高速发展，使c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造) 达到很高水 平，它对人类生产力的提高起着巨大的推动作用。为了对c a 5 i 的工作质量进行实时监督，使成品或半成 品的质量得到保证，要求实现对整个加工工艺过程中各重要环节或工位的在线检测。因此在生产线上或 检验室内大量应用各种c a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ，计算机辅助测试) 技术的仪表。 当前无论在人们生活周围迩是工业现场都能发现智能仪表的踪迹，有些虽然不是以一台完整仪表的 形式出现，但也已经具备i 君能仪表的特点。如咬以前一个变送器只能测量一个通道或者一种物理量， 而如今一个变送器可以同时测量多个通道甚至是多种物理量。并且，测量时还可以对信号进行一定的滤 波处理。 总之，智能仪表已经被运用到了国民经济和国防建设的各个领域，逐渐发挥起举足轻重的作用。随 着半导体电子技术的高速发展，智能仪表已经展现出前所未有的特性。智能仪表的内涵和外延也将随之 不断扩展。 1 2 智能仪表的功能和组成部分 1 2 1 智能仪表的功能一，5 】 智能仪表借助微机的强大功能和外围电路功能的不断完善，该类仪表的功能较模拟数字电路组成的 东南大学硕士学位论文 传统仪表有了质的飞跃，它能够通过编程设定过程参数的时间曲线；能够记忆过程参数的历史数据，并 且能够回调这些数据；能够采用先进的复杂控制规律完成过程参数控制；能够完成复杂的数学计算和处 理，并在异常情况下执行预先设置的处理程序：能够对异常数据进行处理并给出提示：能够给操作者提 供良好的人机交互界面，为智能仪表功能不断增强提供更完善的操作平台。归纳起来智能仪表与传统仪 表相比，功能上具有以下一些优点： 、测量精度高 由于智能仪表的中心控制系统是微机，微机的主频率在6 z 以上( 可以达到几百姗z ) ，可以在短 时间内对一个模拟量进行几千次测量( 更新的芯片出现，其采样、存储的时间还可以大量减少) 。利用这 一点，可以进行快速多次重复测量，然后求其平均值，这就可以排除一些偶然的误差与干扰。例如有一 种智能测距仪，它利用红外光束到达目标经反射回来的时间来计算仪器与目标之间的距离。它能进行上 万次测量，并将这些测量的标准偏差与一个预先规定的界限相比较，其结果可以使长达1 英里距离的测 量误差不超过1 英寸。如果标准偏差能够满足要求，则该仪器计算并显示平均距离。若结果不满足要求， 该仪器可将测量的总次数加倍，并且用一个与此测量次数相适应的新界限值来验算标准偏差，看其是否 能达到仪器的精度指标。即借助将测量次数重复加倍的方法来不断试验，看是否达到可以接受的标准偏 差。测量次数最多可达3 2 0 0 0 次，而所需要的时间不超过几十m s ，这样以增加测量次数来提高测量精 度。除此以外，它还可以采用数字滤波、剔除粗大误差和随机误差的办法，进一步提高测量精度。 二、能够实现间接测量 一台智能仪表可以利用内含的微处理器通过测几种容易测量的参数，间 接地求出某种难以测量的参数。例如，一台用于体育竞赛( 如投掷) 项目中测 量距离的仪器，倘若从第三点去测量两点间的距离，就比较方便。如图1 - 1 所示，将一个轴角编码器和一台上述的测距仪联合使用，对于p 1 点能够测 得距离d 1 和相对于任意基准线的角度b ，并将测量结果存储在仪器的存储 器中；再测量另一点p 2 ，将得到新测量值d 2 、目，然后应用“余弦定理”， 求出所需的距离d 3 。 三、能够自动校准 图1 1 一般仪器仪表在使用前都要进行刻度校准，例如数字电压表要进行o v 和l v 的校准，以保证测量显 示数字的正确性。1 v 的校准采用一个标准电池1 0 0 1 8 6 v ，o v 的校准采用接地。但是在使用中随着仪表 温度的不同，元件参数往往会发生变化，原来校准好的状态受到破坏，导致前后测量的数据不一致。 智能仪表不仅可以自动校准，而且还可在测量过程中定期进行校准，从而减少了误差。图1 2 给出 了电压测量自动校准的示意图。 图1 2 自动校准示意图 其中输入电压信号v x 经过处理后得到采样值n x ，同样标准信号v r 和地信号v g 分别处理后得到n r 、 v g 。在此期间保持采样电路、放大电路和a d 转换电路的特性是一致的。由以上分析得： 2 - 第一章引言 i i = | j ( 玩+ 您) + 您 + 軎= 七( p 曹+ 阮) + 圪】+ a im = 川后( 蹄+ 耽) + 沈 + 他 式中v c 为模拟开关通道漏电流等因素造成的相加性误差电压，v z 为放大电路造成的相加性误差电 压，n z 为a d 转换器产生的相加性转换误差，k 为放大电路增益，p 为a d 转换系数。 上式整理可得： 玩：丝二丝蹄 一n g 式中v r 为标准电压信号的电压值，v x 即为被测电压的测量值。 智能仪表通过v x 与v g 、v r 的比较同时完成了对信号零点和电路增益的校正，保证测量不受测量电 路零点和测量放大电路增益变化的影响。图中的切换开关用c o s 多路开关，微机通过接口连到多路开 关，软件编程能够控制多路开关的切换，智能仪表就可以根据需要若干时间或者若干次后自动进行自校 准。另外，根据以上原理，还可以对其它测量信号进行自动校准。 四、具有自动修正误差能力 实时地修正测量误差是较为复杂的功能，引起误差的原因很多，如直流电压或交流电压的波动，直 流零漂，交流零漂等。 以前一般使用积分电路来消除这种干扰，但是积分电路的选通需要恒定参数脉冲和选用精密积分器 ， 件( “= l u 加以) 。 在智能仪表中可以通过软件方法来消除这些干扰，它是用两个测量显示值( 干扰过程的半周期) 计算 1 一个平均值的u 。，= ( u l + u 2 ) ，如图1 3 所示： 旷、 v o u t ：1 ，2 她州 m 图1 3 软件消除干扰示意图 在测量电路中( 如温度计电路) ，当敏感元件采用热电偶时，就会出现非线性特性，在智能温度计中 只要编入相应的子程序就可修正这种非线性误差。 五、具有自诊断能力 智能仪表若发生了故障，可以自检出来，仪表本身还能协助诊断发生故障的根源。在自诊断过程中， 将决定测试操作顺序的程序先固化在微机的存储器中，程序的核心是把各功能部件上的输出信号与正确 的额定信号进行比较，发现不正确的信号就以明显的警报形式提供给使用者。每次装入程序后，在测试 集成电路组件之前，仪表先执行一段自检程序，对其本身及程序数据进行测试，然后再测试组件。这样 就能分清楚是仪表本身的毛病还是组件的问题。仪表的自检不单是在一开始启动时进行，在运行过程中 自检例行程序也在被执行，若发现仪表出现故障，面板指示灯就会闪光，通知使用者。 六、能够实现复杂的控制功能 仪表实现智能化以后，些常规仪表不易实现的功能，在智能仪表中就很容易实现。目前，打印机 速度很慢，打印一行回车后占用了许多时间，若采用查询方式传送打印，则c p u 要等待很长一段时间； 东南大学硕士学位论文 而智能化打印机由于有内部存储器，可以将要打入的数据快速存储和排序变换，使打印机先从左向右打 一行，然后从右向左打一行，这样就提高了打印速度。 另外，由于有高速单片机和大容量存储器的支撑，智能仪表能实现复杂的控制算法，并且对于传统 的控制方法( p i d 控制、自适应控制、模糊控制等) 可以用软件来实现，从而可以省去大量外围器件， 提高仪表的可靠性。 七、允许灵活地改变仪表的功能 智能仪表是由硬件模块和软件模块组成。硬件模块可做成插板式的，当更换一块模块时，仪表的功 能就可以改变，或者完全变成了另外一台仪表。同样，通过改变软件模块也会达到上述效果。比如更换 软件的监控程序，而硬件不变，则所按的各种键都可以改变功能，或达到一键两用、三用的效果。随着 存储技术的发展，e e p r o m 、f l a s h 技术的出现，存储空间已经不是问题。只要在程序存储器上配置解释 程序或专家系统还可以实现仪表的自学习和实现自己的谱言功能，而设计好的硬件保持不变，此时计算 的终端就可以实现智能化了。 八、具有较强的通信功能 智能仪表利用现有的各种通信接口及相应的通信软件就可以实现与其它仪表、计算机、以及 i n t e r n e t 之间的互连和数据交换，从而构造包括智能仪表在内的分布式控制系统( d c s ) 。常用的接口 有r s 2 3 2 r s 4 8 5 、红外线接口、t c p i p 网络、i c 卡接口等。伴随着t c p i p 成为i t 领域的标准，后来 出现了现场总线、工业以太网等通信技术。随着无线通信技术的发展，仪表上也出现了通过g p r s 、短 消息等无线方式，使得通信变得越来越简单高效。 除了以上八项主要功能外，智能仪表还具有掉电保护、数字滤波、各类复杂算法实现等功能。在 一些不带微机的常规仪表中，通过增加器件和变换电路，亦或多或少地具有上述的某些功能，但往往耍 付出较大的代价；性能上的少许提高，会使仪表的成本增加。而在智能仪表中，性能的提高、功能的扩 大是比较容易实现的，低廉的微机芯片使这类仪表具有较高的性能价格比。 当然智能仪表也存在一定的缺点，例如抗干扰能力和连续运行能力不强、实时性不高等。但随着器 件性能、仪表微机运算速度的提高以及设计技术和软件算法的改进，只要采取适当的技术措施，以上缺 点是完全可以克服的。 1 2 2 智能仪表的组成部分口l 通常，智能仪表由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括m c u 、过程输入输出通道( 模拟量输 入输出通道和开关量输入偷出通道) 、人机交互部分和接口皂路以及盯s b _ t t e r n e t tg p r s 、短消息数 据通信接口等，结构如图1 4 所示。 图1 4 智能仪表框架结构图 - 4 第一章引言 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、r o m 、r a m 、f 1 a s h 、 f r a m 、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( 分别由a d 和d a 转换器构成) 用来输入输出模拟信号；数字量输入，输出通道用于输入 输出数字信号。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c p l d 胛g a 等器件来扩展c p u 的 功能。显示打印模块用于外接打印机和l c d l e d 。 由图可知，输入信号先在输入通道的预处理电路进行变换、放大、整形、补偿等处理。对于模拟信 号，需要经过a d 转换器转换为数字信号，再通过接口送入缓冲寄存器，以保存输入数据；然后由 c p u 对输入数据进行加工处理、计算分析等一系列工作，将运算结果存储在r a m 或f i h 中；同时可 通过接口输出缓冲器送至显示器或打印机，也可输出开关量( 数字) 信号和经模拟信号输出通道的d a 转换器转换成模拟量输出信号；还可以通过串行标准接口( 例如r s 2 3 2 等) 或并行标准接口( 例如i e e e4 8 8 等1 实现数据通信，甚至更复杂的u s b 、i m e m e t 接口完成更复杂的测量、控制任务。智能仪表的整体工 作是在软件控制之下进行的，工作程序应预先编制好，写入非易失性存储器( 如e p r d m 、f l a s h 存储器 等) 中。必要的参数、命令可由键盘输入，存于可读写的存储器( 如r a m 、f l a s h 、f r a m 存储器等) 中。 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( p i d 控制、前馈控制、纯滞后控制、模糊控制等) 。 1 - 3 智能仪表的设计 1 3 1 设计过程和要点【2 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。下面简述智能仪 表设计中为大多数学者所肯定的两个设计要点： 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。模块化设的计优点是：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 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。 衷南大学硕士学位论文 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：另一种是以标淮总线连接其它模块( 例如s t d 总线等) 。第一种方 法由设计人员白行研制模板，电路结构简单，硬件成本低：第二种方法，设计人员可选用商品化模块， 配接灵活、方便，研制周期短，但硬件成本高。 还可以总结出一些设计要点和更具体的设计思想，但最主要的是上述两点。 1 3 2 设计技术 智能仪表设计技术是与测控技术、电子技术、微机技术以及生产工艺水平密切相关的，除了仪表的 体系结构、电路设计、电路调试、软件编程、实现功能的方法和算法以外，还包括电子元器件、机械结 构、编程调试手段、焊接制作工艺等。可以说，作为一个小型的微机化控制部件，智能仪表设计涵盖了 计算机控制系统设计的所有方面，而由于其结构的特殊性，它对实现技术的要求更高。 就工业自动化应用领域而言，目前国外大公司生产的智能仪表几乎都采用了专用仪表集成电路，即 针对某一类仪表设计的要求设计集成电路芯片，芯片中包括了m c u 、a d 他a 、显示键盘电路接口、测 量电路和控制电路等，在保证仪表功能和精度的前提下，最大限度地将仪表电路“浓缩到”专用芯片中， 简化仪表电路。这些仪表无一例外地采用了表面贴装工艺、自动化流水线焊接，电路调试和测试也是在 计算机辅助下完成的。在仪表功能设计方面，由于长期的技术积累，这些大公司已形成各自的专有技术 体系，往往一台仪表具有相当多的功能，通过设置选择使用，可以适应各种不同的应用需求，真正地发 挥了智能仪表灵活性强的特点。 在生产通用型仪表的同时，各大国外公司还针对特殊行业、特殊应用开发专用仪表，通过技术优势 和专利保护形成市场垄断，并通过其在产品开发、维护和升级方面的强势长期获得高额利润。通常，这 类仪表的售价高出普通仪表的十倍甚至上百倍，还可以根据用户的应用要求定制功能并在很短的时间内 设计完成，进一步开发市场和提高竞争力。 近年来，国内的自动化仪表生产水平也有了长足的进步。通过引进技术、合资办厂等方式，部分厂 家已能够规模化地生产通用型智能仪表，其技术水平和生产工艺也与国外产品相当。但不可否认的是， 其中一些产品的核心技术并没有被完全掌握。还有一些单位依靠自己的力量，自主研发生产智能仪表， 并取得了成功。目前，国内自主开发生产的通用型仪表一般采用通用芯片器件的组合设计仪表电路，表 面贴装工艺也逐渐被采用，同等功能的仪表在尺寸、外观等方面毫不逊色。此外，一些企业和研究所也 研发出了在特殊行业、特殊应用中适合国内应用需求的智能仪表产品，并得到普遍应用。 随着工业生产和自动化技术的不断发展，应用需求日新月异、层出不穷，它对智能仪表设计技术的 发展提出了新的要求。从上世纪八十年代单片机应用开始，经过多年的努力，国内智能仪表技术研究已 基本完成了所谓的“仪器仪表智能化”阶段，仪表的设计技术日臻完善，完全具备了迎接新挑战的能力。 一般说来，智能仪表设计技术的发展主要表现在功能和应用两个方面。前者是指采用新的仪表电路 结构和新型电子元器件，研究新的算法，改善仪表的性能指标，增加新的仪表功能，提高仪表的可靠性 等；后者是指拓展仪表的应用领域，使仪表适应新的应用条件和应用环境。两者是相辅相成的。 1 4 本课题研究的背景、意义及主要内容 1 4 1 本课题的研究背景及其意义 随着生产自动化要求的不断提高，控制技术和微型计算机技术的不断发展，智能仪表已逐渐替代了 传统仪表，在信号测控领域，尤其是在工业自动化中，占据了越来越高的地位。 目前，台智能仪表一般只用于单回路控制，即使是多路仪表也是多个单回路集中于一台仪表中； 控制算法大多为p i d 控制；且仪表普遍采用l e d 数码显示，仪表操作的人机交互也因此不够友好。 随着测控要求提高，有些场合需要对测量数据进行记录以便以后查证、重显。而传统的智能仪表不 具有记录功能，只能借助外部记录工具。并且传统记录方式：机械有纸记录、有笔记录，不但成本高，可 一 6 - 竺二兰! ! 童 靠性差，而且效率不高，效果不理想。l e d 显示虽然具有清晰度好，寿命长，驱动电路简单，响应时间短等 特点，但l e d 显示耗电量大，画面单一，只能显示数字和简单的字母。当仪表需要较多人机对话功能以 及显示数据曲线等复杂图像时，如果继续用l e d 显示，不但操作繁琐，而且不直观。而对于图像显示，l e d 更是无能为力。 本课题正是针对以上问题和应用需求提出的。即采用高速单片机、大容量存储器和大尺寸液晶显示 器，设计一个具有较高硬件、软件配置的多通道智能仪表系统，并以此为基础完成8 通道无纸记录仪的 设讦。 4 多通道智能仪表不但提供了一个更为广阔的系统平台，使先进的控制方法能够在智能仪表中方便地 实现，而且将多台仪表的功能集于一体，功能的组合增加了仪表的灵活性，存储能力的增强和人机界面 的改善也大大提高了应用的方便性，从而在较大程度上扩展了智能仪表的应用范围。因此，本课题的研 究具有理论意义和实用价值。 1 4 2 本课题的主要内容 本课题的主要内容是在传统智能仪表的基础上，将控制、多通道数据采集、无纸记录、l c d 图像显 示等技术集于一体，力求在借鉴同类仪表的基础上开发出一套具有较蒿软硬件配置的样机。软_ 仟部j 争采 用k e i l 语吉编写实现。 本文后续章节主要包括以下内容： 第二章讨论仪表系统设计：提出了多通道智能仪表应实现的各种功能和性能指标，介绍多通道智能 仪表的系统结构、配置要求以及数据传输方式。 第三章讨论仪表的硬件设计：首先介绍了仪表核心p 8 9 c 6 6 4 单片机的性能特性，然后以微处理器为 核心，介绍仪表的硬件结构及相关外围电路的设计和工作原理。 第四章讨论仪表的软件设计：在模块化的基础上，讨论了系统的软件实现及流程。特别讨论了在大 尺寸l c d 上编写操作界面，画实时曲线的方法。最后介绍基于w i n d o w sc e 串口通信实现抄表的方法。 第五章讨论仪表功能的实现：在第三、四章的基础上介绍样机中实现的各项功能。 第六章是对本文的结论：对本文的工作进行了总结，并对今后的开发设计工作提出了建议。 一7 - 东南大学硕士学位论文 第二章仪表系统设计 仪表系统设计也称总体设计，主要完成系统结构设计，明确完成仪表系统硬件和软件的功能分配； 与此同时根据软件功能、执行速度和存储容量等要求选定m c u 种类和型号；划分软硬件的功能模块，以 及为了实现预定功能而需要选用哪些外围设备。 2 1 仪表的应用 智能仪表由于功能强大、性能优越、体积小、操作方便等特点，在传统的测控领域得到广泛应用。 从应用范围上，智能仪表可以分为：通用型和专用型。通用型智能仪表使用范围广，能适应大多数应用 场合，但是在精度、速度、可靠性等方面比较逊色。专用型智能仪表是针对某些特定应用而专门设计的， 目标性强，仪表元器件相对较少。目前出现了专用的测控芯片，就是将仪表主要器件集成在一个芯片上， 进一步提高了系统的运行速度、稳定性、可靠性，也降低了仪表功耗、体积等。但芯片研制成本高、技 术难度大。目前绝大多数该类芯片由国外公司研制开发。国内公司如果采用该类仪表，首先引进的成本 较高，其次在应用对象上国内外也不尽相同，常会出现功能不满足或者大材小用等情况。虽然说仪表各 个器件的高度集成是今后智能仪表的发展趋势，但在传统工业领域里，测控对象往往有很多个，每个对 象性质又不尽相同，如果为每个测控对象都开发专用芯片，不但实现成本高、技术难度大，况且大多数 任务完全可以由通用型智能仪表胜任。因此从实现可能性、性价比、适用性上考虑，通用型智能仪表还 具有广阔的应用前景。 随着国民经济的不断发展，各类系统越来越复杂，系统的参数会更加繁多，对系统的检测精度及所 需检测仪的稳定性要求越来越高。譬如一个药品加工环境，既要监控环境温度、湿度、气压，又要监测 细菌密度、各类气体含量等等物理量。有的时候各个不同时段、环节物理量又有不同的要求。而且对某 些物理量数据需要长时间保存以各以后发生事故时查证。对一些要求比较高的物理量需要了解某一时段 总体的变化趋势，甚至要调用以前某一时段的变化趋势。对某些物理量还需要实时地进行精确控制。因 此整个系统需要大量的物理量采集环节以及输出环节。既要有检测、控制设备，又要有存储设备、显示 设备。如果每个仪表只能监控一类数据，甚至是一类数据中的某一路，或者说只能测量不能控制、只能 测量不能存储，都会导致现场仪表的数量急剧增加。从可靠性、可实现性方面讲，这不但不利于监控人 员对现场的监控，还因为仪表数量的增加而导致的不可靠性增加，这不利于对产品质量进行控制；从经 济效益上讲，大量仪表需要很大的成本，而且维护成本、用电量也会随之增高，大大降低了产品的竞争 力。 从以上角度讲，一台运行可靠，能够同时对多路数据、多种物理量进行采集、检测和存储，物理量 变化只要简单设置参数就可以实现对该物理量的操作；能够实时显示所需物理量的变化趋势和随时调取 该物理量的历史数据；能够输出各种控制信号；并且既能够独立完成一定测控任务，又能够随时接受操 作者命令的通用型智能仪表是解决以上问题的最好选择。 多通道智能仪表具有8 路信号通道，能够接受标准的电匿7 甫流信号及热电偶、热电阻输出，无论 哪种测控两象，只要其输出能转换为标准信号、输入能接攘标准信号酹可以洒谴滴出崤翻硕幡。因_ 此， 多通道智能仪表必定套在各类环境复杂、衩。摹善意蒸量太。需要存储大量数据及良好的操作性能等监控场 合发挥重要作用。 2 2 仪表的功能、性能指标和结构 2 2 1 仪表的功能、性能指标 - 8 - 第二章仪表系统设计 1 仪表的主要功能 本课题主要目标是设计出一套具有较高软硬件配置的智能仪表系统平台。该系统能够采集多路电压 电流信号数据，并能够根据预先设定好的参数进行分析处理，然后将各路数据分别存储。同时检测信 号是否超过设定报警值，超过了则报警并存储报警时间和采集信号值。系统外接大尺寸l c d 屏，用户可 以根据需要同时查看各通道实时数据的物理值和统计值，也可以查看某个通道信号的实时曲线。用户也 能够查看某个通道的历史数据曲线，以及报警曲线。良好的人机交互通道是智能仪表必不可少的组成环 节，该仪表中，用户可以随时组态设定每个通道的信号模式、单位、量程、报警值、数据保存周期、系 数以及选择是否监控该通道。为了实现对存储数据进行长时间保存和有效处理，给系统配置了基于 w i n d o wc e 串口通信的抄表系统。下面对各个功能模块作具体介绍。 ( 1 ) 多通道测量功能 可以在一个周期内( 1 s ) 对8 个通道数据同时检测、控铷。各个通道输入的信号可以是o 一5 v 、卜1 0 v 、 42 0 a 、o 一1 0 以、热电偶和热电阻输出等信号。 ( 2 ) 报警功能 仪表对异常信号量能以不同的方式提示操作者。 ( 3 ) 通信功能 仪表具有一个r s 一2 3 2 本地通信和一个r s 一4 8 5 扩展通信接口，所有通信口具有完善的通信功能，可 以用p d a 通过串口抄表和实时监测，也可以外扩m o d e m 、i c 卡、u s b 、g p r s 等通讯接口模块。 ( 4 ) 记录功能 记录周期可以在一定范围内任选，每个通道可以记录3 2 0 0 0 ( 8 mf l a s h ) 个点的数据，一般最长记录 时间可以达到近一年( 如果有需要可采用更大容量的存储器，使记录时间更长) ，并且具有历史追忆功 能，追忆精度能够到达一个记录间隔。 ( 5 ) l c d 图像显示功能 充分利用l c d 的特性，以实现良好的人机交互界面。我们采用的是3 2 0 2 4 0 单色液晶板，如有需要 也可以采用彩色显示。l c d 显示实现的主要功能有： 全中文的操作菜单，便于用户使用。 双重显示：同通道既能以百分量显示，又能以工程量显示。 实时趋势显示：显示某一通道的实时曲线、信号量和报警状态，当显示满一页后( 2 6 4 个点) 自动清屏。 历史趋势显示：根据不同的记录间隔，可以追忆几天至近一年的曲线，并可以通过滑标定位在 某一个点上，滑标既可以粗调也可微调。 棒状图：8 通道棒状图显示，便于远距离观测，同时还有各通道上下限报警标志。 组态：买现通道号、记录间隔、单位、量程等组态。 ( 6 ) 控制功能 能用常用控制方法，如p i n 控制、模糊棒制、自适应控制等方法对对象进行控制。当然今后也可以 扩展豆复袭的控制方法。 2 仪表的性能指标 多通道智能仪表集现代半导体电子技术、计算机技术、一掘信技术、控制技术于一体，它具有对以标 准信号给出的工程量进行实时检测、分析、处理、存储、报警、通讯、l c d 实时显示等功能，其主要性 能指标如表2 1 所示。 9 - 东南大学硕士学位论文 表2 1仪表的主要性能指标 供电电压 2 2 0 v 输入信号模式o 一1 0 v o 一5 v 4 2 0 a o _ l 0 m a 监控通道数 8 路 每通道数据容量 l mb v t e s 采样间隔1 秒 最小、最大存贮时间 19 9 9 9 秒 量程0 0 0 0 9 9 9 9 单位 报警范围0 0 0 0 9 9 9 9 单位 系数范围0 0 0 l 一9 9 9 9 通信波特率4 8 0 0 9 6 0 0 1 9 2 0 0 3 8 4 0 0 b p s 测量误差 o 5 时钟误差1 秒天 2 2 2 仪表硬件结构和指标分析 多通道智能仪表作为智能仪表的一种，有一般智能仪表的结构特性，也有其独特的结构特点。仪表 的设计要考虑到m c u 电路、数据采集电路、存储电路、多种数据传输的通信方式以及完善的人机接口等 方面的设计。此外作为检测系统，可靠性、抗干扰性、性价比、功耗等相关因素也要考虑到。系统的硬 件结构如图2 1 所示。 电压 电流 等 输入 信号 r s 2 3 2 接口 键盘输入) y 一实时时钟 h 电路 图2 1 系统硬件结构图 lm c u 电路 微处理器作为智能仪表的核心担负着数据采集、处理、分析、存储、通信、控制、显示等诸多任务， 因此选择一款合适的c p u 在整个仪表设计中起着十分重要的作用。 微处理器主要分为8 位、1 6 位、3 2 位单片机。从传统的5 1 系列单片机到1 6 位a v r 单片机，以及 近些年出现的3 2 位a 跚和d s p 处理器。a v r 单片机是a 伽l 公司1 9 9 7 年推出的全新配置精简指令集 ( r i s c ) 单片机系烈扫比较5 1 系到单片机，室在运算速度、存储器容量、并行i o 口、中断源等方 面均有较大优势，但其价格相对昂贵。a r m 系列单片机是a r m 公司新近推出的3 2 位高性能单片机，是 典型的r i s c 处理器，具有多级指令流水线，具有u a r t 、w d t 、d m a 等功能模块，其功能完全能满足智能 仪表的开发要求，是今后智能仪表的主流处理器。 然而，c p u 的选择在追求高性能的同时也要考虑到作为仪表，它的开发成本、性价比以及可实现 1 0 第二章仪表系统设计 行，我们这里追求的是“合适”。5 l 系列8 位单片机，在系统扩展、电压、价格、可实现性和稳定性方 面具有独特的优势，加上最近推出的增强性5 l 系列单片机，不但主频越来越高，内扩功能也越来越强。 现在有的单片机内部不但集成高达9 6 k 程序存储空间、几k 到几十k 的r a m ，还集成了a ，d 处理器、 多个时钟发生器、硬件w 址c h d o g 电路，而且对指令精简方面也有新的突破，普通5 1 单片机都是1 2 个 机器周期对应一个指令周期，而现有的5 l 系列单片机可以实现6 个机器周期对应一个指令周期。另外， 现在p h i l i p 的5 l 单片机也具有i s a 功能，大大增强了其编程功能。所有这些都使5 1 系列单片机焕发 出新的生机。 多通道智能仪表采样