第九章 新型智能仪器.ppt

1、第九章 新型智能仪器 ,9.1 个人仪器 9.2 虚拟仪器 9.3 现场总线仪器 ,9.1 个人仪器,9.1.1 个人仪器的原理及特点 个人仪器（也称PC仪器）是在智能化仪器的发展基础上出现的又一种新型微机化仪器,它是个人计算机与电子仪器相结合的产品。这类仪器的基本构想是将原智能仪器仪表中测量部分的硬件电路以附加插件或模板的形式插入到PC机的总线插槽或扩展机箱中；而将原智能化仪器中的控制、存储、显示和操作运算等软件任务都移交给PC机来完成。,由于它充分利用了PC机的软件和硬件资源，因而相对于传统的智能仪器来说,极大地降低了成本，方便了使用，提高了可靠性，显示出广阔的发展前景。在此基础上，若将多

2、种测控仪器插件或模板组合在一个PC系统中，还可以构成称之为个人仪器的系统，以代替价格昂贵的GP-IB接口测试系统的工作。,个人仪器的主要形式 1） 内插式：它把仪器插件卡直接插入到PC机内部总线扩展槽内，如图（a）所示。 2） 外插式：克服内插式缺点的办法之一是定义新的仪器总线,并将仪器插件移到个人计算机外的独立机箱中去,如图（b）所示。,3） VXI总线仪器系统：上述形式的个人仪器及系统以它突出的优点显示出强大的生命力。然而，由于各厂家生产的仪器没有采用统一的标准，用户在组成个人仪器系统时不能将不同厂家的仪器模块和插件插在同一主机箱内，这就妨碍了个人仪器的发展。于是,就发出了标准化的呼声。V

3、XI仪器系统就是在这种形式下应运而生的。1987年7月，HP、Tektronix等五家电子仪器公司提出了用于仪器模块式插卡的新型互联标准VXI总线。,个人仪器的主要特点 1） 成本低：在个人仪器系统中，每个测试功能不是由整机，而是由插件完成的。每个插件不必具有智能仪器所需的微处理器、显示装置、键盘、机箱等部件，因而制成本大大降低。 2） 使用方便：在个人仪器中，标准的仪器功能写在操作软件中，并备有简单的清单（Menu）。用户可根据清单进行选择，无需编制程序就能完成各种测试任务，操作方便。,3） 制造方便：仪器插件卡与个人计算机之间的关系远不如智能仪器中微处理器与测量部件之间的关系密切,而价廉物

4、美的个人计算机可以购买。仪器制造厂可集中精力研制、生产测试插件卡，生产周期短，制造方便。 4） 实时交互：个人仪器是通过微机的系统总线连接的，相互间可进行实时的交互联系。例如，可让一台仪器去触发另一台仪器，使其在时间上相互关联；而在GP-IB系统中，仪器间不能实时交互，它们只接受系统控制器的控制，或向控制器提出服务请求。 ,个人仪器的组成原理 1） 硬件结构：个人仪器的硬件是由仪器插件通过总线与个人计算机融合在一起构成的，因而仪器插件硬件部分总有接口和测量控制两大部分电路，其基本结构如下图所示。,个人仪器插件的一般结构,接口部分由接口芯片、地址译码电路、控制电路等部分组成，这与PC机的一般功能

5、接口卡的接口电路基本一致。 测量控制部分与智能仪器的测量控制部分电路也基本一致，一般包括输入输出电路、采样保持电路、A/D转换器、D/A转换器、时基与时钟等部分。,2） 软面板：个人仪器不同于普通智能仪器的一个显著特点是，用户不再使用仪器的硬面板，而是采用软面板实现对仪器的操作。所谓软面板，是指在高分辨率CRT上由作图生成的仪器面板图形。 用户通过操纵键盘,移动鼠标、光标或触摸屏方式来选择软面板上的“软按键”。显示在CRT上的软面板可以采用C语言、BASIC语言及图形化编程语言来绘制。软面板根据测控仪器的性质不同可以有很多种形式,但一般包括仪器面板显示、软按键操作、状态反馈栏和系统控制窗口等。

6、,3） 个人仪器系统软件：个人仪器系统一般有人工和程序两种控制方式，下图为个人仪器软件系统的一般结构。,个人仪器软件系统结构图,9.2 虚拟仪器,9.2.1 虚拟仪器的原理及特点 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是指通过应用程序将通用计算机与必要的功能化硬件模块结合起来的一种仪器，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像操作自己定义，自己专门设计的一台单个传统仪器一样，从而完成对被测控参数的采集、运算与处理、显示、数据存储、输出等任务。虚拟仪器通常由计算机、仪器模块和软件三部分组成。,仪器模块的功能主要靠软件实现，通过编程在显示屏上构成波形发生器、示波器或数字万用表等传统仪器的软面板；而波形发

7、生器发生的波形、频率、占空比、幅值和偏置，或者示波器的测量通道、标尺比例、时基、极性、触发信号（沿口、电平、类型）等都可用鼠标或按键进行设置，如同常规仪器一样使用，同时，虚拟仪器具有更强的分析处理能力。 ,虚拟仪器不强调每一个仪器功能模块就是一台仪器，而是强调选配一个或几个带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统。与传统的智能仪器一样，虚拟仪器也可以划分成数据采集、数据分析与处理、结果表达三个部分。,虚拟仪器的组成 虚拟仪器同智能仪器一样,也是由硬件和软件两大部分组成的。下面就从这两个方面介绍虚拟仪器的构成。 1） 虚拟仪器的硬件系统：硬件

8、系统可分为计算机硬件平台和测控功能硬件。硬件平台可以是各种类型的计算机,如普通台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬、软件资源,是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展,导致了虚拟仪器系统的快速发展。,虚拟仪器硬件平台,2） 虚拟仪器的软件系统：基本硬件确定之后，要使虚拟仪器能按用户要求自行定义，必须有功能强大的软件平台支持。早先的软件开发环境很不理想，即使是用C、C+高级语言也会感到与高速测试及缩短开发周期的要求极不适应。经过大量工作，现在基于图形的用户接口和开发环境是虚拟仪器软件工作中最流行的发展趋势。典型的

9、软件产品有NI公司的Lab VIEW；HP公司的HP VEE和HP TIG；Tektronix公司的Ez-Test和TNS等。,虚拟仪器的软件结构如下图所示。基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用，从低层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。,虚拟仪器的软件结构,（1）VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）库 VISA库实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，一般称这个I/O函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器

10、的控制。对于仪器驱动程序开发者来说,VISA库是一个可调用的操作函数库或集合。 （2） 仪器驱动程序 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商将其以源代码的形式提供给用户，用户在应用程序中调用仪器驱动程序。,（3） 应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上,直接面对操作用户,通过提供直观、友好的操作界面,丰富的数据分析与处理功能来完成自动测试任务。应用软件还包括通用数字处理软件。 通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数,如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和细化分析等

11、；时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等；滤波设计中的数字滤波等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。,虚拟仪器的特点 （1） 融合计算机的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，增强了仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 （2） 利用计算机丰富的软件资源，实现部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性。通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；通过图形用户界面技术，真正做到界面友好的人机交互。 （3） 基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器

12、硬件实现了模块化、系列化大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化仪器。,（4）基于计算机网络技术和接口技术，VI系统具有方便、灵活的互联(Connectivity)特性，该特性广泛支持诸如CAN、FieldBus、PROFIBUS等各种工业总线标准。因此,利用VI技术可方便地构建自动测试系统（ATS,Automatic Test System），实现测量、控制过程的网络化。 （5）基于计算机的开放式标准体系结构，虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。 （6） 研制费

13、用低而且部分软、硬件可以重复利用，技术更新快（周期12年）。,9.3 现场总线仪器,9.3.1 现场总线技术 现场总线的概念 现场总线是一种用于现场仪器双向数字通信协议，是新一代智能仪器的通信标准。 国际电工委员会（IEC）的标准和现场总线基金会（FF）将其定义为：“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。”,现场总线的产生 现场总线的概念是在20世纪70年代末，由欧洲的一些发达国家提出来的。其原因是由于微处理器与计算机功能的不断增强和器件价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到了迅速发展，用户需要在系统与系统之间、企业与企业之间进行信息的交换，希望资

14、源得到共享以及进行远程管理与控制。而原先处于生产过程底层的测控自动化系统，因其采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统,难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成了“信息孤岛”。,要实现整个企业的信息，实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界之间的信息交换。众所周知，由于来自工厂底层的设备（如传感器、变送器、执行元件等）数量众多，其需要通信的信息量巨大。若用载波频带子网，虽可以解决，但费用较大；用传统的

15、点对点互连则效率很低，且连接的数目有限，控制复杂。,此外，工业现场的环境一般比较恶劣。较为理想的方案是将现场的所有传感器、变送器及执行元件用一根单独的总线（即现场总线）连接起来，通过网桥与MAP载波频带子网上的控制器进行通信。这个方案一经提出，很快得到了国际上许多著名电器制造商的响应。,为适应越来越多的异种计算机系统间互连的“开放式”系统的需要,人们建立了开放系统互联（OSI,Open System Interconnection）的基本参考模式,并于1983年制定了该参考模式的国际标准（ISO7498）。从此奠定了系统互连标准开放的基础,对数据通信系统产品的发展起到了重要的促进作用。ISO7

16、498定义了如下图所示的OSI的七层体系结构,其中,每个层次都在信息交换的任务中担当相对独立的角色,具有特定的功能。,OSI参考模型的七层体系结构,由于微处理器的嵌入式应用,导致工业测控领域中各种仪器仪表、自动化装置和设备的智能化逐步下移。此变革适应了建立分布式测控系统的需要和实现工业过程控制系统“危险彻底分散”的要求,逐渐发展为现场总线控制系统（FCS,Fieldbus Control System）。 FCS采用全分散式的体系结构,现场智能仪器仪表和智能化装置具有高度的自治性。即使局部出现问题,系统中的其他部分仍然可以按既定的控制规律继续运行,从而大大提高了整个系统的可靠性。FCS的信号传

17、输实现了全数字化,执行测控任务的节点将采集到的数据和所执行的操作等信息转换为数字信号向网上发送,执行管理任务的节点以数字形式向网上发送命令。,由于通信电缆（双绞线）是所有节点之间的惟一连接,因此避免了模拟信号传输过程中的干扰,降低了对环境、接地等的要求,并保证了数据的一致性。由于FCS在体系结构、价格、安全性和开放性等方面的优势,从21世纪起将取代DCS成为过程控制系统的主流。现场总线是一种全数字的双向多站点通信系统,按ISO7498标准（OSI）提供网络互联,具有可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通信速率高，造价低和维护成本低等优点。传统的420 mA控制回路通常只能传输代表过程变量的一个信

18、号,而现场总线能够在传送多个过程变量的同时一并传送仪表的标识符和简单的诊断信息等。,从上面的内容可以看到,具有七层结构的OSI参考模型可支持的通信功能是相当强大的。而作为工业控制现场底层网络的现场总线要构成开放互连系统应该如何选择通信模型,是采用完全型还是简化型？是否需要实现OSI的全部功能？是否要采用那样复杂的协议？这些都是值得考虑的问题。工业生产现场存在大量的传感器、控制器、执行器等,它们通常相当零散地分布在一个较大的范围内。对由它们组成的工业控制底层网络来说,单个节点面向控制的信息量不大,信息传输的任务相对比较简单,但实时性、快速性的要求较高。如果按照七层模式的参考模型,由于层间操作与转

19、换的复杂性,网络接口的造价与时间开销显得过高。为了满足实时性要求,也为了实现工业网络的低成本,现场总线采用的通信模型大都在OSI模型的基础上进行了不同程度的简化。 ,典型的现场总线协议模型如下图所示,它采用了OSI模型中的三个典型层： 物理层、数据链路层和应用层。在省去中间36层后,考虑到现场总线的通信特点,设置了一个现场总线访问子层。它具有结构简单,执行协议直观,价格低廉等优点，也满足了工业现场应用的性能要求。由于它是OSI模型的简化形式,因此开放系统互连模型是现场总线技术的基础。现场总线参考模型既要遵循开放系统集成的原则,又要充分兼顾测控应用的特点和特殊要求。,典型现场总线协议模型,由于现

20、场总线是双向的,因此,用户能够从中心控制室对现场智能仪器仪表进行控制,使远程调整、诊断和维护成为可能,甚至能够在故障发生前进行预测。符合开放式标准的兼容性,可以使用户选择不同厂家的产品来构成FCS系统,用户的权益得到了很好的维护。 从20世纪80年代初开始,美国的霍尼威尔公司、福可斯波罗公司,日本的横河公司,欧洲的西门子公司、飞利浦公司等都相继推出了可用于现场总线的系列智能化产品。它们大多数都是以国际标准组织的开放系统互连模型作为基本框架,并根据行业的应用需要施加某些特殊规定后形成的标准,在较大范围内取得了用户与制造商的认可,从而促进了现场总线的应用,推动了现场总线技术的发展。,3） 几种典型

21、的现场总线 20世纪80年代中期,德国、法国等欧洲国家的一些大公司在推出自己的“现场总线”产品的同时也制定了相应的国家标准。20世纪90年代以后,现场总线技术发展迅猛,出现了群雄并起,百家争鸣的局面,全世界开发的现场总线的种类达数十种。然而,这些现场总线通过实际应用,其优劣差别日趋明显,优存劣汰已渐渐形成。在作为行业标准的现场总线领域内,始终有45种网络的技术不相上下,它们具有各自的特点,也显示了较强的生命力。,（1）HART总线。 最早的现场总线系统HART（Highway Addressable Remote Transducer）是美国Rosemount公司于1986年提出并研制的一种通

22、信协议,得到了80多家著名仪器仪表制造商的支持,这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,可以在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信。它在常规模拟仪表的420 mA DC信号的基础上迭加了FSK（Frequency Shift Keying）数字信号。这种通信协议既可以用于420 mA DC的模拟仪表,也可以用于数字式通信仪表。它属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力,得到了广泛的应用。,（2） CAN总线。 CAN是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称,是由德国BOSCH公司为汽车的监测、控制系统而设计

23、的总线式串行通信网络,适合于工业设备和监控设备之间的互联。CAN可以多主方式工作,网络上任意节点均可主动向其他节点发送信息。网络节点可按系统实时性要求分成不同的优先级,一旦发生总线冲突,会减少总线的仲裁时间。CAN采用短帧结构,每一帧为8个字节,数据的出错率极低,被认为是最有发展前途的现场总线之一。其传输介质可用双绞线、同轴电缆或光纤,通信速率最高达1 Mb/s,传输距离可达10km。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准,并广泛应用于离散控制领域。它也基于OSI模型,但进行了优化,抗干扰能力强,可靠性高。,（3） LonWorks总线。 LonWorks是美国Echelon公司推出的

24、一种功能全面的测控网络,主要用于工厂及车间的环境、安全、保卫、报警、动力分配、给水控制、库房和材料管理等。该总线技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片是高性能、低成本的专用神经元芯片,能实现完整的LonTalk通信协议。该协议支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质。目前,LonWorks在国内应用最多的是电力行业,如变电站自动化系统；另外,楼宇自动化和住宅自动化也是其主要应用行业之一。,（4） PROFIBUS总线。 PROFIBUS（Process Field Bus）是由西门子等十几家公司、研究所共同推出的符合德国国家标准DIN19245

25、和欧洲标准EN50170的现场总线标准。协议包括Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三部分。Profibus-DP用于分散外设间的高速数据传输,适合于加工自动化领域；Profibus-FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等；而Profibus-PA则是适于过程自动化的总线类型。该总线的最大特点是具有在防爆危险区内连接的本征安全特性,是一种面向工业自动化应用的现场总线系统。,（5） 基金会现场总线FF。 FF（Foundation Fieldbus）是由现场总线基金会提供的一种全新概念的通信标准,是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景

26、的技术,主要用于工业过程控制和制造业自动化环境。FF总线分低速H1和高速H2两种通信速率。 H1的传输速率为31.25 kb/s,通信距离可达1900 m,可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。 H2的传输速率可为1 Mb/s和2.5 Mb/s两种,其通信距离分别为750 m和500 m。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158-2标准。,FF总线的主要技术内容包括FF通信协议, 用于完成开放互连模型中第27层通信协议的通信栈,用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典,用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块,实现系统组态、调度、

27、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。上述这些已被用户采用的现场总线技术都有各自的标准。由于不同现场总线技术的产品并不兼容,加上众多行业需求各异,制造商及用户都要考虑已有现场总线产品的投资效益和各公司的商业利益,这种情况导致了在一段时间内仍然是多种现场总线标准共存的局面。,现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向,它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点,受到全世界的普遍关注。现场总线的出现,将导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）在产品的体系结构、功能结构方面的较大变革,而自动化设备的制造厂家被迫面临产品

28、更新换代的又一次挑战。,2. 现场总线系统的技术特点 1） 系统的开放性 开放是指相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。 一个开放系统是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。通信协议一致、公开,各不同厂家的设备之间可以实现信息交换。用户可按自己的需要,把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。,2） 互操作性和互用性 互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 3） 系统结构的高度分散化 现场总线已构成一种新的全分散化控制系统的体系结构,从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体

29、系,简化了系统结构,提高了可靠性。,4） 对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境而设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现供电与通信,并可满足本质安全防爆等要求。 5） 系统成本降低,性能提高 采用现场总线技术后,由于现场底层设备智能化以及改变了过去点对点的连接方式,使自动化系统的性能价格比大幅度提高,具体表现为 （1） 系统成本降低。系统成本包括硬件成本和软件成本与辅助成本。, 硬件成本降低： 由于采用一对双绞线或一条电缆挂接多个设备的串行连接方式,因此导线、电缆、端子、槽盒、桥架的用量大幅度下降。 软件成本

30、与辅助成本降低： 由于系统简化,使得系统设计、安装、调试、维护费用大幅度下降。 （2） 系统性能提高。其主要表现在以下几个方面： 具有故障诊断能力。当通信电器发生故障时,通信电器与现场总线连接器能显示出故障信号,便于故障排除,以确保系统的正常运行； 系统传输信息量增加,提高了系统自动化程度； 信号传输精度高、及时,提高了系统运行的可靠性。,3. 现场总线技术的发展趋势 现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化,并且使现场控制的功能更加强大。由于采用现场总线带来了过程控制系统的开放性,因此使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。今后,现场总线的发展预计将表现在如下

31、几个方面。 1） 现场总线标准的统一问题目前流行的各种现场总线代表着不同公司的利益,谁都想把自己的“蛋糕”做大。因此,各大厂商都不遗余力地推广自己的现场总线,并积极参与和把持相应现场总线标准的制定工作。这种局面导致了在现有的产品结构和应用水平上,现场总线领域已经很难统一,同时又阻碍了现场总线技术的广泛应用与发展。那么,现场总线技术的发展究竟应往哪里去？,标准是否要统一？采用哪种技术？这些已成为当前研究现场总线技术发展的热点。根据分析认为有两种可能： 一种可能是,维持几种性能优异的现场总线共存的局面。因为现场总线现已呈现兼容并蓄的发展趋势,各自动化厂商除花大力气从事自身的总线产品开发推广外,同时

32、也充分吸收、采纳其他总线的相关技术,推出包容多种技术标准的现场总线产品。尤以整合了Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后现场总线发展的主流体系和应用热点。,由于Ethernet技术的快速发展,Ethernet在电子世界成为事实上的标准是必然的,Ethernet介入控制领域已经初见端倪。TCP/IP是将数据打包成信息,从多个数据源仲裁传送， 并保证在另一端完整地重建信息的一种方式。许多供应商都在设计不同的协议以便将其现场总线的数据转换到TCP/IP上,这样,就可实现不同现场总线的数据在同一网络上传输,然而这样并未解决标准统一的问题。目前,现场总线正在开发与Ethernet、TCP/IP 结合的技术有： ControlNet、DeviceNet、Ethernet/IP联合推出的CIP（Control and Information Protoc