主题：【转帖】智能化现场仪表的软件结构

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发表于：2011/02/21 18:21:51 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

阐述智能化现场仪表的软件结构
虽然Smart仪表与模拟信号兼容，在过程控制中将模拟信号作为主要信号；但是我们在设计和使用时必须注意到，在数字控制系统中Smart仪表是系统的一部分。因此我们可方便地用仪表的键或手持通信器对仪表做组态，但所有组态变化都须及时地让系统主机知道。由于HART协议采用主从式访问方式，因此主机不发出访问，从机是无法主动将组态变化情况上传的，这在应用时必须注意。现场仪表要做的是，发生非主机的组态后，在所有返回的应答中做出标记，直到主机了解组态变化为止。

　　现场智能仪表的软件就功能而言至少分为3个状态：工作状态、设置状态和标定状态。可将3个状态理解为3台CPU。工作状态CPU和设置状态CPU同时工作，工作状态CPU连续工作，处理“测量或执行”任务；设置状态CPU由设置事件触发工作，处理组态任务；两台CPU间通过仪表内存交换信息。标定状态CPU单独工作，处理与仪表的生产调试或定期标定有关的事务。

　　工作状态的程序仍可用图2表示，但通信有专门定时要求，因此交由设置状态程序处理；显示部分也要做处理，避免与设置态的显示冲突，满足特殊低功耗要求。

　　标定状态的程序在不同仪表间有较大差异，即使是同类仪表，各企业间也有不同标定方法，因为方法是由模型和算法决定的。

　　设置状态程序框图见图5。可调用Smart仪表智能功能的途径有两条：数据通信和键盘。由于数据通信是智能仪表的必备功能，而就地显示和键盘往往是选用件，因此软件结构要安排使数字通信部分最简洁有效。对于既有就地显示和键盘又有通信功能的仪表，妥善设计键盘、通信主机和手持通信器同时对仪表实施组态时的仲裁机制和时序关系十分关键。

　　框图中通信分支从接收命令层到发送命令层的部分对大部分国内技术人员来说较熟悉，但部分技术人员对数据链路层重视不够，以为只要通信接上就行了。通信设计基本前提是：信道是有干扰的，原始通信是会出错的，因此必须有查错和纠错措施。错误分为两类：收发差错和内容差错。收发差错主要指信息与干扰的混淆和时序错误，内容差错指各种对信息的歪曲。Smart仪表纠错措施主要是重发。

　　数据链路层与物理层一起承担了限制和查找收发差错的任务，也担负部分内容差错的查错任务(用纵横奇偶校验查错)。因此数据链路层是保证现场通信成功的基础。说数据链路层复杂是因为对它不熟悉，其实只要严格按照通信协议中规定的状态图去做)，认真实现图上的每条线就能达到协议规定的水平。

　　命令层对通信差错用核对数据格式、检查状态字与校验和来检查。此外还有内容差错。内容差错也分为两类：一类是通信造成的，另一类是内容本身的差错(如参数超出许可范围)。第一类差错由命令层程序完成查错和自动请求重发任务。第二类差错，由于在键操作也会发生，因此需在处理每条命令时查错并返回出错信息。

　　智能化现场仪表功能强带来的问题是操作复杂，现场人员做出错误操作的可能性极大，因此我们又有一条设计前提，就是：错误操作是不可避免的。一般而言，现场仪表要能抵御除严重物理损害(包括机械、热和电损害，以及水浸、改变内部电气连接等)外的一切错误操作。由此可料到，仪表软件中诊断和处理出错的程序量是很大的，许多智能化程度较高的仪表，出错处理程序的量远大于仪表基本功能程序。3.标定

　　Smart仪表模拟、数字兼容的信号方式也决定了它的校验标定模式与传统仪表不同。有些概念常常被混淆。

　　以温度变送器为例。对K型热电偶，IEC 60854.1给出的分度表范围是-270℃～+1372℃，所以变送器的变量下限(Variable Lower Limit, VLL)是-270℃，变量上限(Variable Upper Limit, VUL)是1372℃。但是实际上不可能有一个热电偶传感器用在这么宽的范围，如果这个变送器安装在一支0℃～800℃的热电偶上，那么传感器下限(Lower Sensor Limit, LSL)就是0℃，传感器上限(Upper Sensor Limit, USL)就是800℃。如果打算让200～500℃对应指示4～20mA，那么量程下限(Lower Range Value, LRV)是200℃，量程上限(Upper Range Value, URV)是500℃。

　　为了便于理解，我们可以把Smart仪表的逻辑结构分成两台仪表，一台是全数字化的仪表，另一台是模拟仪表。数字仪表由两部分组成，模拟信号调理部分和数字信号处理部分。

　　根据仪表类型不同，数字仪表的标定有两种模式：一种是直接标定数字信号处理部分，将每台传感器和模拟信号调理器的不一致连同非线性等一起全部修正掉，典型例子如压力变送器。另一种是不同的传感器采用统一的数字信号处理，标定时仅仅将不同传感器的信号归一化，典型例子是温度变送器。

　　在数字信号处理部分，它的变量范围是从VLL到VUL，这个范围在变送器设计完成以后就不可变了。变送器与传感器组装时要在仪表内设定LSL和USL。当信号超出LSL、USL或VLL、VUL时，仪表会按约定的方式报警。LSL、USL、VLL和VUL的设定是由制造厂完成的，用户不需要做。

　　模拟仪表是数字仪表的模拟形式表现。数字仪表传给模拟一串数字，模拟仪表将数字转换成电流。但是电流转换的是否准，这是需要在4mA和20mA标定的，标定模拟电流输出是Smart仪表特有的。仪表出厂时一般取LRV=LSL和URV=USL，使用时可以根据需要设定LRV使之对应4mA输出，设定URV使之对应20mA输出。

　　Smart仪表必须分别进行数字仪表的标定和模拟仪表的标定，才能保证数字输出和模拟输出都是精确的。

　　一些用户不理解数字仪表与模拟仪表的区别，将Smart仪表像模拟仪表一样进行零点和量程的标定，这样标定会失去智能化仪表应有的高精确度。只有在数字仪表的标定已经完成的情况下，这种简单的标定才会有好的结果。

　　还有一点概念上的问题，就是许多技术人员总是像考虑传统仪表一样，以为设定LRV和URV时在对仪表的前级信号调理部分进行调整，其实Smart仪表中通常只有模拟输出是可以调整的。三新型智能化现场仪表

　　新型智能化现场仪表指全数字化现场总线智能仪表，它们同时具有信息的采集、储存、处理和传输功能。它们加工的信息包括：过程对象、自身状态、与其他仪表的关系和系统管理等信息。由于单台仪表处理信息的能力有限，因此经常需几台仪表联合，甚至需系统主机参与处理某些信息，因此通信功能强弱对仪表的智能程度非常重要。

　　虽然现场总线种类很多，智能化现场仪表的制造商也很多，采用技术不完全相同，但是在仪表结构上的发展趋势是共同的。1.硬件结构

　　硬件结构见图6，与前面两种结构最大不同是分为了两部分：智能传感器部分与数据处理和通信部分。对执行器类仪表智能传感器部分的结构框图有些不同。

　　智能传感器部分包括信号调理器、A/D转换器和EEPROM(电可擦除只读存储器)或其他非易失存储器，EEPROM用于存放与传感器有关的线性化、温度补偿等标定数据和一些管理信息。虽然与这块EEPROM有关的运算是在数据处理和通信部分进行的，但把它放在智能传感器部分带来了很大好处。主要是：(1)传感器完全可互换；(2)针对不同现场总线，传感器部分可以统一。

　　数据处理和通信部分包括不直接涉及传感器的各部分，这部分也有一块EEPROM或其他非易失存储器，主要用于存放与仪表的组态及现场总线有关的信息。与传感器分离后，在硬件上与传感器完全脱钩，因此只需为不同现场仪表准备不同软件，原则上用一种卡件就可满足各种现场仪表的需要。

　　这种分体结构使企业只需针对每种现场总线设计一种数据处理和通信卡，针对每种传感器设计一种传感器卡，两类卡组合可产生多种现场总线智能仪表。分体结构对加快新产品开发，降低开发和生产成本产生了很好效果。

　　智能化现场温度变送器由于体积特别小，因此一般不采用这种分体结构。

　　进一步发展趋势：在智能传感器部分安装一片集成了A/D转换器和EEPROM的MCU，这样智能传感器部分输出的是标准化数字信号。

　　仅从仪表外部设备看，新型智能化仪表甚至比前几代仪表简化了，但就通信和显示内容与前几代仪表比，信息量和信息所反映问题的深度已不可同日而语，仪表信息化的趋势已经显现。在这种情况下，8位MCU已经显得力不从心，16位、32位嵌入式MCU(EMCU)成为主流，整合了通信功能的EMCU尤其受欢迎。一些嵌入式芯片集成了通用系统的主要部分，形成单片系统(System on a Chip, SoC)。2.软件结构

　　新型智能化现场仪表的软件结构与前两种仪表不同。智能功能以功能块形式出现，功能的调用以事件触发形式进行(如时间触发事件)，因此智能功能执行顺序与程序编写无关，不仅通过组态随时可改变，使用中也会有变。事实上许多智能化现场仪表采用实时多任务系统，因此各功能块可简化地看作是同时运行。

　　软件与仪表输入、输出端的接口也与前两种仪表不同。前面讲到仪表硬件已经是分体的，数据处理和通信部分需面对不同传感器和执行器接口。向下现场总线仪表采用类似传感器块和资源块形式制作软接口，简化内部程序对外部设备(传感器)的访问。随着OPC(OLE for Process Control)技术的推广，仪表向上与系统间的接口也大大简化。仪表只要按照OPC规定的结构和格式编写程序，就可很方便与各种系统连接。

　　随着仪表软件和硬件能力的提高，智能化仪表的功能已不局限于检测和执行，许多控制系统的功能也开始装入仪表，随之而来的是部分原控制系统低层工作站的任务也下移到了现场仪表。这极大丰富了仪表智能化的内容，同时也大大增加了仪表软件的复杂性。

　　总而言之，仪表软件技术的发展方向之一是大量吸收信息技术的成果，在数字化基础上迅速提高智能化和网络化水平。针对上述情况，还像前几代仪表一样继续由少数几个工程师编制软件，已经显得既不经济也难以行得通了。

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