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    1 智能儀器的發(fā)展

　　20世紀(jì)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：

　　(1) 微型化。微電子技術(shù)、微機(jī)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(dú)特的作用。

　　(2) 多功能化。多功能本身就是智能儀器儀表的一個特點(diǎn)，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(zhǔn)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。

　　(3) 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(diǎn)。智能儀器的進(jìn)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。

　　2 網(wǎng)絡(luò)化儀器的功能需求和技術(shù)支持

　　2.1 支持遠(yuǎn)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(yuǎn)程測控中使用的儀器，是儀器測控技術(shù)、現(xiàn)代計算機(jī)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(jìn)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(yuǎn)程對儀器進(jìn)行功能操作、獲取測量結(jié)果并對儀器實(shí)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(jī)一樣，成了網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，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(shí)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(diǎn)

　　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(shí)施對信號的分析與傳輸，因?yàn)樗�以一個功能強(qiáng)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(shí)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(diǎn)，是信號傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變�；�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(dá)和輸出也有了較大改進(jìn)，一方面，不管身在何處，使用者都可通過客戶機(jī)方便地瀏覽到各種實(shí)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(dá)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?yàn)橛凶銐蛸Y源可擴(kuò)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(jī)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(shí)現(xiàn)信息共享，但必須要專門配一臺PC來進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換；

　　(3) 由8位單片機(jī)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(jī)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(jī)具有足夠快的運(yùn)行速度。

　　　       3 網(wǎng)絡(luò)化儀器的體系結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

　　3.1 抽象模型

　　網(wǎng)絡(luò)化儀器是電工電子、計算機(jī)硬件軟件以及網(wǎng)絡(luò)、通信等多方面技術(shù)的有機(jī)組合體，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多采用體系結(jié)構(gòu)來表示其總體框架和系統(tǒng)特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化儀器的體系結(jié)構(gòu)，包括基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件、應(yīng)用軟件和各種協(xié)議。圖1是網(wǎng)絡(luò)化儀器體系結(jié)構(gòu)的一個簡單模型，該模型將網(wǎng)絡(luò)化儀器劃分成若干邏輯層，可更本質(zhì)的反映網(wǎng)絡(luò)化儀器具有的信息采集、存儲、傳輸和分析處理的原理特征

　　首先是硬件層，主要指遠(yuǎn)端傳感器信號采集單元，包括微處理器系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流傳輸控制系統(tǒng)。硬件層功能的實(shí)現(xiàn)得益于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和近年來大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流傳輸控制依靠FPGA/CPLD實(shí)現(xiàn)。

　　另一個邏輯層是嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，該層的主要功能是提供一個控制信號采集和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠脚_。該平臺的前端模塊單元的主要資源有處理器、存儲器、信號采集單元和信息；主要功能是合理分配、控制處理器，控制信號的采集單元以使其正常工作，并保證數(shù)據(jù)流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和接口等組成。根據(jù)應(yīng)用的不同，本層的具體實(shí)現(xiàn)方式可能不同，且可在一定程序上簡化。

　　3.2 外圍硬件設(shè)計方案

　　Internet或以太網(wǎng)通信的硬件設(shè)計方案有兩個。

　　(1) 以專用CPU作為控制器，使用C語言編程實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信。優(yōu)點(diǎn)是：專用CPU的處理能力較強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)測試儀器的其它功能。缺點(diǎn)是成本略高，硬件略復(fù)雜。

　　(2) 使用51系列單片機(jī)作為控制器的CPU，不采用嵌入式操作系統(tǒng)，直接使用C51編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。優(yōu)點(diǎn)是硬件比較簡單，價格低。缺點(diǎn)是軟件工作量大，難度也大。以單片機(jī)為核心、采用RTL8019以太網(wǎng)接口芯片為網(wǎng)絡(luò)儀器接口所組成的。