智能化现场仪表的结构

智能化现场仪表的结构

关键词：现场总线智能仪表

智能化现场仪表最早出现在20世纪70年代后期，在20多年的发展历程中，它们的性能、功能、应用模式都发生了巨大变化。本文介绍智能化现场仪表内部硬件、软件结构的变化。

一早期智能化现场仪表

早期智能仪表是从数字化仪表演化而来的。这个时期的智能仪表普遍采用微处理器，利用微处理器方便地实现了一系列智能功能，包括线性化校正、环境温度补偿、自动量程转换、自动校零、自动校验、自诊断、计量单位转换、数字滤波、平均值、最大、最小值等统计量、各种算法块等，一些仪表还具有数据通信功能。

这一时期的现场仪表因受体积、现场环境等因素制约，智能功能一般较简单。向系统传递的过程信息以模拟4～20mA信号为主，参数设置以就地设置为主，数据通信一般采用点对点方式，有些仪表通信甚至是单向的，仅传送过程信息。由于速度等方面原因，数字通信信息还不能满足实时控制要求。这个时期实验室仪表的智能功能已相当完善，出现了GBIP 通信总线。因此可以说，智能化现场仪表的发展是跟着智能化实验室仪表走的。

智能仪表种类很多，但带微处理器仪表的硬件、软件结构有许多共同点。

1. 硬件结构

早期智能化现场仪表典型硬件结构见图1，该结构由当时微处理器芯片的功能决定。

按功能不同智能化现场仪表分为“检测”和“执行”两类，前者泛指各种从对象直接或间接获得信息的仪表，后者泛指各种改变对象状态的仪表。

图1主要针对检测仪表。对于执行器类智能化现场仪表，其硬件结构在A/D和D/A 转换器以外的部分与图1不同，其余部分则大同小异。

2. 软件结构

智能化现场仪表的程序组织经常使用状态分析法。在应用中仪表至少应有两种运行状态：工作状态和设置状态。在工作状态仪表执行正常“检测”或“执行”任务，其中包括许多智能功能，如线性化校正、环境温度补偿、自动量程转换、自动校零、数字滤波等。在设置状态仪表执行对各种智能功能的组态和自诊断、自动校验和标定等智能功能。大多数智能化现场仪表，工作状态的各项任务是在线实时执行的，设置状态的任务则是离线执行的。部分智能功能的选用和切换可在线实施，但智能功能的参数设置必须离线进行。

为使智能化现场仪表实现傻瓜化，一般在首次开机时仪表的缺省设置使仪表运行在工作状态，执行仪表的最基本测量(或执行)功能。

工作状态软件结构往往较简单，除开机时的初始化程序外，其余程序呈循环结构。循环结构内的程序是仪表的主程序，主程序内的各子程序分别执行不同智能功能。一部分子程序呈串行或并行选择结构，运行时按设置要求决定是否执行或选择执行某段程序(见图2)。工作状态与设置状态间靠RAM和/或EEPROM保存的标志位和参数交换信息。图2中功能一代表必备功能，功能二代表可选功能，功能三、四、五代表互斥的多选一功能。为确保程序实时性，工作状态下智能功能调用和切换以及键盘处理程序，一般都以中断方式进行。

这时期智能化现场仪表软件的重要特点是：各项智能功能执行的顺序和时间关系是在程序设计阶段决定的，使用时我们可选择用或不用某项智能功能，但不能改变它与其他智能功能间的关系。

设置状态的软件结构与智能仪表的人机界面形式有关。

最简单形式是只有数字显示和很小的键盘(键很少)。这时各项设置只能以轮询方式进行。界面上轮流显示仪表需设置的功能，当出现打算设置的功能，按键转入参数设置状态；在参数设置状态，界面上按位显示参数，按键进行设置；对参数种类很少的情况，也可采取穷举方式显示参数。如果仪表功能较多，为简化设置，可将功能按层次分成组，所有功能的

安排呈树状结构。这样的程序结构可用图3表示。

对于多键情况，有分为一键一义形式和一键多义形式。

一键一义形式时，软件可采用键盘直接分析法。这时程序结构最简单，根据所按的键进入指定程序分支，然后设置参数。

对一键多义形式，情况较复杂。有的仪表采用电话键盘形式，键既可以输入数字，又可输入字母；有的仪表采用混合方式，一部分键是一键一义，另一部分键一键多义。键组

的功能可通过第二功能键——“2nd”、移位键——“Shift”或控制键——“Ctrl”来扩展。这时设置状态的软件结构就显得有点复杂。可采用“有限状态机”方法来进行键盘状态分析，并依此来设计程序。

对于功能较丰富的智能仪表，设置状态的人机界面程序占仪表程序总量的比重很大。要检查错误设置、限制各种非法参数、避免不同功能间的冲突，总之提高仪表的容错性是体现仪表智能程度的重要一环。可以说，设置状态程序在仪表中起着“操作系统”的作用。

这时期的智能仪表功能还不完备，与现代智能仪表的定义有差距，因此现称作“带微处理器的仪表”。

二过渡期智能化现场仪表

早期智能化现场仪表的数字化主要是在仪表内部，仪表的过程信号输出主要还是依靠4～20mA模拟信号。一些具有数字通信接口的仪表，其数字信号与模拟信号往往通过不同通道传输。

首先从仪表智能化中获益的是仪表制造者，一些仪表制造者给仪表专门设计了调校和组态用双向通信接口，大大方便了调校，提高了仪表性能。但仪表在使用时是完全模拟化的。这种仪表的数字通信距离一般很近，组态一般由制造商或销售商完成。这种仪表称为“半智能化仪表”。

80年代起，出现了模拟与数字信号兼容的信号制式，使模拟信号与数字信号共用一条通道。兼容方式有采用移频键控(FSK)调制方式，也有分别用4mA、20mA表示“0”、“1”方式。

经过多年竞争，现在以Bell 202协议为基础的HART协议以其开放性成为事实上的工业标准，获得广泛使用。以4mA、20mA表示“0”、“1”的方式，主要用在两线制测量开关(如物位开关，流量开关、光电开关、接近开关等)和半智能化仪表中。

HART以2200Hz和1200Hz的调制信号分别表示“0”和“1”，传输速率为1200b/s，与4～20mA兼容，通常工作在点对点模式，也可采用多点模式。HART协议传输速率较低，仪表每秒可传送2～3次过程量信号。因此在大多数过程控制应用中，控制信号仍采用4～20mA，数字信号主要用于仪表的管理、维护。当然在有些对速度要求不高的场合(如油罐区的测控系统)也可直接采用多点模式的数字通信。

当时智能化现场仪表在数字化方面仍不彻底，但是它却让人们了解了智能化仪表的优越性，逐步学会使用智能化仪表。这时期的数字通信一般是串行、双向的，以点对点通信为主，连网能力很差。通信内容不仅包括过程信息，更多是用于传送遥控组态信息。虽然许多仪表组态仍采用离线方式，但也有一些仪表将许多组态功能改成在线方式，只有校验等功能仍然采用离线方式。

由于采用了数字通信，在一条信道上传送的信息就可以不止一条，这为复合参数智能仪表提供了条件。

这类与模拟信号兼容智能现场仪表的英文名字是“Smart Instrument”，与全数字