æ—¶é—´: 2018-12-21 12:42
��: 未知
作者: 科新电力
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 智能仪器是计算机技术与测试技术相结�的产物,仪器内部带有处�能力很强的智能软件。仪器仪表已��是简�的硬件实体,而是硬件�软件相结�。近年�,智能仪器已开始从较为�熟的数�处��知识处��展,使其功能�更高层次�展。
1�智能仪器的�展
  20世纪90年代以æ�¥ï¼Œä»ªå™¨ä»ªè¡¨çš„æ™ºèƒ½åŒ–çª�å‡ºè¡¨çŽ°åœ¨ä»¥ä¸‹å‡ ä¸ªæ–¹é�¢ï¼š
  (1) 微型化。微电å�技术ã€�微机械技术ã€�ä¿¡æ�¯æŠ€æœ¯ç‰çš„综å�ˆåº”用使得仪器æˆ�为体积å°�ã€�功能é½�全的智能仪器,能够完æˆ�ä¿¡å�·çš„采集ã€�处ç�†ã€�控制信å�·çš„输出ã€�放大ã€�与其它仪器的接å�£ç‰åŠŸèƒ½ï¼Œåœ¨è‡ªåŠ¨åŒ–æŠ€æœ¯ã€�航天ã€�军事ã€�生物技术ã€�医疗领域有ç�€ç‹¬ç‰¹çš„作用。
  (2) 多功能化。多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点,例如具有脉冲å�‘生器ã€�频率å�ˆæˆ�器和任æ„�波形å�‘生器ç‰åŠŸèƒ½çš„å‡½æ•°å�‘生器,ä¸�但性能上(如准确度)比专用脉冲å�‘生器和频率å�ˆæˆ�器高,而且在å�„ç§�测试功能上æ��供了较好的解决方案。
  (3) 智能化。现代检测与控制系统,或多或少的趋å�‘于智能化这个特点。智能仪器的进一æ¥å�‘展将å�«æœ‰ä¸€å®šçš„äººå·¥æ™ºèƒ½ï¼Œè¿™æ ·å°±å�¯æ— 需人的干预而自主地完æˆ�检测或控制功能。
  (4)仪器虚拟化。在虚拟现实系统ä¸ï¼Œæ•°æ�®åˆ†æž�和显示用PC机的软件æ�¥å®Œæˆ�,å�ªè¦�é¢�外æ��供一定的数æ�®é‡‡é›†ç¡¬ä»¶ï¼Œå°±å�¯ä»¥ä¸ŽPC机组æˆ�测é‡�仪器。这ç§�基于PC机的测é‡�仪器称为虚拟仪器VI(Virtual Instrument)。在虚拟仪器ä¸ï¼Œä½¿ç”¨å�Œä¸€ä¸ªç¡¬ä»¶ç³»ç»Ÿï¼Œå�ªè¦�应用ä¸�å�Œçš„软件编程,就å�¯å¾—到功能完全ä¸�å�Œçš„æµ‹é‡�仪器。“软件就是仪器”ã€‚ä½œä¸ºè™šæ‹Ÿä»ªå™¨æ ¸å¿ƒçš„è½¯ä»¶ç³»ç»Ÿå…·æœ‰é€šç”¨æ€§ã€�通俗性ã€�å�¯è§†æ€§ã€�å�¯æ‰©å±•性和å�‡çº§æ€§ï¼Œä»£è¡¨ç�€å½“今仪器å�‘展的新方å�‘。
  (5) 仪器仪表系统的网络化。一般的智能仪器仪表都具有å�Œå�‘通信功能,但这ç§�å�Œå�‘é€šä¿¡åŠŸèƒ½ç¦»çœŸæ£æ„�义上的网络通信还有è·�离。伴éš�ç�€ç½‘络技术的飞速å�‘展,Internet技术使仪器仪表在实现智能化的基础上å�Œæ—¶å®žçŽ°ç½‘ç»œåŒ–ï¼Œä½¿çŽ°åœºæµ‹æŽ§å�‚é‡�就近登临网络,并具备必è¦�的信æ�¯å¤„ç�†åŠŸèƒ½ã€‚
2 �网络化仪器的功能需求和技术支�
  2.1 支�远程测控需求
  网络化仪器,如现场总线智能仪表,是适å�ˆåœ¨è¿œç¨‹æµ‹æŽ§ä¸ä½¿ç”¨çš„仪器,是仪器测控技术ã€�现代计算机技术ã€�网络通信技术与微电å�技术深度èž�å�ˆçš„结果。网络化设备既å�¯ä»¥åƒ�æ™®é€šä»ªå™¨é‚£æ ·æŒ‰è®¾å®šç¨‹åº�对相关物ç�†é‡�进行自动测é‡�ã€�控制ã€�å˜å‚¨å’Œæ˜¾ç¤ºæµ‹é‡�结果å�ŠæŽ§åˆ¶çŠ¶æ€�ï¼›å�Œæ—¶å…·æœ‰é‡�è¦�的网络应用特å¾�,ç»�授æ�ƒçš„仪器使用者,通过Internetå�¯ä»¥è¿œç¨‹å¯¹ä»ªå™¨è¿›è¡ŒåŠŸèƒ½æ“�作ã€�获å�–测é‡�结果并对仪器实时监控ã€�设置å�‚数和故障诊æ–,控制其在Internet上动æ€�å�‘布信æ�¯ã€‚å®ƒä»¬ä¸Žè®¡ç®—æœºä¸€æ ·ï¼Œæˆ�了网络ä¸çš„独立节点,很方便地就能与就近的网络通信线缆直接连接,而且“å�³æ�’å�³ç”¨”,直接将现场测试数æ�®é€�上网;用户通过æµ�览器或符å�ˆè§„范的应用程åº�å�³å�¯å®žæ—¶æµ�览到这些信æ�¯(包括处ç�†å�Žçš„æ•°æ�®ã€�仪器仪表的é�¢æ�¿å›¾åƒ�ç‰)。
  2.2 网络化仪器的特点
  基于Internet的测控系统ä¸å‰�端模å�—ä¸�仅完æˆ�ä¿¡å�·çš„采集和控制,还兼顾实施对信å�·çš„分æž�ä¸Žä¼ è¾“ï¼Œå› ä¸ºå®ƒä»¥ä¸€ä¸ªåŠŸèƒ½å¼ºå¤§çš„å¾®å¤„ç�†å™¨å’Œä¸€ä¸ªåµŒå…¥å¼�æ“�作系统为支撑。在这个平å�°ä¸Šï¼Œä½¿ç”¨è€…å�¯ä»¥å¾ˆæ–¹ä¾¿åœ°å®žçްå�„ç§�测é‡�功能模å�—çš„æ·»åŠ ã€�åˆ é™¤ä»¥å�Šä¸�å�Œç½‘ç»œä¼ è¾“æ–¹å¼�的选择。其次,基于Internet的测控系统最为显著的特点,是信å�·ä¼ 输的方å¼�å�‘生了改å�˜ã€‚基于Internet的测控系统对测é‡�ã€�控制信å�·ç‰çš„ä¼ è¾“ï¼Œæ˜¯å»ºç«‹åœ¨å…¬å…±çš„Internet上的。有了å‰�端嵌入å¼�模å�—,系统的测é‡�æ•°æ�®å®‰å…¨æœ‰æ•ˆçš„ä¼ è¾“ä¾¿æˆ�为å�¯èƒ½ã€‚å†�有,基于Internet的测控系统对测得结果的表达和输出也有了较大改进,一方é�¢ï¼Œä¸�管身在何处,使用者都å�¯é€šè¿‡å®¢æˆ·æœºæ–¹ä¾¿åœ°æµ�览到å�„ç§�实时数æ�®ï¼Œäº†è§£è®¾å¤‡çŽ°åœ¨çš„å·¥ä½œæƒ…å†µï¼›å�¦ä¸€æ–¹é�¢ï¼Œåœ¨å®¢æˆ·ç«¯çš„æŽ§åˆ¶ä¸å¿ƒï¼Œæ‰€æ‹¥æœ‰çš„æ™ºèƒ½åŒ–软件和数æ�®åº“系统都å�¯è¢«è°ƒç”¨æ�¥å¯¹æµ‹å¾—结果分æž�,以å�Šä¸ºä½¿ç”¨è€…ä¸‹è¾¾æŽ§åˆ¶æŒ‡ä»¤æˆ–ä½œå†³ç–æ��供帮助。
  2.3 接入Internet或以太网的方法
  网络化仪器仪表的设计方法,是把嵌入å¼�系统嵌入到仪器仪表ä¸ï¼Œè®©å…¶æˆ�为测é‡�å’ŒæŽ§åˆ¶çš„æ ¸å¿ƒã€‚é€šå¸¸ï¼ŒåµŒå…¥å¼�仪器接入Internet或以太网æˆ�为网络仪器有三ç§�方法:
  (1) ç”±32ä½�高档MCUæž„æˆ�嵌入å¼�ä»ªå™¨ï¼Œå› ä¸ºæœ‰è¶³å¤Ÿèµ„æº�å�¯æ‰©å……利用,整个TCP/IPå��è®®æ—�å�¯ä»¥å�šåˆ°ç³»ç»Ÿé‡ŒåŽ»ï¼Œå› è€Œå�¯ä»¥æˆ�为直接接入Internet的网络仪器,但开å�‘难度大;
  (2) 对于低档8ä½�机组æˆ�的嵌入å¼�仪器,采用专用网络(如RS-232ã€�RS-485ã€�Profibusç‰ï¼‰å°†è‹¥å¹²åµŒå…¥å¼�仪器与PC相连,把PC作为网关,并由PC把该网络上的信æ�¯è½¬æ�¢ä¸ºTCP/IPå��议数æ�®åŒ…,å�‘é€�到Internet上实现信æ�¯å…±äº«ï¼Œä½†å¿…é¡»è¦�专门é…�一å�°PCæ�¥è¿›è¡Œå��议转æ�¢ï¼›
  (3) ç”±8ä½�å�•片机组æˆ�直接接入Internet的嵌入å¼�网络化仪器,这ç§�方案好处是å�¯ä»¥åˆ©ç”¨ä»¥å‰�的基于8ä½�å�•片机的测é‡�è®¾å¤‡ï¼Œé€šè¿‡å¤–åŠ ç½‘ç»œèŠ¯ç‰‡ï¼Œç›´æŽ¥é©±åŠ¨ç½‘ç»œæŽ¥å�£èŠ¯ç‰‡ï¼Œä½†å� 用资æº�(ROMã€�RAMã€�CPU)较多,è¦�求å�•片机具有足够快的è¿�行速度。
 2.4 支�网络的接�芯片
  网络接å�£èŠ¯ç‰‡ä½¿ç”¨RELTEKå…¬å�¸çš„RTL8019AS,由于其优良的性能ã€�ä½Žå»‰çš„ä»·æ ¼ï¼Œæ˜¯ç”¨æ�¥è¿›è¡Œä»¥å¤ªç½‘通讯的ç�†æƒ³èŠ¯ç‰‡ã€‚
  (1) 主�性能
  符å�ˆEthernetⅡ与IEEE802.3æ ‡å‡†ï¼›ä¸ºå…¨å�Œå·¥é€šä¿¡æŽ¥å�£ï¼Œæ”¶å�‘å�¯å�Œæ—¶è¾¾åˆ°10Mbps的速率;内置16Kçš„SRAM,用于收å�‘缓冲,é™�低对主处ç�†å™¨çš„速度è¦�求;支æŒ�8/16ä½�æ•°æ�®æ€»çº¿ï¼Œ8æ�¡ä¸æ–申请线以å�Š16个I/O基地å�€é€‰æ‹©ï¼›èƒ½å®Œæˆ�物ç�†å¸§çš„å½¢æˆ�ã€�ç¼–è§£ç �ã€�CRC的形æˆ�å’Œæ ¡éªŒã€�æ•°æ�®çš„æ”¶å�‘ç‰ï¼Œå�¯ä»¥é€šè¿‡äº¤æ�¢æœºåœ¨å�Œç»žçº¿ä¸Šå�Œæ—¶å�‘é€�和接收数æ�®ã€‚
  (2) 内部结构
  RTL8019AS内部å�¯åˆ†ä¸ºè¿œç¨‹DMA接å�£ã€�本地DMA接å�£ã€�MAC(介质访问控制)逻辑ã€�æ•°æ�®ç¼–ç �è§£ç �逻辑和其他端å�£ã€‚远程DMA接å�£æ˜¯æŒ‡å�•片机对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线,å�³ISA总线的接å�£éƒ¨åˆ†ã€‚å�•片机收å�‘æ•°æ�®å�ªéœ€å¯¹è¿œç¨‹DMAæ“�作。本地DMA接å�£æ˜¯RTL8019AS与网线的连接通é�“,完æˆ�控制器与网线的数æ�®äº¤æ�¢ã€‚
  (3) 内部RAM地�空间分�
  RTL8019AS内部有两å�—RAM区。一å�—16Kå—节,地å�€ä¸º0x4000~0x7fff;一å�—32å—节,地å�€ä¸º0x0000~0x001f。RAM按页å˜å‚¨ï¼Œæ¯�256å—节为一页。一般将RAMçš„å‰�12页(å�³0x4000~0x4bff)å˜å‚¨åŒºä½œä¸ºå�‘é€�缓冲区;å�Ž52页(å�³0x4c00~0x7fff)å˜å‚¨åŒºä½œä¸ºæŽ¥æ”¶ç¼“冲区。第0页地å�€ä¸º0x0000~0x001f,用于å˜å‚¨ä»¥å¤ªç½‘物ç�†åœ°å�€ã€‚
  (4) I/O地�分�
  RTL8019AS具有32ä½�输入输出地å�€ï¼Œåœ°å�€å��ç§»é‡�为00H~1FH。其ä¸00H~0FHå…±16个地å�€ï¼Œä¸ºå¯„å˜å™¨åœ°å�€ã€‚寄å˜å™¨åˆ†ä¸º4页:PAGE0ã€�PAGE1ã€�PAGE2ã€�PAGE3,由RTL8019ASçš„CR(Command Register命令寄å˜å™¨ï¼‰ä¸çš„PS1ã€�PS0ä½�æ�¥å†³å®šè¦�访问的页。远程DMA地å�€åŒ…括10H~17H,都å�¯ä»¥ç”¨æ�¥ä½œè¿œç¨‹DMA端å�£ï¼Œå�ªè¦�用其ä¸çš„一个就å�¯ä»¥äº†ã€‚å¤�ä½�端å�£åŒ…括18H~1FHå…±8个地å�€ï¼ŒåŠŸèƒ½ä¸€æ ·ï¼Œç”¨äºŽRTL8019ASå¤�ä½�。
3� 网络化仪器的体系结构�实现
  3.1 抽象模型
  网络化仪器是电工电å�ã€�计算机硬件软件以å�Šç½‘络ã€�通信ç‰å¤šæ–¹é�¢æŠ€æœ¯çš„æœ‰æœºç»„å�ˆä½“,结构比较å¤�æ�‚,多采用体系结构æ�¥è¡¨ç¤ºå…¶æ€»ä½“框架和系统特点。网络化仪器的体系结构,包括基本网络系统硬件ã€�应用软件和å�„ç§�å��议。图1是网络化仪器体系结构的一个简å�•模型,该模型将网络化仪器划分æˆ�若干逻辑层,å�¯æ›´æœ¬è´¨çš„å��æ˜ ç½‘ç»œåŒ–ä»ªå™¨å…·æœ‰çš„ä¿¡æ�¯é‡‡é›†ã€�å˜å‚¨ã€�ä¼ è¾“å’Œåˆ†æž�处ç�†çš„原ç�†ç‰¹å¾�
  首先是硬件层,主è¦�æŒ‡è¿œç«¯ä¼ æ„Ÿå™¨ä¿¡å�·é‡‡é›†å�•元,包括微处ç�†å™¨ç³»ç»Ÿã€�ä¿¡å�·é‡‡é›†ç³»ç»Ÿã€�硬件å��议转æ�¢å’Œæ•°æ�®æµ�ä¼ è¾“æŽ§åˆ¶ç³»ç»Ÿã€‚ç¡¬ä»¶å±‚åŠŸèƒ½çš„å®žçŽ°å¾—ç›ŠäºŽåµŒå…¥å¼�系统的技术进æ¥å’Œè¿‘å¹´æ�¥å¤§è§„模集æˆ�电路技术的å�‘展,硬件å��议转æ�¢å’Œæ•°æ�®æµ�ä¼ è¾“æŽ§åˆ¶ä¾�é� FPGA/CPLD实现。
  å�¦ä¸€ä¸ªé€»è¾‘层是嵌入å¼�æ“�ä½œç³»ç»Ÿå†…æ ¸ï¼Œè¯¥å±‚çš„ä¸»è¦�功能是æ��供一个控制信å�·é‡‡é›†å’Œæ•°æ�®æµ�ä¼ è¾“çš„å¹³å�°ã€‚该平å�°çš„å‰�端模å�—å�•元的主è¦�资æº�有处ç�†å™¨ã€�å˜å‚¨å™¨ã€�ä¿¡å�·é‡‡é›†å�•元和信æ�¯ï¼›ä¸»è¦�功能是å�ˆç�†åˆ†é…�ã€�控制处ç�†å™¨ï¼ŒæŽ§åˆ¶ä¿¡å�·çš„采集å�•元以使其æ£å¸¸å·¥ä½œï¼Œå¹¶ä¿�è¯�æ•°æ�®æµ�çš„æœ‰æ•ˆä¼ è¾“ã€‚è¯¥é€»è¾‘å±‚ä¸»è¦�由链路层ã€�网络层ã€�ä¼ è¾“å±‚å’ŒæŽ¥å�£ç‰ç»„æˆ�ã€‚æ ¹æ�®åº”用的ä¸�å�Œï¼Œæœ¬å±‚的具体实现方å¼�å�¯èƒ½ä¸�å�Œï¼Œä¸”å�¯åœ¨ä¸€å®šç¨‹åº�上简化。
  3.2 外围硬件设计方案
  Internet或以太网通信的硬件设计方案有两个。
  (1) 以专用CPU作为控制器,使用Cè¯è¨€ç¼–程实现TCP/IP通信。优点是:专用CPU的处ç�†èƒ½åŠ›è¾ƒå¼ºï¼Œä¾¿äºŽå®žçŽ°æµ‹è¯•ä»ªå™¨çš„å…¶å®ƒåŠŸèƒ½ã€‚ç¼ºç‚¹æ˜¯æˆ�本略高,硬件略å¤�æ�‚。
  (2) 使用51系列å�•片机作为控制器的CPU,ä¸�采用嵌入å¼�æ“�作系统,直接使用C51编程,实现数æ�®é“¾è·¯å±‚å��议和TCP/IPå��议。优点是硬件比较简å�•ï¼Œä»·æ ¼ä½Žã€‚ç¼ºç‚¹æ˜¯è½¯ä»¶å·¥ä½œé‡�大,难度也大。以å�•ç‰‡æœºä¸ºæ ¸å¿ƒã€�采用RTL8019以太网接å�£èŠ¯ç‰‡ä¸ºç½‘ç»œä»ªå™¨æŽ¥å�£æ‰€ç»„æˆ�的网络化仪器的基本结构。
  3.3 �议和设计
  系统进行åˆ�始化æ“�作,主è¦�是对网络接å�£èŠ¯ç‰‡è¿›è¡Œé…�置。é…�置完å�Žï¼Œç³»ç»Ÿå¤„于ç‰å¾…状æ€�,直到客户方有数æ�®å�‘é€�过æ�¥ã€‚æ•°æ�®çš„æŽ¥æ”¶æ˜¯é€šè¿‡ç½‘络接å�£èŠ¯ç‰‡å®žçŽ°çš„ï¼Œå®ƒèƒ½å¤Ÿå¯¹ç½‘ç»œä¸Šçš„ç‰©ç�†å¸§è¿›è¡ŒåŒ…过滤。当一个以太网站点的信æ�¯å¸§è¢«å�‘é€�到共享的信å�·ä¿¡é�“或介质时,所有与信é�“相连的以太网接å�£éƒ½è¯»å…¥è¯¥å¸§ï¼Œå¹¶ä¸”查看该帧的第一个48bit地å�€å—段,其ä¸åŒ…å�«æœ‰ç›®çš„地å�€ã€‚å�„个接å�£æŠŠå¸§çš„目的地å�€ä¸Žè‡ªå·±çš„48bit地å�€è¿›è¡Œæ¯”较。如果该地å�€ä¸Žå¸§çš„目的地å�€ç›¸å�Œï¼Œåˆ™è¯¥ä»¥å¤ªç½‘站点将继ç»è¯»å…¥æ•´ä¸ªå¸§ï¼Œå¹¶å°†å®ƒé€�给计算机æ£åœ¨è¿�è¡Œçš„ä¸Šå±‚ç½‘ç»œè½¯ä»¶ã€‚ä¸Šå±‚ç½‘ç»œè½¯ä»¶è¯»å…¥å¸§çš„ç±»åž‹å—æ®µï¼Œåˆ¤æ–这个信æ�¯å¸§æ˜¯ARP包还是IP包,然å�Žå†�交给ä¸�å�Œçš„å��è®®æ ˆå¤„ç�†ã€‚当其他的网络接å�£å�‘现目的地å�€ä¸Žå®ƒä»¬çš„地å�€ä¸�å�Œæ—¶ï¼Œå°±ä¼šå�œæ¢è¯»å…¥è¯¥å¸§ã€‚
  å�‘é€�æ•°æ�®æ—¶ï¼Œå°†å¾…å�‘é€�的数æ�®æŒ‰å¸§æ ¼å¼�å°�装,通过远程DMA通é�“é€�到RTL8019ASä¸çš„å�‘é€�缓冲区,然å�Žå�‘å‡ºä¼ é€�命令,完æˆ�帧的å�‘é€�。需è¦�设置以太网目的地å�€ã€�以太网æº�地å�€ã€�å��议类型,å†�按所设置的å��议类型æ�¥è®¾ç½®æ•°æ�®æ®µã€‚之å�Žå�¯åŠ¨è¿œç¨‹DMA,数æ�®å†™å…¥RTL8019ASçš„RAM,å†�å�¯åŠ¨æœ¬åœ°DMA,将数æ�®å�‘é€�到网上。RTL8019ASæ— æ³•å°†æ•°æ�®åŒ…通过DMA通é�“一次å˜å…¥FIFO,则在构æˆ�一个新的数æ�®åŒ…之å‰�必须先ç‰å¾…å‰�一数æ�®åŒ…å�‘é€�完æˆ�。为æ��高å�‘é€�效率,设计将12页的å�‘é€�缓å˜åŒºåˆ†ä¸ºä¸¤ä¸ª6页的å�‘é€�缓冲区,一个用于数æ�®åŒ…å�‘é€�,å�¦ä¸€ä¸ªç”¨äºŽæž„é€ ç«¯çš„æ•°æ�®åŒ…,交替使用。
4ã€� æ–‡ç« ç»“è¯
  éš�ç�€è®¡ç®—机技术ã€�网络技术的进æ¥å’Œä¸�æ–æ‹“展,21世纪的仪器概念将是一个开放的系统概念。以PC机和工作站为基础,通过组建网络æ�¥æž„æˆ�实用的测控系统,æ��高生产效率和共享信æ�¯èµ„æº�,已æˆ�为现代仪器仪表å�‘展的方å�‘ã€‚ç½‘ç»œåŒ–ä»ªå™¨çš„æ¦‚å¿µæ˜¯å¯¹ä¼ ç»Ÿæµ‹é‡�仪器概念的çª�ç ´ã€‚ä»ŽæŸ�ç§�æ„�义上说,计算机和现代仪器仪表已相互包容,计算机网络也就是通用的仪器网络。如果在测控系统ä¸ç”±æ›´å¤šä¸�å�Œç±»åž‹çš„æ™ºèƒ½è®¾å¤‡ä¹Ÿåƒ�è®¡ç®—æœºå’Œå·¥ä½œç«™ä¸€æ ·æˆ�为网络的节点è�”入网络,它们充分利用目å‰�已比较æˆ�熟的Internet网络的设备,则将ä¸�仅能实现更多资æº�的共享ã€�é™�低组建系统的费用,还å�¯æ��高测控系统的功能,并拓展其应用的范围。“网络就是仪器”的概念,确切的概述了仪器的网络化å�‘展趋势。
æ¦æ±‰ç§‘新电力设备公å�¸ä¸“业生产
试验�压器�
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