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智能儀�
閱讀�11990時間�2010-09-25 14:46:40

  微電子技�(shù)和計算機(jī)技�(shù)的不斷發(fā)�,引起了儀表結(jié)�(gòu)的根本性變�,以微型計算�(jī)(單片機(jī))為主體,將計算�(jī)技�(shù)和檢測技�(shù)有機(jī)�(jié)�,組成新一代“智能化儀表�,在測量過程自動�、測量數(shù)�(jù)處理及功能多樣化方面與傳�(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較,取得了巨大�(jìn)�。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題,還能簡化儀表電�,提高儀表的可靠性,更容易實�(xiàn)高精�、高性能、多功能的目�。隨著科�(xué)技�(shù)的�(jìn)一步發(fā)�,儀表的智能化程度將越來越高,例如深圳科立恒公司的智能儀�,不但能完成多種物理量的精確顯示,同時可以帶變送輸��繼電�控制輸出、通訊、數(shù)�(jù)保持等多種功能�

  智能儀表和智能傳感�一般是用在�(xiàn)�總線系統(tǒng)�,這種儀表和傳感��(nèi)部嵌入的有通訊模塊和控制模塊,可以完成�(shù)�(jù)采集,數(shù)�(jù)處理和數(shù)�(jù)通訊功能,說白了就是在普通的儀表和傳感器上加了個單片機(jī)�

�(chǎn)品特�

  1、測量不受流體密度、粘�、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的影響�

  2、測量管�(nèi)無阻礙流動部�,無壓損,直管段要求較低�

  3、系列公稱通徑DN15~DN3000。傳感器襯里和電極材料有多種選擇�

  4、轉(zhuǎn)換器采用新穎勵磁方式,功耗低、零點穩(wěn)�、精確度�。流量范圍度可達(dá)1500�1�

  5、轉(zhuǎn)換器可與傳感器組成一體型或分離型�

  6、轉(zhuǎn)換器采用16位高性能微處理器�2x16LCD顯示,參�(shù)�(shè)定方便,編程可靠�

  7、流量計為雙向測量系�(tǒng),內(nèi)裝三個積算器:正向總�、反向總量及差值總量;可顯示.�、反流量,并具有多種輸出:電�、脈�、數(shù)字通訊、HART�

  8、轉(zhuǎn)換器采用表面安裝技�(shù)SMT,具有自檢和自診斷功能;

CAN接口�(shè)�

  1 前言

  在計算機(jī)�(shù)�(jù)傳輸�(lǐng)域內(nèi),長期以來使用RS-232通信�(biāo)�(zhǔn),盡管它們被廣泛的使�,但卻是一種低�(shù)�(jù)速率和點對點的數(shù)�(jù)傳輸�(biāo)�(zhǔn),無能力支持更高層次的計算機(jī)之間的功能操作。同�,在�(fù)雜或大規(guī)模應(yīng)用中(如工業(yè)�(xiàn)場控制或生產(chǎn)自動化領(lǐng)域),需要使用大量的傳感�、執(zhí)行器和控制器等,它們通常分布在非常廣的范圍內(nèi),所以,在層上的確需要設(shè)計出一種造價低廉而又能經(jīng)受工�(yè)�(xiàn)場環(huán)境的通信系統(tǒng),現(xiàn)場總線(Field Bus)在這種背景下產(chǎn)生了�

  �(xiàn)場總線是連接智能�(xiàn)場設(shè)備和自動化系�(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支�(jié)�(gòu)的通信�(wǎng)�(luò)。其�?fù)浣Y(jié)�(gòu)如圖一。現(xiàn)場總線技�(shù)�70年代誕生至今,由于它在減少系�(tǒng)線纜,簡化系�(tǒng)安裝、維�(hù)和管�,降低系�(tǒng)的投資和運行成本,增�(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的�(yōu)越�,引起人們的廣泛注意,得到大范圍的推�

智能儀表拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

  CAN是一種有效支持分布式控制�?qū)崟r控制的串行通信�(wǎng)�(luò),最初是由德國BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系�(tǒng)而設(shè)計的。由于CAN總線本身的特�,其�(yīng)用范圍目前己不再局限于汽車行業(yè),而向過程工業(yè)、機(jī)械工�(yè)、紡織機(jī)�、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器�、傳感器及智能儀表等�(lǐng)域發(fā)展�

  智能儀表是自動化學(xué)科的重要組成部分。隨著科�(xué)技�(shù)的迅速發(fā)�,尤其是微電子、計算機(jī)和通信技�(shù)日新月異的變�,智能儀表向著數(shù)字化、網(wǎng)�(luò)化和智能化方向發(fā)�,智能儀表一方面可以�(jìn)行人�(jī)對話及與外部儀器設(shè)備對�,通過�(xiàn)場總線接連入自動測試系統(tǒng)。另一方面,使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏,可用對話方式選擇測量功能、設(shè)置參�(shù)。當(dāng)�,通過總線中的工業(yè)計算�(jī)也可獲得測量節(jié)點的�(shù)�(jù)�

  2  CAN的接口設(shè)�

  CAN總線是一種串行數(shù)�(jù)通信�(xié)議,在CAN總線通信接口中集成了CAN�(xié)議的物理層和�(shù)�(jù)鏈路層功�,可以完成對通信�(shù)�(jù)成幀處理。CAN總線接口的具體的電路�(shè)計如�1所示�

  筆者用SJA1000作為流量計的CAN控制�,與CPU(單片機(jī))的I/O口直接相�,再通過PCA82C250組成CAN總線。這種�(jié)�(gòu)很容易實�(xiàn)CAN�(wǎng)�(luò)節(jié)點中的信息收�(fā),從而實�(xiàn)對現(xiàn)場的控制�

  SJA1000的AD0~AD7連接到MSP420F149的P0�,INT接到P1.0�/CS接到P1.1�/RD連接到P1.2�/WR連到P1.3,ALE連到P1.4,SJA1000的RX0與TX0分別通過兩個高速光耦CNW137與PCA82C250相連后,連到CAN總線��

  PCA82C250為CAN總線收發(fā)�,是CAN控制器與CAN總線的接口器�,對CAN總線差分方式�(fā)�,其RS引腳用于選擇PCA82C250的工作方式:高速方式、斜率方�。RS接地為高�,RS引腳串接一個電阻后再接�,用于控制上升和下降斜率,從而減小射頻干�。RS引腳接高電平,PCA82C250處于等待狀�(tài)。此�,發(fā)送器�(guān)�,接收器處于低電流工作,可以對CAN總線上的顯性位做出反應(yīng),通知CPU。實驗數(shù)�(jù)表明15�200K為較理想的取值范圍,在這種情況�,可以使用平行線或雙絞線作總線,本文中PCA82C250的斜率電阻為�30K�

  CNW137為高速光耦,速度�10Mbps,用于保�(hù)CAN總控制器SJA1000。CAN總線的終端匹配電阻起相當(dāng)重要的作�,不合適的電阻會使數(shù)�(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低,甚至無法通信,范圍為108�132Ω,本文使用的電阻�124Ω�

  2.1 SJA1000的功�

  CAN通信�(xié)議主要由CAN控制器完�。SJA1000是適用于汽車和一般工�(yè)�(huán)境控制器局域網(wǎng)(CAN)的高集成度獨立控制器,具有完成高性能通信�(xié)議所要求的全部必要特�,具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)�(jù)鏈路層的所有功�,應(yīng)用層功能可由微控制器完成,SJA1000為其提供了一個多用途的接口�

  SJA1000是一個獨立的CAN控制�,它是Philips公司另一個CAN控制器PCA82C200的后繼產(chǎn)�,在軟件和引腳上均與PCA82C200兼容。但它不僅僅是PCA82C200的一個簡單替代產(chǎn)�,它增加了許多新的功�,使得其性能更佳,尤其適用于對系�(tǒng)�(yōu)化、診斷和維護(hù)要求比較高的場合�

  SJA1000的功能框圖如�2所�,由以下幾部分構(gòu)成:接口管理邏輯;發(fā)送緩沖器,能夠存�1個完整的報文(擴(kuò)展的或標(biāo)�(zhǔn)的);驗收濾波器;接收FIFO;CAN核心模塊�

功能框圖

  2.2 82C250

  SJA1000的一端與單片�(jī)相連,另一端與CAN總線相�。但�,為了提高單片機(jī)對CAN總線的驅(qū)動能力,可以�82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口,以提供對總線的差動�(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力�82C250的主要特性如下:

  ·與ISO/DIS11898�(biāo)�(zhǔn)兼容�

  ·高�(可達(dá)1 Mb/s )�

  ·具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾和保護(hù)總線能力�

  ·降低射頻干擾的斜率控� �

  ·熱保�(hù)�

  ·防護(hù)電池與地之間�(fā)生短� �

  ·低電流待�(jī)方式�

  ·某個節(jié)點掉電不會影響總� �

  ·可有110個節(jié)點相連接�

  3  CAN通信程序框圖

  SJA1000操作期間,在上電之前必須配置控制線路(中�、復(fù)�、片選等)用于建立與CAN控制器之間�(jìn)行通信的硬件連接。初始化、CAN通信采用中斷方式�(shù)�(jù)�(fā)送和接收子程�,其流程如圖3、圖4和圖5所示�

流程

  如果在上電后獨立CAN控制器在引腳17得到1個復(fù)位脈沖(低電平),它能夠�(jìn)入復(fù)位模�。在對SJA1000寄存器設(shè)置前,CAN控制器通過讀�(fù)位模式/請求�(biāo)志來檢查是否已達(dá)到復(fù)位模�,因為要配置信息的寄存器僅在�(fù)位模式才能寫�,涉及對控制寄存�(CR),驗收碼寄存�(ACR ),驗收屏蔽寄存器(AMR ),總線定時寄存器(BTRO和BTR1)和輸出控制寄存器(OCR)的初始化編程�

  時鐘分頻寄存�,可以選擇BasicCAN或PeliCAN工作模式,設(shè)置CLKOUT管腳使能用來選擇頻率,設(shè)置是否使用旁路CAN輸入比較器和是否使用TX 1輸出被用作專門的接收中斷輸��

  驗收代碼和驗收屏蔽寄存器的設(shè)置可以過濾信�,為收到的信息定義驗收代碼為和驗收代碼相�(guān)位比較定義驗收屏蔽代��

  總線定時寄存�,定義總線上的位速率。輸出控制寄存器定義CAN總線輸出管腳TX0和TX1的輸出模�,定義TX0和TX1輸出管腳配置是懸空、下�、上拉或推挽以及極�。中斷寄存器�(shè)置允許識別的中斷源�

  4  �(jié)�

  多個智能儀表與通過CAN接口與PC�(lián)系成總線�(wǎng),系�(tǒng)運行良好。這種基于�(xiàn)場總線的智能儀表系�(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、性能可靠,無論是測量速度、精確度、自動化程序還是性價比都是傳�(tǒng)儀表不能比擬的,是今后儀器儀表發(fā)展的方向�

�(yōu)勢和特點

  智能儀表在工業(yè)自動化領(lǐng)域的廣泛�(yīng)用得益于其突出的技�(shù)�(yōu)勢和特點,諸如其高穩(wěn)定�、高可靠�、高精度、易維護(hù)�。以智能變送器為例,智能儀表具備如下優(yōu)點:

  (1) 精度�

  智能變送器具有較高的精�。利用內(nèi)裝的微處理器,能�?qū)崟r測量出靜�、溫度變化對檢測元件的影響,通過�(shù)�(jù)處理,對非線性�(jìn)行校�,對滯后及復(fù)�(xiàn)性�(jìn)行補(bǔ)償,使得輸出信號更精�。一般情�,精度為量程的�0.1[%],數(shù)字信號可�(dá)±0.075[%]�

  (2) 功能�(qiáng)

  智能變送器具有多種�(fù)雜的運算功能,依賴內(nèi)部微處理器和存儲�,可以執(zhí)行開�、溫度壓力補(bǔ)償及各種�(fù)雜的運算�

  (3) 測量范圍�

  普通變送器的量程比�10:1,而智能變送器可達(dá)40:1�100:1,遷移量可達(dá)1900[%]�-200[%],減少變送器的規(guī)�,增�(qiáng)通用性和互換性,給用戶帶來諸多方��

  (4) 通信功能�(qiáng)

  智能變送器均可實現(xiàn)手操器�(jìn)行操�,既可在�(xiàn)場將手操器插到變送器的相�(yīng)插孔,也可以在控制室將手操器連接到變送器的信號線�,�(jìn)行零點及量程的調(diào)校及變更。有的變送器具有模擬量和�(shù)字量兩種輸出方式(如HART�(xié)�),為實現(xiàn)�(xiàn)場總線通訊奠定了基�(chǔ)�

  (5) 完善的自診斷功能

  通過通信器可以查出變送器自診斷的故障�(jié)果信��

及其技�(shù)的發(fā)展歷�

  歷經(jīng)以模擬技�(shù)為特征的電動單元組合儀表、以�(shù)?;旌霞夹g(shù)為特征的DDZ-S系列儀表的開發(fā)后,1983�,美國霍尼韋爾公司向制造工�(yè)率先推出了新一代智能型壓力變送器,這標(biāo)志著模擬儀表向�(shù)字化智能儀表的�(zhuǎn)�。當(dāng)時的這種智能變送器已具有高精度、遠(yuǎn)距離校驗和靈活組�(tài)的特�,并告知用戶:盡管初期購置費用較�,但會被較低的運行和維護(hù)費用所�(bǔ)�。緊隨其后的十年里,國外其他公司的智能壓力變送器也陸�(xù)在一些生�(chǎn)線上被采�,它們包括:Rosemount、Foxboro、YOKOGAWA、Siemens、E&H、Bailey、Fuji和ABB�。但由于缺少高速的智能通訊�(biāo)�(zhǔn)、用戶對于高精度�(jiān)控要求并不突�、培�(xùn)等服�(wù)�(jī)制相對薄�,當(dāng)時的智能�(yīng)用并不樂觀,只占到了約20[%]的市��

  隨著微電�、計算機(jī)、網(wǎng)�(luò)和通訊技�(shù)的飛速發(fā)展以及綜合自動化程度的不斷提�,目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的智能儀�,其技�(shù)也同樣在過去的二十多年里得到了迅猛的�(fā)�。目前國外智能儀表占�(jù)了國際應(yīng)用市場的絕大比重,如何結(jié)合目前智能儀表的工業(yè)�(yīng)用經(jīng)驗并快速跟蹤國際智能前沿技�(shù)�(yīng)用于我國智能儀表的開發(fā)研究成為振興民族智能儀器儀表的一大突出問��

對于技�(shù)及其�(yīng)用未來發(fā)展方向的建議

  (1)智能儀表的智能化程度有待�(jìn)一步提�

  智能儀表的智能化程度表征著其應(yīng)用的廣度和深�,目前的智能儀表還只是處于一個較低水平的初級智能化階段,但某些特殊工藝及�(yīng)用場合則對儀表的智能化提出了較高的要�,而當(dāng)前的智能化理�,如:神�(jīng)�(wǎng)�(luò)、遺傳算�、小波理�、混沌理論等已經(jīng)具備潛在的應(yīng)用基�(chǔ),這就意味著我們有必要也有能力�(jié)合具體的�(yīng)用需要下大氣力開�(fā)智能化的儀表技�(shù)�

  (2) 智能儀表的�(wěn)定�、可靠性有待長期和持續(xù)的關(guān)�

  儀表運行的�(wěn)定性、可靠性是用戶首要�(guān)心的問題,智能儀表也不例�,隨著智能儀表技�(shù)的不斷拓展、新型的智能儀表也將陸�(xù)投放市場,這需要我們始終把握一個原則:每一項智能新技�(shù)的應(yīng)用有待實踐的檢驗,是否用戶有信心和勇氣敢于做“個吃螃蟹的人�。這就需要安全性、可靠性技�(shù)的并行開�(fā)�

  (3) 智能儀表的潛在功能�(yīng)用有待化

  目前工業(yè)自動化領(lǐng)域的實際�(yīng)用尚未將智能儀表的功能�(fā)揮化,而更多的只是�(yīng)用了其總體功能的半數(shù)左右,而這一�(yīng)用現(xiàn)狀的主要原因是,控制系�(tǒng)的總體架�(gòu)忽略了諸如現(xiàn)場總線的技�(shù)�(yōu)勢,這需要儀表廠商與用戶建立良好的合作伙伴關(guān)�,加�(qiáng)長期合作,以短期投資促長期效�,通過建立“智能儀表現(xiàn)場總線”的控制系統(tǒng)架構(gòu),確立優(yōu)化的投資觀�,達(dá)成和諧共贏的目標(biāo)�

  (4) 繼續(xù)加大國內(nèi)智能儀表的開發(fā)投入

  智能儀表技�(shù)及應(yīng)用還需要經(jīng)歷一個較為漫長的成熟�(fā)展期,而對于國�(nèi)智能儀表技�(shù)及產(chǎn)品開�(fā)已經(jīng)面臨著更大的挑戰(zhàn),這種局面召喚著國內(nèi)儀表行�(yè)共同探討智能儀表的�(fā)展問�,應(yīng)對激烈的國際競爭市場,擔(dān)�(fù)儀表產(chǎn)�(yè)的歷史使�,在日益�(yōu)厚的國家及政府扶持政策下,堅持產(chǎn)、學(xué)、研的密切結(jié)�,繼�(xù)加大國內(nèi)智能儀表的開發(fā)投入,積聚力量,贏在明天�

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