自动化仪表在国内研究现状 [关于新型自动化仪表几点研究]

来源:计划方案 发布时间:2019-03-12 05:35:57 点击:

  摘要:自动化仪表的设计,随着网络化和数字化的发展,呈现集成化、小型化的特点。本文介绍了各种嵌入式处理器的特点,结合嵌入式系统,对于软硬件协同设计,讨论了网络接入和实时操作处理,不仅可以完成传感测量、补偿计算和现实功能,还可以进行信息处理和自适应学习等智能功能,指出了嵌入式的网络智能化仪表是自动化仪表的发展趋势。
  关键词:嵌入式系统 自动化仪表 智能化 网络化
  
  近年来,微电子技术、计算机与通信技术飞速发展,自动化仪表也跨入新技术领域中,通信和网络技术、智能化技术和新型元器件应用对于自动化仪器影响很大,应用嵌入式的网络接入技术,不仅能完成远程控制和维护、对于预报故障和信息发布与共享等功能都可能实现。使得自动化仪表不仅具有传感测量、补偿计算、显示等功能,还具有更加强大的信息处理、比较推理、故障自诊断自测试、自学习自适应等智能化功能。嵌入式系统的应用,为仪器仪表行业的发展带来了发展前景。
  一、自动化仪表设计的新模式―――软硬件协同设计
  传统的仪器仪表设计程序是,首先对于系统的硬件设计,然后进行设计系统软件,再进行调试和测试。如果发现系统结构有错误或者硬件错误,才要修改会显得复杂而难以进行,一般需要重新进行设计,这样会对开发的进程有影响,使得开发周期变长,成本增加。
  软硬件协同设计即CoDesign,这是一种新的设计模式。在嵌入式系统的研究中,软件和硬件的开发是相辅相成的,对于软硬件进行功能划分,即先对系统功能进行描述,划分功能;在设计阶段,先对包括软硬件的嵌入式系统进行功能实现的一个验证,以确定功能和要求相符合,需要协同模拟和测试;最后才是软硬件的综合。
  这种思想很快速适应市场的需求,功能划分明确使得开发周期短,而且对于自动化仪表的设计有推动作用。对于嵌入式系统的开发,分成系统功能划分。软硬件设计、协同模拟和综合四个阶段:
  1.系统功能描述和划分:首先对系统的功能采用与编程语言无关的语言描述,比如采用初级语言进行,也可用算法级的描述语言来编写,以便对系统功能有效的模拟。
  2.软硬件功能分解:对系统进行软硬件的划分,对于限制条件和设计方向要有一定的考虑,对系统进一步划分,使得方案完善和合理。
  3.系统协同模拟:软件设计及综合及硬件设计及综合,通过同步机制和通信,对整个系统进行协同模拟,综合实现,并且能及时改正系统设计的问题。
  4.软硬件综合:协同模拟后,对软硬件综合集成,完成整个系统的设计。其中软件构件包括综合、编译和汇编等阶段;硬件构件包括硬件综合、逻辑综合和半途综合等不同阶段。软硬件协同设计方法采用并行设计和写作设计的思想,提高了设计效率,缩短了设计周期。
  嵌入式系统软硬件协同设计在系统层的步骤为:需求分析和定义产品,提取要求;概念层设计为系统模型的构造;体系结构层设计,是软硬件协同的综合过程;详细层设计师包括软硬件及界面的设计;系统设计评价。
  二、新型自动化仪表的核心―――高性能嵌入式处理器
  单片机等微型控制器是目前大多数自动化仪表中所采用的,随着其智能化程度增高,实现功能越来越复杂,对于嵌入式处理的要求更高,不仅要求体积和能耗降低,同时随着芯片和集成电路的发展,使得高性能处理器的价格也降低,所以新型仪器中可以使用高性能的嵌入式处理器。
  对于自动化仪表的设计,考虑数字滤波、谱分析和FFT,所以用编译效率高,执行速度快的指令比较适合,比如,摩托罗拉的DSP560000系列和TI的TMS320系列,嵌入式DSP处理器系统结构和指令,软件算法DSP具有执行速度快的特点。
  通过专业化的集成处理器可以实现很多外围功能,比如摩托罗拉的32位内核运算集成一个通信系统,包括支持不同通信协议的同步协议通道。ARM微型处理器种类很多,包括集成DSP协同处理器的,专用于通信的,支持Java功能的和专用于网络的等等,满足了各种不同的应用需要,用户可以根据需求,选择适合的嵌入微处理器,通过设计实现更多功能和算法。
  嵌入式Internet技术使自动化仪表实现网络化
  实现自动化仪表的网络化包括在网络上通信协议运算,需要计算机的运算速度较高,而大多数网络协议是TCP/IP,使用8位和16位的MCU,占用大量的系统资源,这使得自动化仪表与网络连接有一定的困难。所以需要采用更高性能的处理器以及更高性能的硬件平台,对现有仪器仪表进行网络化的解决方案。比如嵌入式微型互联网技术EMIT,即Embedded Micro Internet Technology,它是采用MCU系统通过emMicro emNet协议接入轻型网络,网络协议emGateWay、emNet协议主要是在采用PC或者嵌入式处理器作为网关,网络协议实现是主要放在该网关上的。
  这样增加了一个网关就可以解决嵌入式仪器上网的问题,网关可以作为提高嵌入式网络结构化的管理工具,管理多个嵌入式设备。通过嵌入式网络接入,使得新型仪器可以独立实现网络远程控制、数据采集、上传下载等功能。这样就释放了系统的潜力,不局限于同一地点的采集、分析和显示的固有模式,依靠分散的网络和网络技术,可以进行远程控制仪器,并且用户可以通过浏览器看到所需的信息
  嵌入式实时操作系统RTOS使自动化仪表产生质的飞跃
  实时操作系统在自动化仪表中,往往由于处理器功能和存储等限制,很难实现。随着各种嵌入式实时操作系统不断出现,对于硬件的配置要求,不是像之前功能多、成本低、比较复杂,要求实时操作系统对任务合理调度,实时性增强,效率提高,管理系统资源合理,使得自动化仪表可以支持网络协议,使得实时操作可行性增加。
  根据任务需要,从调度和内存的管理、任务切换和中断时间来衡量实时操作系统。对于硬件平台,需要嵌入式处理器的调度管理高效,对于软件部分,不依赖硬件,可以完成新的处理计算和显示等功能,实现人工智能处理的模块化,对于相应的输入和输出结果进行诊断分析,比较推理判断测试,通过自适应补偿来校准仪器的准确性,以来保证自身的准确度。
  新型自动化仪表的嵌入智能化系统,可以通过自学习去处理更复杂的测试控制程序,作为以软件为核心的智能虚拟机器,处理更多更复杂的程序。
  综上,嵌入式系统是今后各个领域发展的新的方向,对于新型自动化仪表来说,采用新的协同设计模式,选用嵌入式微处理器。可以开发和设计高级智能化网络化的仪器仪表,在实时操作系统的强大支持下,技术将越来越成熟。
  
  

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