智能仪表技术及其发展趋势
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇智能仪表技术及其发展趋势范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】从智能仪表相对传统仪表的优势出发，分析了智能仪表的构成，提出了智能仪表设计的设计思路，并通过分析智能仪表技术的优势和特点，展望了智能仪表的未来发展方向。
【关键词】智能仪表；微处理器；中断处理；
1 智能仪表的概念
微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代具有某种智能的灵巧仪表。这类仪表的设计重点，已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的微机模板或微机功能部件、接口电路和输入偷出通道的设计，以及应用软件的开发。
这类仪表已经实现人脑的一部分功能，例如四则运算、逻辑判断、命令识别等，有的还能够进行自校正、自诊断，并具有自适应、自学习的能力，因此习惯上称之谓“智能仪表”。但“智能化”的水平高低不一，目前所见的一部分这类产品，智能化的程度还不高，需要不断改进和完善。随着科学技术的进步发展，这类仪表所具有的智能水平将会越来越高。一些新技术新器件，如32位RISC处理器、DSP、ARM、大容量存储器、嵌入式实时操作系统等的不断涌现，将对智能仪表的发展起到极大的推动作用。
2 智能仪表的设计
2.1 智能仪表的构成
通常，智能仪表由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括MCU、过程输入偷出通道（模拟量输入辟俞出通道和开关量输入偷出通道）、人机交互部分和接口电路以及USB、Internet、GPRS、短消息数据通信接口等。主机电路用来存储数据、程序，并进行一系列运算处理，它通常由微处理器、ROM、RAM、FlashFRAM、I／O接口和定时／计数电路等芯片组成，或者它本身就是一个单片机或嵌入式系统。模拟量输入输出通道用来输入偷出模拟信号；数字量输入／输出通道用于输入德出数字信号。人机交互部分是操作者与仪表之间的桥梁，通信接口则用来实现仪表与外界的数据交换功能，进而实现网络化互联的需求。外部时序／逻辑扩展部分常用CPLD／FPGA等器件来扩展CPU的功能。显示／打印模块用于外接打印机和LCD／LED。
智能仪表的软件通常包括监控程序、中断处理（或服务）程序以及实现各种算法的功能模块。监控程序是仪表软件的中心环节，它接收和分析各种命令，管理和协调全部程序的执行；中断处理程序是在人机交互部分或其它设备提出中断申请并为主机响应后直接转去执行的程序，以便及时完成实时处理任务；功能模块用来实现仪表的数据处理和控制功能，包括各种测量算法（例如数字滤波、标度变换、非线性校正等）和控制算法（PID控制、前馈控制、纯滞后控制、模糊控制等）。
2.2 设计过程和要点
研制与开发一台智能仪表是一个复杂的过程，这一过程包括：分析仪表的功能要求和拟制总体设计方案，确定硬件结构和软件算法，研制逻辑电路和编制程序，以及仪表的调试和性能功能测试等。为保证仪表质量和提高研制效率，应在正确的设计思想指导下进行仪表研制的各项工作。
2.2.1 模块化设计
依据仪表的功能、精度要求和经济技术指标，自上而下（或由大到小）按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计与调试，然后把它们连接起来，进行总调，这就是设计仪表的最基本的思想。
通常把硬件分为主机、过程通道、人机联系部件、通信接口、传感器及工作电源等几个模块；而把软件分成监控程序（包括初始化、键盘与显示管理、中断管理、时钟管理、自诊断等）、中断处理程序及各种测量和控制算法等功能模块。这些硬件和软件模块还可以根据所设计的仪表的特殊性与特殊功能继续细分，由下一层次的更为具体的模块来支持和实现。模块化设计的优点是：无论硬件还是软件，每个模块都相对独立，故能独立地进行研制和修改，从而使复杂的研制工作得到简化。同时模块化设计方式有助于研制工作的分解和设计研制人员之间的分工合作，从而提高了工作效率和研制速度。
2.2.2 模块的连接
上述各种软、硬件研制和调试之后还需要将它们按一定的方式连接起来，才能构成完整的仪表，以实现既定的各种功能。软件模块的连接一般是通过监控主程序调用各种功能模块，或采用中断的方法实时地执行相应服务模块来实现。
硬件模块连接方式有两种：一种是以主机模块为核心，通过设计者自行定义的内部总线（数据总线、地址总线和控制总线）连接其它模块；另一种是以标准总线连接其它模块（例如STD总线等）。第一种方法由设计人员自行研制模板，电路结构简单，硬件成本低；第二种方法，设计人员可选用商品化模块，配接灵活、方便，研制周期短，但硬件成本高。
3 智能仪表的发展趋势
智能仪表建立在微电子技术发展的基础上，超大规模集成电路的嵌入，将CPU、存储器、A／D转换、输入／输出等功能集成在一块芯片上，甚至将PID控制组件也置入其中。加之现场总线的应用，智能仪表与控制系统之间的数字通讯将替代以往的模拟传递，大大提高了精度和可靠性，避免了模拟信号在传输过程中的衰减，长期难以解决的干扰问题得到解决。此外，由于数字通讯，节省了大量电缆、安装材料和安装费用。正是由于这些有利条件，推动着智能仪表不断发展。
3.1 传感器技术
传感器技术是保证智能仪表测量控制系统准确可靠的前提。目前，随着集成电路制造技术和材料科学的发展，传感器正向小型化、低功耗、网络化的方向发展，准确性和稳定性也有了很大的提高。其中，网络传感器技术IST（Internet Sensor Technology）是倍受世界关注的新兴科技领域。在新的世纪里必将引起一场技术革命。此外，纳米技术的研究和开发，也是由于光电子检测技术的提高和发展，才使其成为可能。
3.2 测量仪表技术
测量仪表在计算机控制系统出现以后，近几十年来，其核心一般采用各类单片机，如Intel 80C51 80C196，MotorolaMC68等，其信号传送一般采用4-20mA的电流信号形式.需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。这种传输方法使用的导线多，现场安装及调试的工作量大.投资高，传输精度和抗干扰能力较低，不便维护。主控室的工作人员无法了解现场仪表的实际情况，不能对其进行参效调整和故障诊断，所以处于最底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节，即便是DCS和PLC系统也没有解决这个问题。近年来，随着通讯和网络技术的飞速发展，以及1EC61158国际标准的形成，现场总线技术应运而生，该技术虽然刚刚兴起，但却代表着智能仪器仪表的发展方向，势必成为智能仪器仪表的主流。
3.2.1 DCS与PLC的广泛应用目前，对于石油、电力、冶金等企业大型测量控制系统，广泛采用的是分散控制系统DCS，其与现场测量部分与常规仪表并投有很大差别。仍然需要大量测控电境接人监控和组态.同时其控制算法和逻辑可灵活配置.可对通道进行诊断等。目前许多DCS厂家都在努力改进其产品的通讯与开放性.但其固有特点决定了其产品的落后。而PI.C则范围小一些，尽管现代的PLC已不仅仅是逻辑控制.但其模拟量控制测点容量小，价格高，一般仍然应用于与开关量和逻辑控制为主的场合，但由于有些PLC支持现场总线，其前景要较常规DCS好一些。
3.2.2 软仪表——虚拟仪器技术
以美国国家NI（National Instruments）为代表，提出了Software is Instrumentation“软件即是仪器”的思想，其棱心是采用通用测量I／O卡，通过软件编程来实现仪表的功能，如软示渡器，测试系统等，充分利用软件的灵活性和智能性，可以减少投资和快速组建测试系统。
3.3 现场总线技术
现场总线技术是一种先进的现场工业控制技术，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术.网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的点对点式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全效字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。现场总线则是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是智能仪表FCS把传统Dcs的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成效据采集、散据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的散据和诊断效据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。现场总线技术势必成为智能仪表的发展主流。