自動(dòng)化儀器儀表及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)融合對策

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摘要：如今，先進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已在社會(huì)中廣泛使用，特別是在一些傳統(tǒng)工業(yè)中的工業(yè)控制系統(tǒng)中有無數(shù)的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)信息的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了基于信息測量與控制的自動(dòng)化設(shè)備。先進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化設(shè)備，并為儀器行業(yè)帶來了更大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化儀器儀表；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；融合應(yīng)用；嵌入式儀器儀表

1概述

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)儀器行業(yè)也得到了極大的發(fā)展。結(jié)合計(jì)算機(jī)領(lǐng)域功能的自動(dòng)化儀器的基本功能是測量社會(huì)和生活中的各種物質(zhì)，以了解物質(zhì)的特性和變化的規(guī)律等，因此將計(jì)算機(jī)技術(shù)以更高的水平引入實(shí)際測量中，可以使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確和自動(dòng)化。今天，先進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及先進(jìn)的信息技術(shù)的先進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用為自動(dòng)化儀表的發(fā)展帶來了巨大的優(yōu)勢并極大地拓寬了市場。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅應(yīng)改進(jìn)和完善系統(tǒng)程序和軟件，還應(yīng)為工具的開發(fā)提供高質(zhì)量的服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)高效、便捷和功能多樣化。

2嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)較為依賴于當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，并且主要適用于專業(yè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)的功能、成本、可靠性和損耗提出了更高的要求，其最大的優(yōu)勢是可以根據(jù)客戶的需求適當(dāng)?shù)囟ㄖ栖浖陀布Ｔ撓到y(tǒng)體積小，能耗少，集成度高。在運(yùn)行過程中，整個(gè)系統(tǒng)可以不斷簡化，智能化并聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化。到目前為止，嵌入式計(jì)算機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了芯片、標(biāo)準(zhǔn)總線、PC總線和先進(jìn)高級的嵌入式技術(shù)的開發(fā)階段。在計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷快速更新和發(fā)展中，先進(jìn)的嵌入式計(jì)算機(jī)微處理器成為了人們廣泛關(guān)注的對象，系統(tǒng)的核心是幾個(gè)任務(wù)的同時(shí)操作。結(jié)合目前智能控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的優(yōu)勢，嵌入式計(jì)算機(jī)微處理器對行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，并為整個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶來了市場。

3新型自動(dòng)化儀表的核心趨勢

先進(jìn)高級的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合使儀器和儀表可以具有多種功能，例如測量和檢測、計(jì)算和補(bǔ)償，工程量處理以及故障診斷等。同時(shí)，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以通過遠(yuǎn)程控制檢測和修復(fù)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。在將設(shè)備管理引入高級嵌入式系統(tǒng)之前，這些功能無法實(shí)現(xiàn)。在高級嵌入式系統(tǒng)中，芯片、總線、接口是測量的關(guān)鍵要素，在嵌入式系統(tǒng)為技術(shù)支持的基礎(chǔ)上，測量行業(yè)將持續(xù)發(fā)展并塑造特定的特征和趨勢。

4儀器儀表中應(yīng)用方案

4．1方案特點(diǎn)

（1）實(shí)時(shí)性好。在一些特定客戶獲取結(jié)果時(shí)，嵌入式系統(tǒng)可能會(huì)有延遲的現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)更加注意此因素。（2）可靠性高。如果嵌入式系統(tǒng)發(fā)生故障，則對系統(tǒng)的可靠性有嚴(yán)格的要求，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)可能會(huì)癱瘓，并且可能會(huì)造成巨大損失。（3）整合水平要高。如果嵌入式系統(tǒng)是高度集成的，可以減少占用面積并提高開發(fā)效率。（4）低功耗。一些移動(dòng)和便攜式設(shè)備需要安裝電池才能工作，因此耗電量需要做到盡可能的低。（5）較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。儀器儀表很少能抵抗環(huán)境干擾，并且通?？垢蓴_能力極差，特別是對光、熱和電等因素。因此，必須采取合理的抗干擾措施以減少這種情況的發(fā)生。

4．2開發(fā)過程

（1）以目標(biāo)產(chǎn)品的功能為基礎(chǔ)。具體來說，嵌入式系統(tǒng)的主要目標(biāo)是：根據(jù)目標(biāo)分析的各種功能，我們使用相應(yīng)的手段，例如數(shù)據(jù)收集、控件實(shí)現(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)定義等。（2）基于所需的產(chǎn)品功能選擇軟件和硬件。（3）嵌入式開發(fā)過程分為4個(gè)階段。1）軟件開發(fā)，用于直接硬件控制。2）對沒有圖形用戶界面的程序的開發(fā)。3）圖形界面的通用程序開發(fā)。4）先進(jìn)的軟件開發(fā)。

5高級嵌入式計(jì)算機(jī)硬軟件設(shè)計(jì)和選型

5．1硬件

選擇高端嵌入式微處理器時(shí)，要考慮許多因素。首先是價(jià)格、性能、功耗等其他設(shè)備本身的因素。其次，還應(yīng)考慮工程師過去在處理器方面的經(jīng)驗(yàn)。在控制成本的過程中，我們需要從整體開始，而不僅僅是關(guān)注某些方面。因?yàn)橐粋€(gè)高速CPU會(huì)使成本成倍的增加。

5．2軟件

具有多種要求的微內(nèi)核技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括靈活性、配置、可伸縮性和可移植性、高可靠性和高實(shí)時(shí)性等，都是它需要考慮的因素。但是它可以應(yīng)用于多個(gè)版本的CPU，并且十分適用自動(dòng)化設(shè)備的高級嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前，這項(xiàng)技術(shù)主要包括PSOS，VRTX，QNX，Linux。（1）在對RTOS系統(tǒng)評估時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種因素。通?？梢酝ㄟ^調(diào)度機(jī)、內(nèi)存、時(shí)間等來判斷。（2）軟件開發(fā)過程中的注意事項(xiàng)如下：首先，需要一個(gè)良好的開發(fā)環(huán)境。C和C++編程語言通常更適合在實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件開發(fā)中應(yīng)用；其次，要滿足用戶的需求，實(shí)現(xiàn)圖形功能；最后，將網(wǎng)絡(luò)和通信功能集成到系統(tǒng)操作中。

6案例分析

某煉油化工公司分析各種專用設(shè)備以開發(fā)一種新型儀器儀表，并提出了反映實(shí)際需求的高級通用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃。（1）需要使質(zhì)量儀器控制器具有3個(gè)功能：1）實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和流量的測量；2）儀表的具有靈活的控制功能；3）在線儀器儀表具有輸入、輸出、智能等多功能的特點(diǎn)，可以從控制中心接收命令，并向控制中心發(fā)送信息和傳感結(jié)構(gòu)，可以在整個(gè)過程中實(shí)時(shí)顯示圖像。（2）用各種信號電源板組成通用控制系統(tǒng)，如嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電源驅(qū)動(dòng)器、IO板、信號調(diào)節(jié)板等。高端嵌入式計(jì)算機(jī)可以使用市售的主板，畢竟開發(fā)成本不能太過昂貴，并且應(yīng)在內(nèi)部設(shè)計(jì)一些調(diào)節(jié)板和驅(qū)動(dòng)器以實(shí)現(xiàn)儀器所需的功能?？刂破鬈浖ㄒ粋€(gè)基本程序（主程序）和3個(gè)服務(wù)程序。主程序的工作流程是：首先分析設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)，然后標(biāo)記輔助設(shè)備的參數(shù)，以使系統(tǒng)正常工作，并在其他3個(gè)過程中扮演調(diào)度和管理的角色。設(shè)備IO服務(wù)程序的功能在主程序中。它在管理下執(zhí)行底層IO任務(wù)和后臺任務(wù)。面板鍵盤服務(wù)程序的操作模式和狀態(tài)與IO服務(wù)程序相似，并且設(shè)備的面板鍵盤通過中斷進(jìn)行管理。最后，設(shè)備功能服務(wù)程序設(shè)計(jì)設(shè)備和該設(shè)備的特殊服務(wù)程序，根據(jù)該特殊功能在后臺運(yùn)行，并由主程序直接控制和管理。（3）在開發(fā)新的自動(dòng)化設(shè)備時(shí)，使用通用控制器系統(tǒng)使新設(shè)備的外觀更加美觀、方便、易于操作，同時(shí)可以滿足設(shè)備的各種功能。

7自動(dòng)化儀器儀表計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)融合設(shè)計(jì)

用于自動(dòng)化儀器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件包括多種功能，例如數(shù)據(jù)收集、處理、統(tǒng)計(jì)和分析等。在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，計(jì)算機(jī)和外部接口、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理能力都應(yīng)當(dāng)是工作人員需要考慮的內(nèi)容，但是以往后者經(jīng)常被忽視。因此，在設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化儀器的計(jì)算機(jī)控制軟件的過程中，設(shè)計(jì)人員可以基于間接代碼、便捷界面和可擴(kuò)展的程序的原則選擇合理的程序開發(fā)語言。例如在鋼鐵制造中的自動(dòng)化儀器儀表與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)融合應(yīng)用，可以根據(jù)鋼坯溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的特性，使用VB語言。選擇語言后，可以在啟動(dòng)后設(shè)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面。通常，應(yīng)將整個(gè)自動(dòng)化儀器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)視界面的背景色設(shè)置為深色，并將主要圖形數(shù)據(jù)設(shè)置為淺色，以使現(xiàn)場儀器的檢測信息引人注目，同時(shí)避免檢測人員的視覺疲勞的現(xiàn)象出現(xiàn)。在主監(jiān)控界面的過程仿真階段，設(shè)計(jì)人員可以使用VB語言動(dòng)畫設(shè)計(jì)功能來模擬和優(yōu)化過程流程。數(shù)據(jù)庫在自動(dòng)化儀器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中占有非常重要的位置。自動(dòng)化儀器的數(shù)據(jù)可以存儲和分析、統(tǒng)計(jì)、查詢等。因此，在建立基本軟件系統(tǒng)后，相關(guān)人員可以使用數(shù)據(jù)庫控制來操作自動(dòng)儀表計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合鋼廠生產(chǎn)中鋼坯溫度自動(dòng)監(jiān)控的要求，通過有機(jī)集成多個(gè)數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。查詢指定時(shí)間段內(nèi)的所有設(shè)備記錄。在建立數(shù)據(jù)庫和主監(jiān)控界面之后，相關(guān)人員可以使用VB中的窗體打印功能。根據(jù)所見即所得的原理，在窗體上打印操作所有內(nèi)容。在監(jiān)控預(yù)警設(shè)置模塊中，相關(guān)人員可以配合現(xiàn)場控制程序，根據(jù)實(shí)際工藝進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)控制，進(jìn)行合理的預(yù)警模塊設(shè)計(jì)。

8自動(dòng)化儀器儀表與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)現(xiàn)舉例

在基本模塊設(shè)計(jì)完成后，為保證系統(tǒng)調(diào)試能穩(wěn)定運(yùn)行，相關(guān)人員可以選擇PID整定參數(shù)作為出發(fā)點(diǎn)，以不斷優(yōu)化和改進(jìn)控制過程。傳統(tǒng)工藝如在鋼鐵制造中，調(diào)試坯料溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的常用方法是根據(jù)溫度-時(shí)間曲線設(shè)置溫度控制功能的反復(fù)試驗(yàn)方法。理論上的溫度控制曲線促進(jìn)了真實(shí)鋼鐵生產(chǎn)中坯料溫度變化模式的動(dòng)態(tài)指示。在獲得鋼坯溫度與理論曲線的重合度后，記錄并存儲實(shí)際溫度，將積分系數(shù)和微分系數(shù)設(shè)為0，并調(diào)整比例系數(shù)以促進(jìn)鋼坯溫度曲線的周期性變化?；谧詣?dòng)儀表計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的多通道采樣和輸出特性，相關(guān)人員可以根據(jù)單個(gè)控制單元的操作選擇不同的通道號，并編譯相應(yīng)的程序。實(shí)現(xiàn)一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制多臺自動(dòng)化儀表，提高自動(dòng)化儀表的控制效率和應(yīng)用率，并降低能耗性。

9結(jié)語

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)已在社會(huì)中得到廣泛應(yīng)用，就其影響力而言，這些系統(tǒng)的生產(chǎn)在一定程度上促進(jìn)了我國儀器工業(yè)的發(fā)展。對于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用的態(tài)度，必須保持理性，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)模式，并合理選擇具有成本效益的處理器系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息化與現(xiàn)代化和網(wǎng)絡(luò)化。在傳統(tǒng)工藝中，為保證生產(chǎn)自動(dòng)化的順利進(jìn)行，相關(guān)人員可以依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并結(jié)合現(xiàn)有的儀器監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為自動(dòng)化儀器的計(jì)算機(jī)控制硬件和軟件創(chuàng)建合理的設(shè)置。調(diào)試自動(dòng)化儀表的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及實(shí)際的管理要求，以便可以充分利用自動(dòng)化儀表中融合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。

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作者：張永清 吉?dú)g琳 單位：河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院