关于新型自动化仪表几点研究

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。