【正文】 包括主機電路、過程輸入/輸出通道、人機接口電路和通信接口電路等功能模板。內(nèi)容涉及器件的選擇和電路設(shè)計連接，通過分析與比較選定合適的芯片，達到既能滿足系統(tǒng)的性能需求，又可充分發(fā)揮芯片本身的性能，避免不足和浪費。設(shè)計電路時，盡可能采用經(jīng)典的線路，力求標準化；電路中的相關(guān)器件性能須匹配；為確保儀器能長期可靠運行，還須采取相應(yīng)的抗干擾措施，包括去耦濾波、合理的走線、通道的隔離等。軟件設(shè)計部分主要是設(shè)計軟件系統(tǒng)的模塊層次結(jié)構(gòu)、控制流程以及數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)等。這個階段可以分為兩個部分；總體設(shè)計和詳細設(shè)計?？傮w設(shè)計完成軟件系統(tǒng)的模塊劃分，設(shè)計層次結(jié)構(gòu)、確立模塊間的凋用及完成全局數(shù)據(jù)庫的設(shè)計等工作；詳細設(shè)計完成每個模塊的內(nèi)部實現(xiàn)算法、控制流程以及周部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。本論文內(nèi)容大致分為四章。，主要分析變送器在控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)發(fā)展中的作用及現(xiàn)狀。，主要是智能變送器的硬件電路的各種硬件及連接方法。，主要是針對各個模塊的應(yīng)用程序，包括監(jiān)視定時器、A/D 轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等部分。濰坊學(xué)院專科畢業(yè)（論文）2，實際電路的連線和軟件的仿真運行。第一章 概 述 自動化儀表主要由檢測儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的自動化管理系統(tǒng)日趨復(fù)雜。由于計算機技術(shù)的高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用，近 10年來在控制系統(tǒng)方面有了很大進展?？刂葡到y(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和操作上緊密配合，形成了一些高度復(fù)雜的分散型過程控制系統(tǒng)。在這種情形下，智能變送器的研究發(fā)展日益得到人們的關(guān)注。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微機價格的大幅度下降，PC 機和各種單片機在工業(yè)和各行業(yè)應(yīng)用中日益廣泛。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各種測量儀表往往用單片機作數(shù)據(jù)處理單元，而在主控室，有微機對整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的現(xiàn)實、存儲、匯總。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，測量系統(tǒng)也逐漸發(fā)展，使得智能儀表的發(fā)展也越來越迅速。智能變送器的發(fā)展趨勢（1）微型化體積小、功能齊全的智能儀器,它能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大、與其他儀器的接口、與人的交互等功能。微型智能儀器隨著微電子機械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，價格不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴大。它不但具有傳統(tǒng)變送器的功能，而且能在自動化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨特的作用。例如，微型智能儀器能同時測量多參數(shù)，而且體積小，可移植性高。（2）融合 ISP和 EMIT技術(shù)，實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的 Inter接入(網(wǎng)絡(luò)化) 　　 伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Inter 技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透，實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于 Inter的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠程升級、功能重置和系統(tǒng)維護?！　。?）虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段 測量儀器的主要功能都是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示完全用 PC機的軟件來完成。因此，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與 PC機組成測量儀器。這種基于 PC機的測量儀器稱為虛擬儀器。在虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得濰坊學(xué)院專科畢業(yè)（論文）3到功能完全不同的測量儀器?？梢?，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心， “軟件就是儀器” 。 　 過程控制系統(tǒng)有以下幾種發(fā)展趨勢： 控制中心向現(xiàn)場轉(zhuǎn)移，即傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)中的回路級或裝置級的控制功能將下放到現(xiàn)場，使系統(tǒng)將成為真正的、徹底分散的系統(tǒng)。 開放系統(tǒng)的實現(xiàn)，開放系統(tǒng)要求互連性和互操作性，即不同廠家生產(chǎn)的儀表、裝置應(yīng)能在一個系統(tǒng)中協(xié)同工作。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開放系統(tǒng)帶來了曙光。DI 公司(Control System International Inc)推出一種 UCOS(用戶可配置開放系統(tǒng))DCS，它采用冗余的以太網(wǎng)或光纖局域網(wǎng)將控制臺、各工作站計算機及各現(xiàn)場控制單元(FCU)連接起來，它采用可來自多方廠商的商用軟硬件和商用網(wǎng)絡(luò)，操作系統(tǒng)采用 Windows NT，非專利的現(xiàn)場控制單元可提供多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)直接訪問能力，與其連接的 I/O子系統(tǒng)亦可來自多方廠商。毫無疑問，這種系統(tǒng)的將成為真正的開放系統(tǒng)。智能控制技術(shù)相得到進一步應(yīng)用，專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)，已在直接數(shù)字控制及優(yōu)化控制中得到了初步應(yīng)用，目前，在控制領(lǐng)域中，智能控制理論與技術(shù)是一個研究熱點，這種研究“熱”無疑將會使智能控制技術(shù)的應(yīng)用水平得到較快的提高。多媒體技術(shù)的應(yīng)用，多媒體技術(shù)無疑可以引入過程控制領(lǐng)域。操作員、工程師將可以坐在控制室里，從 DCS的計算機屏幕上看到現(xiàn)場的真實畫面，聽到來自現(xiàn)場的聲音，以此來監(jiān)視設(shè)備的關(guān)鍵部位。 由于智能儀表和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，過程控制的主流系統(tǒng) DCS的結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，控制功能向現(xiàn)場轉(zhuǎn)移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置(集成)的開放系統(tǒng)過渡。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展又使智能系統(tǒng)成為當今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測量系統(tǒng)的進展卻很小，使之難于滿足先進的控制系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度 Σ△、A/D 與 D/A 變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實的物質(zhì)基礎(chǔ)。對于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，對于量程浮動、輸出信號可遠傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以及一機多用——即以同一檢測模板用于不同物理量的檢測場合，并滿足多種線性與非線性輸入信號的精度要求等課題，已越來越為廣大科技人員所關(guān)注。濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）4同時世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制成功了帶微處理機構(gòu)各種智能變送器，開創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。目前普遍使用的變送器是以 70年代統(tǒng)一的 4—20mA模擬信號標準傳送信號的二線制變送器(國內(nèi)還有少量四線制 0—10mA信號變送器)，它們在傳送信號時，模擬信號不能簡單迭加，信道為一對一，即一對導(dǎo)線上只能傳輸一個變送器輸出信號，且只能單向傳輸。智能變送器即在變送器本體內(nèi)直接使用微處理器芯片，對被測物理量進行數(shù)字化處理，并增加數(shù)字通信接口，可直接與計算機進行數(shù)字通信。使用數(shù)字通信的信道復(fù)用技術(shù)和低功耗電路，使多個變送器可共用一條通信總線并進行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場信號引線，而且微處理器不但可以接收和處理傳感器數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至傳感器，從而對測量過程進行調(diào)節(jié)和控制； 可進行信息存儲和記憶，能存儲傳感器的特征數(shù)據(jù)、組態(tài)信息和補償特性等；微處理器能直接對被測信號進行數(shù)字化處理，使變送器的測量精度和量程比大為提高；具有自診斷報警功能，通電后可對傳感器進行自檢，以檢查傳感器各部分是否正常，并做出判斷；具有自動補償能力，可通過軟件對傳感器的非線性、溫漂、時漂等進行自動補償； 數(shù)據(jù)處理方便準確，可根據(jù)內(nèi)部程序自動處理數(shù)據(jù)，如進行統(tǒng)計處理、去除異常數(shù)值等。1983年，美國 Honeywell公司將第一個稱為 Smart變送器的 STJ—3000D壓力變送器推入了美國國內(nèi)市場，使智能變送器進入了商品化。隨后美國的 Rosemount， Foxboro等一些公司在 1986年美國儀表學(xué)會(1SA)的會議上爭相推出了一些稱為 Smart變送器的新型智能變送器系列。這類變送器具有適合各種新應(yīng)用的能力，克服了以往模擬變送器準確度不夠高、漂移過大、量程有限、維護和維修費用大等一些不足。由于這類變送器內(nèi)部有微處理機，采用了數(shù)字集成化測量方式，不僅能輸出 4—20mA的模擬信號，而且還能輸出數(shù)字信號，實現(xiàn)了現(xiàn)場和控制室之間進行雙向數(shù)字通信。這一典型的數(shù)字通信功能縮小了測量技術(shù)與控制技術(shù)之間的差距。如果采用這種數(shù)字式集成化測量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因而能達到更高的性能標準。例如總的測量回路可以不用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，同傳統(tǒng)變送器比較還具有如下特點：.具有更強的功能、更好的性能；濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）5.校正了傳感器的線性度，減少了環(huán)境溫度、壓力等因素對傳感器的影響，使精度提高到 ％.能將傳感器的信號轉(zhuǎn)換成工程單位； .有可組態(tài)的故障方式，可進行遠距離診斷；.能遠距離調(diào)整測量范圍，能簡單快速地完成零點和量程的校準；.能與手動終端作遠距離通信；.可從手動終端讀取變送器的數(shù)據(jù)；.變送備的輸出可作為一個 4—20mA的電流源；.減少了維護量。由于智能變送器采用先進傳感技術(shù)，計算機技術(shù)及數(shù)字通訊技術(shù)，加上采用超大規(guī)模離子注入技術(shù)及超精細加工工藝技術(shù)，它的優(yōu)點是一般變送器無法比擬的： 這類變送器無論做哪一種參數(shù)的測量，都有一個共同的方式，就是都有一個主測量傳感器，產(chǎn)生一個微處理機能夠采用的信號。智能變送器的發(fā)展是與傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展是分不開的，新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。具有通訊功能是智能變送器的共有特點。用通訊方法將測量結(jié)果送入操作站，不會損失精度。因此，比模擬信號通過 A/D進入操作站更優(yōu)越。這種智能變送器給用戶帶來了極大的方便。它可以通過一個 SFC智能現(xiàn)場通訊器對安裝在現(xiàn)場的變送器進行組態(tài)，變更，校準，自診斷，還可以將現(xiàn)場變送器作為一個 4—20mA的恒流源來使用（也是通過現(xiàn)場通訊器來實現(xiàn)的） 。目前，智能式變送器比電容式或擴散硅式傳統(tǒng)變送器的價格高 50％左右， 但智能式變送器的性能、功能很優(yōu)越，因此性能價格比較高。智能變送器的應(yīng)用領(lǐng)域是非常廣泛的，使用智能變送器無疑會給社會和用戶帶來更多的效益。尤其在以下特殊應(yīng)用場合更能發(fā)揮其優(yōu)越性。1. 用于現(xiàn)場總線根據(jù) ISA SP—50委員會定義的現(xiàn)場總線概念，智能變送器將在現(xiàn)場總線中扮演主要角色，具有 PID調(diào)節(jié)功能的變送器可以進一步將集中控制的危險性分散到最小，同濰坊學(xué)院專科畢業(yè)（論文）6時采用數(shù)字通訊，節(jié)省了大量的模擬通訊電線。目前智能變送器的價格已經(jīng)接近普通變送器的水平。而對使用者來說，可以在控制室內(nèi)對現(xiàn)場變送器進行調(diào)整，更改量程，組態(tài)等操作，相當方便。對于現(xiàn)場總線尚未普及的情況，智能變送器可先用于在高空，塔頂或有毒有害氣體環(huán)境，人員不宜接近的場合，可減少維護人員的工作量及傷亡的可能性。對于一些環(huán)境溫度及過程靜壓變化較大而要求測量精度高的場合，利用智能變送器具有溫度及靜壓補償這一功能，可明顯提高變送器的測量準確性，如儲運系統(tǒng)灌區(qū)液位的測量點，冬季與夏季，晝夜之間溫差較大，很容易使普通變送器誤差增加一倍，而智能變送器卻能夠克服這一缺點，提高測量精度。近年來，受市場經(jīng)濟的影響，煉油廠加工的原油性質(zhì)及處理量有較大的波動，導(dǎo)致部分流量的測量回路經(jīng)常出現(xiàn)超量程或在低量程運行，而采用的 FC系列變送器，量程比太?。?0：1） ，改量程時變送器需換型，給生產(chǎn)維護帶來了不便，也增加了各種量程的變送器的備用數(shù)量，增加了企業(yè)固定資金的投入。智能變送器的具有 40：1 的量程比，很容易克服上述困難。 由于其更高的性能價格比，智能變送器不僅在二十一世紀的數(shù)字化時代，而且在現(xiàn)場總線時期也是大有可為的，它的應(yīng)用前景是美好的。濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）7第二章 硬 件 電 路 設(shè) 計硬件部分主要由以下幾部分組成:模擬量輸入通道（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換） ；主機電路（數(shù)據(jù)處理；包括數(shù)字濾波、數(shù)字線性化和進行量程變換） ；模擬量輸出通道（數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換(包括 V/I變換)）等幾個環(huán)節(jié)。主機電路用來存儲數(shù)據(jù)、程序，并進行一系列運算處理，它通常由微處理器、ROM、RAM、I/O 端口和定時/計數(shù)電路等芯片組成，模擬量輸入/輸出通道（分別由 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成）用來輸入/輸出模擬量信號；變送器還可以通過通信接口與上位機進行數(shù)字通信，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的需求。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示：此智能變送器的硬件電路設(shè)計主要包括集成測量放大器 AD623，多路模擬開MAX358，多通道 12位串行 A/D轉(zhuǎn)換器 MAX186，單片機 8051，8 位并行 D/A轉(zhuǎn)換器ADC0832，具有看門狗、監(jiān)視定時及串行 EEPROM功能的 X5045，RS—485 驅(qū)動收發(fā)器主機電路（微控制器）程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器并行輸入接口并行輸出接口定時/計數(shù)器串行口模擬量輸入電路模擬量輸出電路通信接口圖 21 系統(tǒng)總體框圖濰坊學(xué)院?？飘厴I(yè)（論文）8SN75LBC184，及相應(yīng)的采樣保持和多路轉(zhuǎn)換器。硬件電路見實際 電路圖器件選擇原則 討論了智能變送器硬件電路和軟件電路設(shè)計的總體思想，從中可以得知，硬件電路應(yīng)力求簡化，把許多硬件電路很難解決的問題通過軟件來解決。所以硬件設(shè)計應(yīng)當注意到各個芯片間的連接問題以及它們本身各自的功能和特性。在選擇各芯片時，要注意到芯片間的配匹問題，否則將導(dǎo)致 各芯片間連接電路過于復(fù)雜。這是智能型壓力傳感器/變送器硬件電路設(shè)計所不可取的。而且這也導(dǎo)致成本上升和干擾信號增多，且功耗變高，這些都是智能型壓力傳感器/變送器所要解決的問題，下面我們具體討論各主要芯片的特征和功能，以期它與我們的硬件電路總體設(shè)計思想相吻合。MCS 51單片機是 Intel公司推出的高檔 8位單片機。它的兼容性能非常好，性能也很好。它的有些產(chǎn)品有 4K甚至 8K ROM，內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器 RAM容量為 128B(不包括專用寄存器)，MCS51 系列單片機輸入/輸出口線為 32根，即有 4個輸人/輸出口，它可以對 64KB的外部數(shù)據(jù)存貯器尋址，也可以對 64KB,60KB和 56KB的外部程序存貯器尋