自動化儀器儀表及計算機系統(tǒng)融合對策

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摘要：如今，先進的嵌入式計算機系統(tǒng)已在社會中廣泛使用，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化設(shè)備。先進的嵌入式計算機系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于自動化設(shè)備，并為儀器行業(yè)帶來了更大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：自動化儀器儀表；計算機系統(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)合計算機領(lǐng)域功能的自動化儀器的基本功能是測量社會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，因此將計算機技術(shù)以更高的水平引入實際測量中，可以使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確和自動化。今天，先進的嵌入式計算機系統(tǒng)以及先進的信息技術(shù)的先進信息技術(shù)的應(yīng)用為自動化儀表的發(fā)展帶來了巨大的優(yōu)勢并極大地拓寬了市場。在實際應(yīng)用中，不僅應(yīng)改進和完善系統(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)，以實現(xiàn)高效、便捷和功能多樣化。

2嵌入式計算機系統(tǒng)的特點

嵌入式計算機系統(tǒng)較為依賴于當(dāng)代計算機技術(shù)，并且主要適用于專業(yè)的計算機系統(tǒng)。該嵌入式計算機系統(tǒng)對計算機的功能、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?。該系統(tǒng)體積小，能耗少，集成度高。在運行過程中，整個系統(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，嵌入式計算機已經(jīng)經(jīng)歷了芯片、標(biāo)準(zhǔn)總線、PC總線和先進高級的嵌入式技術(shù)的開發(fā)階段。在計算機硬件技術(shù)的不斷快速更新和發(fā)展中，先進的嵌入式計算機微處理器成為了人們廣泛關(guān)注的對象，系統(tǒng)的核心是幾個任務(wù)的同時操作。結(jié)合目前智能控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的優(yōu)勢，嵌入式計算機微處理器對行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，并為整個嵌入式計算機系統(tǒng)帶來了市場。

3新型自動化儀表的核心趨勢

先進高級的嵌入式計算機系統(tǒng)和先進的網(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、計算和補償，工程量處理以及故障診斷等。同時，借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，嵌入式計算機系統(tǒng)可以通過遠程控制檢測和修復(fù)系統(tǒng)中的錯誤。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

（1）實時性好。在一些特定客戶獲取結(jié)果時，嵌入式系統(tǒng)可能會有延遲的現(xiàn)象，因此在設(shè)計過程中應(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)的可靠性有嚴格的要求，因為整個系統(tǒng)可能會癱瘓，并且可能會造成巨大損失。（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，并且通常抗干擾能力極差，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）先進的軟件開發(fā)。

5高級嵌入式計算機硬軟件設(shè)計和選型

5．1硬件

選擇高端嵌入式微處理器時，要考慮許多因素。首先是價格、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。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。因為一個高速CPU會使成本成倍的增加。

5．2軟件

具有多種要求的微內(nèi)核技術(shù)可以實現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)的運行，包括靈活性、配置、可伸縮性和可移植性、高可靠性和高實時性等，都是它需要考慮的因素。但是它可以應(yīng)用于多個版本的CPU，并且十分適用自動化設(shè)備的高級嵌入式計算機系統(tǒng)。目前，這項技術(shù)主要包括PSOS，VRTX，QNX，Linux。（1）在對RTOS系統(tǒng)評估時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種因素。通?？梢酝ㄟ^調(diào)度機、內(nèi)存、時間等來判斷。（2）軟件開發(fā)過程中的注意事項如下：首先，需要一個良好的開發(fā)環(huán)境。C和C++編程語言通常更適合在實時系統(tǒng)軟件開發(fā)中應(yīng)用；其次，要滿足用戶的需求，實現(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，并提出了反映實際需求的高級通用控制系統(tǒng)設(shè)計計劃。（1）需要使質(zhì)量儀器控制器具有3個功能：1）實現(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，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)，可以在整個過程中實時顯示圖像。（2）用各種信號電源板組成通用控制系統(tǒng)，如嵌入式計算機系統(tǒng)、電源驅(qū)動器、IO板、信號調(diào)節(jié)板等。高端嵌入式計算機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)計一些調(diào)節(jié)板和驅(qū)動器以實現(xiàn)儀器所需的功能?？刂破鬈浖ㄒ粋€基本程序（主程序）和3個服務(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行管理。最后，設(shè)備功能服務(wù)程序設(shè)計設(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行，并由主程序直接控制和管理。（3）在開發(fā)新的自動化設(shè)備時，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，同時可以滿足設(shè)備的各種功能。

7自動化儀器儀表計算機控制系統(tǒng)融合設(shè)計

用于自動化儀器的計算機控制系統(tǒng)軟件包括多種功能，例如數(shù)據(jù)收集、處理、統(tǒng)計和分析等。在軟件系統(tǒng)設(shè)計階段，計算機和外部接口、計算機系統(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)計用于自動化儀器的計算機控制軟件的過程中，設(shè)計人員可以基于間接代碼、便捷界面和可擴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化儀器儀表與計算機控制系統(tǒng)融合應(yīng)用，可以根據(jù)鋼坯溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)的特性，使用VB語言。選擇語言后，可以在啟動后設(shè)置計算機系統(tǒng)的界面。通常，應(yīng)將整個自動化儀器計算機控制系統(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)計人員可以使用VB語言動畫設(shè)計功能來模擬和優(yōu)化過程流程。數(shù)據(jù)庫在自動化儀器的計算機控制系統(tǒng)中占有非常重要的位置。自動化儀器的數(shù)據(jù)可以存儲和分析、統(tǒng)計、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)庫控制來操作自動儀表計算機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合鋼廠生產(chǎn)中鋼坯溫度自動監(jiān)控的要求，通過有機集成多個數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。查詢指定時間段內(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)實際工藝進行采樣和數(shù)據(jù)控制，進行合理的預(yù)警模塊設(shè)計。

8自動化儀器儀表與計算機控制系統(tǒng)調(diào)試實現(xiàn)舉例

在基本模塊設(shè)計完成后，為保證系統(tǒng)調(diào)試能穩(wěn)定運行，相關(guān)人員可以選擇PID整定參數(shù)作為出發(fā)點，以不斷優(yōu)化和改進控制過程。傳統(tǒng)工藝如在鋼鐵制造中，調(diào)試坯料溫度自動監(jiān)控系統(tǒng)的常用方法是根據(jù)溫度-時間曲線設(shè)置溫度控制功能的反復(fù)試驗方法。理論上的溫度控制曲線促進了真實鋼鐵生產(chǎn)中坯料溫度變化模式的動態(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)以促進鋼坯溫度曲線的周期性變化?；谧詣觾x表計算機控制系統(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。實現(xiàn)一臺計算機系統(tǒng)控制多臺自動化儀表，提高自動化儀表的控制效率和應(yīng)用率，并降低能耗性。

9結(jié)語

嵌入式計算機系統(tǒng)現(xiàn)已在社會中得到廣泛應(yīng)用，就其影響力而言，這些系統(tǒng)的生產(chǎn)在一定程度上促進了我國儀器工業(yè)的發(fā)展。對于嵌入式計算機系統(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，引入先進的設(shè)計模式，并合理選擇具有成本效益的處理器系統(tǒng)，以實現(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)自動化的順利進行，相關(guān)人員可以依靠計算機系統(tǒng)，并結(jié)合現(xiàn)有的儀器監(jiān)控數(shù)據(jù)，為自動化儀器的計算機控制硬件和軟件創(chuàng)建合理的設(shè)置。調(diào)試自動化儀表的計算機控制系統(tǒng)以及實際的管理要求，以便可以充分利用自動化儀表中融合計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。

參考文獻

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作者：張永清 吉歡琳 單位：河北建筑工程學(xué)院機械工程學(xué)院