智能化現(xiàn)場儀表的結(jié)構(gòu)

　　智能化現(xiàn)場儀表最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代后期，在20多年的發(fā)展歷程中，它們的性能、功能、應(yīng)用模式都發(fā)生了巨大變化。本文介紹智能化現(xiàn)場儀表內(nèi)部硬件、軟件結(jié)構(gòu)的變化。
　　一 早期智能化現(xiàn)場儀表
　　早期智能儀表是從數(shù)字化儀表演化而來的。這個時期的智能儀表普遍采用微處理器，利用微處理器方便地實(shí)現(xiàn)了一系列智能功能，包括線性化校正、環(huán)境溫度補(bǔ)償、自動量程轉(zhuǎn)換、自動校零、自動校驗(yàn)、自診斷、計量單位轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、平均值、最大、最小值等統(tǒng)計量、各種算法塊等，一些儀表還具有數(shù)據(jù)通信功能。
　　這一時期的現(xiàn)場儀表因受體積、現(xiàn)場環(huán)境等因素制約，智能功能一般較簡單。向系統(tǒng)傳遞的過程信息以模擬4～20mA信號為主，參數(shù)設(shè)置以就地設(shè)置為主，數(shù)據(jù)通信一般采用點(diǎn)對點(diǎn)方式，有些儀表通信甚至是單向的，僅傳送過程信息。由于速度等方面原因，數(shù)字通信信息還不能滿足實(shí)時控制要求。這個時期實(shí)驗(yàn)室儀表的智能功能已相當(dāng)完善，出現(xiàn)了GBIP通信總線。因此可以說，智能化現(xiàn)場儀表的發(fā)展是跟著智能化實(shí)驗(yàn)室儀表走的。
　　智能儀表種類很多，但帶微處理器儀表的硬件、軟件結(jié)構(gòu)有許多共同點(diǎn)。
　　1. 硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　早期智能化現(xiàn)場儀表典型硬件結(jié)構(gòu)見圖1，該結(jié)構(gòu)由當(dāng)時微處理器芯片的功能決定。
　　按功能不同智能化現(xiàn)場儀表分為“檢測”和“執(zhí)行”兩類，前者泛指各種從對象直接或間接獲得信息的儀表，后者泛指各種改變對象狀態(tài)的儀表。
　　圖1主要針對檢測儀表。對于執(zhí)行器類智能化現(xiàn)場儀表，其硬件結(jié)構(gòu)在A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以外的部分與圖1不同，其余部分則大同小異。
　　2. 軟件結(jié)構(gòu)
　　
　　智能化現(xiàn)場儀表的程序組織經(jīng)常使用狀態(tài)分析法。在應(yīng)用中儀表至少應(yīng)有兩種運(yùn)行狀態(tài)：工作狀態(tài)和設(shè)置狀態(tài)。在工作狀態(tài)儀表執(zhí)行正常“檢測”或“執(zhí)行”任務(wù)，其中包括許多智能功能，如線性化校正、環(huán)境溫度補(bǔ)償、自動量程轉(zhuǎn)換、自動校零、數(shù)字濾波等。在設(shè)置狀態(tài)儀表執(zhí)行對各種智能功能的組態(tài)和自診斷、自動校驗(yàn)和標(biāo)定等智能功能。大多數(shù)智能化現(xiàn)場儀表，工作狀態(tài)的各項(xiàng)任務(wù)是在線實(shí)時執(zhí)行的，設(shè)置狀態(tài)的任務(wù)則是離線執(zhí)行的。部分智能功能的選用和切換可在線實(shí)施，但智能功能的參數(shù)設(shè)置必須離線進(jìn)行。
　　為使智能化現(xiàn)場儀表實(shí)現(xiàn)傻瓜化，一般在首次開機(jī)時儀表的缺省設(shè)置使儀表運(yùn)行在工作狀態(tài)，執(zhí)行儀表的最基本測量(或執(zhí)行)功能。
　　
　　工作狀態(tài)軟件結(jié)構(gòu)往往較簡單，除開機(jī)時的初始化程序外，其余程序呈循環(huán)結(jié)構(gòu)。循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)的程序是儀表的主程序，主程序內(nèi)的各子程序分別執(zhí)行不同智能功能。一部分子程序呈串行或并行選擇結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時按設(shè)置要求決定是否執(zhí)行或選擇執(zhí)行某段程序(見圖2)。工作狀態(tài)與設(shè)置狀態(tài)間靠RAM和/或EEPROM保存的標(biāo)志位和參數(shù)交換信息。圖2中功能一代表必備功能，功能二代表可選功能，功能三、四、五代表互斥的多選一功能。為確保程序?qū)崟r性，工作狀態(tài)下智能功能調(diào)用和切換以及鍵盤處理程序，一般都以中斷方式進(jìn)行。
　　這時期智能化現(xiàn)場儀表軟件的重要特點(diǎn)是：各項(xiàng)智能功能執(zhí)行的順序和時間關(guān)系是在程序設(shè)計階段決定的，使用時我們可選擇用或不用某項(xiàng)智能功能，但不能改變它與其他智能功能間的關(guān)系。
　　設(shè)置狀態(tài)的軟件結(jié)構(gòu)與智能儀表的人機(jī)界面形式有關(guān)。
　　最簡單形式是只有數(shù)字顯示和很小的鍵盤(鍵很少)。這時各項(xiàng)設(shè)置只能以輪詢方式進(jìn)行。界面上輪流顯示儀表需設(shè)置的功能，當(dāng)出現(xiàn)打算設(shè)置的功能，按鍵轉(zhuǎn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)；在參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，界面上按位顯示參數(shù)，按鍵進(jìn)行設(shè)置；對參數(shù)種類很少的情況，也可采取窮舉方式顯示參數(shù)。如果儀表功能較多，為簡化設(shè)置，可將功能按層次分成組，所有功能的安排呈樹狀結(jié)構(gòu)。這樣的程序結(jié)構(gòu)可用圖3表示。
　　
　　對于多鍵情況，有分為一鍵一義形式和一鍵多義形式。
　　一鍵一義形式時，軟件可采用鍵盤直接分析法。這時程序結(jié)構(gòu)最簡單，根據(jù)所按的鍵進(jìn)入指定程序分支，然后設(shè)置參數(shù)。
　　對一鍵多義形式，情況較復(fù)雜。有的儀表采用電話鍵盤形式，鍵既可以輸入數(shù)字，又可輸入字母；有的儀表采用混合方式，一部分鍵是一鍵一義，另一部分鍵一鍵多義。鍵組的功能可通過第二功能鍵——“2nd”、移位鍵——“Shift”或控制鍵——“Ctrl”來擴(kuò)展。這時設(shè)置狀態(tài)的軟件結(jié)構(gòu)就顯得有點(diǎn)復(fù)雜。可采用“有限狀態(tài)機(jī)”方法來進(jìn)行鍵盤狀態(tài)分析，并依此來設(shè)計程序。
　　對于功能較豐富的智能儀表，設(shè)置狀態(tài)的人機(jī)界面程序占儀表程序總量的比重很大。要檢查錯誤設(shè)置、限制各種非法參數(shù)、避免不同功能間的沖突，總之提高儀表的容錯性是體現(xiàn)儀表智能程度的重要一環(huán)。可以說，設(shè)置狀態(tài)程序在儀表中起著“操作系統(tǒng)”的作用。
　　這時期的智能儀表功能還不完備，與現(xiàn)代智能儀表的定義有差距，因此現(xiàn)稱作“帶微處理器的儀表”。　　
　　二 過渡期智能化現(xiàn)場儀表　　
　　早期智能化現(xiàn)場儀表的數(shù)字化主要是在儀表內(nèi)部，儀表的過程信號輸出主要還是依靠4～20mA模擬信號。一些具有數(shù)字通信接口的儀表，其數(shù)字信號與模擬信號往往通過不同通道傳輸。
　　首先從儀表智能化中獲益的是儀表制造者，一些儀表制造者給儀表專門設(shè)計了調(diào)校和組態(tài)用雙向通信接口，大大方便了調(diào)校，提高了儀表性能。但儀表在使用時是完全模擬化的。這種儀表的數(shù)字通信距離一般很近，組態(tài)一般由制造商或銷售商完成。這種儀表稱為“半智能化儀表”。
　　80年代起，出現(xiàn)了模擬與數(shù)字信號兼容的信號制式，使模擬信號與數(shù)字信號共用一條通道。兼容方式有采用移頻鍵控(FSK)調(diào)制方式，也有分別用4mA、20mA表示“0”、“1”方式。
　　經(jīng)過多年競爭，現(xiàn)在以Bell 202協(xié)議為基礎(chǔ)的HART協(xié)議以其開放性成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，獲得廣泛使用。以4mA、20mA表示“0”、“1”的方式，主要用在兩線制測量開關(guān)(如物位開關(guān)，流量開關(guān)、光電開關(guān)、接近開關(guān)等)和半智能化儀表中。
　　HART以2200Hz和1200Hz的調(diào)制信號分別表示“0”和“1”，傳輸速率為1200b/s，與4～20mA兼容，通常工作在點(diǎn)對點(diǎn)模式，也可采用多點(diǎn)模式。HART協(xié)議傳輸速率較低，儀表每秒可傳送2～3次過程量信號。因此在大多數(shù)過程控制應(yīng)用中，控制信號仍采用4～20mA，數(shù)字信號主要用于儀表的管理、維護(hù)。當(dāng)然在有些對速度要求不高的場合(如油罐區(qū)的測控系統(tǒng))也可直接采用多點(diǎn)模式的數(shù)字通信。
　　當(dāng)時智能化現(xiàn)場儀表在數(shù)字化方面仍不徹底，但是它卻讓人們了解了智能化儀表的優(yōu)越性，逐步學(xué)會使用智能化儀表。這時期的數(shù)字通信一般是串行、雙向的，以點(diǎn)對點(diǎn)通信為主，連網(wǎng)能力很差。通信內(nèi)容不僅包括過程信息，更多是用于傳送遙控組態(tài)信息。雖然許多儀表組態(tài)仍采用離線方式，但也有一些儀表將許多組態(tài)功能改成在線方式，只有校驗(yàn)等功能仍然采用離線方式。
　　由于采用了數(shù)字通信，在一條信道上傳送的信息就可以不止一條，這為復(fù)合參數(shù)智能儀表提供了條件。
　　這類與模擬信號兼容智能現(xiàn)場儀表的英文名字是“Smart Instrument”，與全數(shù)字智能儀表“Intelligent Instrument”不同，但它們的中文譯名相同，都叫“智能化儀表”。雖然大家都承認(rèn)Smart儀表僅僅是一種過渡時期產(chǎn)品，但是它總是在人們預(yù)計的“末日”以性能和市場的強(qiáng)勁增長頑強(qiáng)地延續(xù)下去。直到2003年其年增長幅度還是超過5%的，現(xiàn)在誰也無法預(yù)計這個過渡期有多長。隨著近年Smart儀表技術(shù)性能的發(fā)展和應(yīng)用面仍然領(lǐng)先于Intelligent儀表，因此有些國際文件開始將Smart儀表作為一個下屬部類全部納入Intelligent儀表觀念。
　　
　　1. 硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　這時期智能化現(xiàn)場檢測儀表硬件從功能上可用圖4表示。由于各企業(yè)廣泛采用自行定制的專用集成電路，因此物理上的結(jié)構(gòu)就難以用一種典型產(chǎn)品來表示，兩片儀表甚至單片儀表已經(jīng)商品化。對于執(zhí)行類儀表，輸入信號是4～20mA的，因此圖中A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路位置互換，傳感器、調(diào)理器和激勵電路塊也要做相應(yīng)調(diào)整。
　　由于要與4～20mA信號兼容，因此硬件中普遍采用低功耗器件，裝配工藝普遍采用表面安裝技術(shù)(SMT)。對于采用通用集成電路的設(shè)計，數(shù)字電路間的連接一般采用串行接口；串行接口間的連線少，有利于減小體積降低功耗。常用串行接口有：二線接口I2C、三線接口SPI或MicroWire。
　　這一代智能化現(xiàn)場儀表的人機(jī)接口出現(xiàn)了兩種風(fēng)格：一種是儀表本身只有很少鍵，不直接帶顯示，需就地顯示時，采用串接4～20mA顯示單元；另一種是帶較少的鍵和一個LCD。前一種風(fēng)格只能顯示過程量，不能進(jìn)行完整的就地組態(tài)。由于現(xiàn)場儀表就地組態(tài)可借助于手持通信器進(jìn)行，因此這種設(shè)計相當(dāng)經(jīng)濟(jì)。第二種風(fēng)格的設(shè)計可以避免使用手持通信器，當(dāng)系統(tǒng)很小時，節(jié)省一個手持通信器往往更經(jīng)濟(jì)。

　2. 軟件　　
(1)算法
　　這一代儀表雖然使用MCU(單片微控制器)，但是這些芯片功能很強(qiáng)，資源較充沛，價格也較便宜，這些給儀表采用復(fù)雜算法和高級語言創(chuàng)造了條件。
　　從這時開始，人們已廣泛接受了這樣的設(shè)計原則：(1)要把軟件可能對儀表精確度造成的影響減小到可以忽略；(2)要把軟件可能對儀表精確度做出的改善用足。仔細(xì)想想就可以明白，這兩條原則對提高儀表產(chǎn)品的性價比來說是最經(jīng)濟(jì)的手段。隨著高分辨力、高精確度Σ/ΔA/D和D/A轉(zhuǎn)換器價格的下降，人們又將第一條原則改為：將數(shù)字部分可能對儀表精確度造成的影響減小到可以忽略。
　　高精確度Σ/ΔA/D轉(zhuǎn)換器的使用對儀表設(shè)計概念的影響是多方面的，例如：現(xiàn)在設(shè)計師就可在信噪比允許的情況下取消量程自動轉(zhuǎn)換電路和相關(guān)算法。自動量程轉(zhuǎn)換是影響儀表響應(yīng)時間的重要因素，同時為克服量程的反復(fù)切換而設(shè)計的量程切換差，產(chǎn)生了小范圍的附加回差，這對高精確度儀表也是一種缺陷。在早期智能儀表中引以自豪的必備功能——自動量程切換，到此已經(jīng)成為要盡量避免的缺點(diǎn)了。
　　為減小軟件對儀表精確度的影響，多項(xiàng)式、樣條和多元插值算法，統(tǒng)計算法，實(shí)時的最小二乘算法等廣泛采用；為利用軟件來改善儀表精確度，各種儀表多元模型的研究得到重視。在儀表模型研究方面，我國研究單位和企業(yè)的重視是不夠的，表現(xiàn)在：(1)很少有人做這方面研究；(2)個別研究也僅限于建立一個理論模型，而沒有考慮算法安裝在MCU中的可能性和在儀表生產(chǎn)過程中實(shí)施的可行性。
　　根據(jù)儀表中復(fù)雜算法使用日益增多的情況，編程開始廣泛采用C語言，運(yùn)算中大量使用標(biāo)準(zhǔn)的四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)(前些年我國曾廣泛采用三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù))，在類似PID的積分算法中甚至采用雙倍精確度的浮點(diǎn)算法。
　　這方面最典型的例子是溫度變送器，現(xiàn)在各公司在設(shè)計溫度變送器時都直接實(shí)現(xiàn)國際標(biāo)準(zhǔn)公布的分度方程，因此可利用較小程序空間完成所有國際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和熱電阻品種的高精確度線性化。
(2)軟件結(jié)構(gòu)
　　雖然Smart儀表與模擬信號兼容，在過程控制中將模擬信號作為主要信號；但是我們在設(shè)計和使用時必須注意到，在數(shù)字控制系統(tǒng)中Smart儀表是系統(tǒng)的一部分。因此我們可方便地用儀表的鍵或手持通信器對儀表做組態(tài)，但所有組態(tài)變化都須及時地讓系統(tǒng)主機(jī)知道。由于HART協(xié)議采用主從式訪問方式，因此主機(jī)不發(fā)出訪問，從機(jī)是無法主動將組態(tài)變化情況上傳的，這在應(yīng)用時必須注意。現(xiàn)場儀表要做的是，發(fā)生非主機(jī)的組態(tài)后，在所有返回的應(yīng)答中做出標(biāo)記，直到主機(jī)了解組態(tài)變化為止。
　　現(xiàn)場智能儀表的軟件就功能而言至少分為3個狀態(tài)：工作狀態(tài)、設(shè)置狀態(tài)和標(biāo)定狀態(tài)。可將3個狀態(tài)理解為3臺CPU。工作狀態(tài)CPU和設(shè)置狀態(tài)CPU同時工作，工作狀態(tài)CPU連續(xù)工作，處理“測量或執(zhí)行”任務(wù)；設(shè)置狀態(tài)CPU由設(shè)置事件觸發(fā)工作，處理組態(tài)任務(wù)；兩臺CPU間通過儀表內(nèi)存交換信息。標(biāo)定狀態(tài)CPU單獨(dú)工作，處理與儀表的生產(chǎn)調(diào)試或定期標(biāo)定有關(guān)的事務(wù)。
　　工作狀態(tài)的程序仍可用圖2表示，但通信有專門定時要求，因此交由設(shè)置狀態(tài)程序處理；顯示部分也要做處理，避免與設(shè)置態(tài)的顯示沖突，滿足特殊低功耗要求。
　　標(biāo)定狀態(tài)的程序在不同儀表間有較大差異，即使是同類儀表，各企業(yè)間也有不同標(biāo)定方法，因?yàn)榉椒ㄊ怯赡Ｐ秃退惴Q定的。
　　
　　設(shè)置狀態(tài)程序框圖見圖5。可調(diào)用Smart儀表智能功能的途徑有兩條：數(shù)據(jù)通信和鍵盤。由于數(shù)據(jù)通信是智能儀表的必備功能，而就地顯示和鍵盤往往是選用件，因此軟件結(jié)構(gòu)要安排使數(shù)字通信部分最簡潔有效。對于既有就地顯示和鍵盤又有通信功能的儀表，妥善設(shè)計鍵盤、通信主機(jī)和手持通信器同時對儀表實(shí)施組態(tài)時的仲裁機(jī)制和時序關(guān)系十分關(guān)鍵。
　　框圖中通信分支從接收命令層到發(fā)送命令層的部分對大部分國內(nèi)技術(shù)人員來說較熟悉，但部分技術(shù)人員對數(shù)據(jù)鏈路層重視不夠，以為只要通信接上就行了。通信設(shè)計基本前提是：信道是有干擾的，原始通信是會出錯的，因此必須有查錯和糾錯措施。錯誤分為兩類：收發(fā)差錯和內(nèi)容差錯。收發(fā)差錯主要指信息與干擾的混淆和時序錯誤，內(nèi)容差錯指各種對信息的歪曲。Smart儀表糾錯措施主要是重發(fā)。
　　數(shù)據(jù)鏈路層與物理層一起承擔(dān)了限制和查找收發(fā)差錯的任務(wù)，也擔(dān)負(fù)部分內(nèi)容差錯的查錯任務(wù)(用縱橫奇偶校驗(yàn)查錯)。因此數(shù)據(jù)鏈路層是保證現(xiàn)場通信成功的基礎(chǔ)。說數(shù)據(jù)鏈路層復(fù)雜是因?yàn)閷λ皇煜ぃ鋵?shí)只要嚴(yán)格按照通信協(xié)議中規(guī)定的狀態(tài)圖去做)，認(rèn)真實(shí)現(xiàn)圖上的每條線就能達(dá)到協(xié)議規(guī)定的水平。
　　命令層對通信差錯用核對數(shù)據(jù)格式、檢查狀態(tài)字與校驗(yàn)和來檢查。此外還有內(nèi)容差錯。內(nèi)容差錯也分為兩類：一類是通信造成的，另一類是內(nèi)容本身的差錯(如參數(shù)超出許可范圍)。第一類差錯由命令層程序完成查錯和自動請求重發(fā)任務(wù)。第二類差錯，由于在鍵操作也會發(fā)生，因此需在處理每條命令時查錯并返回出錯信息。
　　智能化現(xiàn)場儀表功能強(qiáng)帶來的問題是操作復(fù)雜，現(xiàn)場人員做出錯誤操作的可能性極大，因此我們又有一條設(shè)計前提，就是：錯誤操作是不可避免的。一般而言，現(xiàn)場儀表要能抵御除嚴(yán)重物理損害(包括機(jī)械、熱和電損害，以及水浸、改變內(nèi)部電氣連接等)外的一切錯誤操作。由此可料到，儀表軟件中診斷和處理出錯的程序量是很大的，許多智能化程度較高的儀表，出錯處理程序的量遠(yuǎn)大于儀表基本功能程序。
　　
　　3. 標(biāo)定　　
　   Smart儀表模擬、數(shù)字兼容的信號方式也決定了它的校驗(yàn)標(biāo)定模式與傳統(tǒng)儀表不同。有些概念常常被混淆。
　   以溫度變送器為例。對K型熱電偶，IEC 60854.1給出的分度表范圍是-270℃～+1372℃，所以變送器的變量下限(Variable Lower Limit, VLL)是-270℃，變量上限(Variable Upper Limit, VUL)是1372℃。但是實(shí)際上不可能有一個熱電偶傳感器用在這么寬的范圍，如果這個變送器安裝在一支0℃～800℃的熱電偶上，那么傳感器下限(Lower Sensor Limit, LSL)就是0℃，傳感器上限(Upper Sensor Limit, USL)就是800℃。如果打算讓200～500℃對應(yīng)指示4～20mA，那么量程下限(Lower Range Value, LRV)是200℃，量程上限(Upper Range Value, URV)是500℃。
　　為了便于理解，我們可以把Smart儀表的邏輯結(jié)構(gòu)分成兩臺儀表，一臺是全數(shù)字化的儀表，另一臺是模擬儀表。數(shù)字儀表由兩部分組成，模擬信號調(diào)理部分和數(shù)字信號處理部分。
　　根據(jù)儀表類型不同，數(shù)字儀表的標(biāo)定有兩種模式：一種是直接標(biāo)定數(shù)字信號處理部分，將每臺傳感器和模擬信號調(diào)理器的不一致連同非線性等一起全部修正掉，典型例子如壓力變送器。另一種是不同的傳感器采用統(tǒng)一的數(shù)字信號處理，標(biāo)定時僅僅將不同傳感器的信號歸一化，典型例子是溫度變送器。
　　在數(shù)字信號處理部分，它的變量范圍是從VLL到VUL，這個范圍在變送器設(shè)計完成以后就不可變了。變送器與傳感器組裝時要在儀表內(nèi)設(shè)定LSL和USL。當(dāng)信號超出LSL、USL或VLL、VUL時，儀表會按約定的方式報警。LSL、USL、VLL和VUL的設(shè)定是由制造廠完成的，用戶不需要做。
　　模擬儀表是數(shù)字儀表的模擬形式表現(xiàn)。數(shù)字儀表傳給模擬一串?dāng)?shù)字，模擬儀表將數(shù)字轉(zhuǎn)換成電流。但是電流轉(zhuǎn)換的是否準(zhǔn)，這是需要在4mA和20mA標(biāo)定的，標(biāo)定模擬電流輸出是Smart儀表特有的。儀表出廠時一般取LRV=LSL和URV=USL，使用時可以根據(jù)需要設(shè)定LRV使之對應(yīng)4mA輸出，設(shè)定URV使之對應(yīng)20mA輸出。
　　Smart儀表必須分別進(jìn)行數(shù)字儀表的標(biāo)定和模擬儀表的標(biāo)定，才能保證數(shù)字輸出和模擬輸出都是精確的。
　　一些用戶不理解數(shù)字儀表與模擬儀表的區(qū)別，將Smart儀表像模擬儀表一樣進(jìn)行零點(diǎn)和量程的標(biāo)定，這樣標(biāo)定會失去智能化儀表應(yīng)有的高精確度。只有在數(shù)字儀表的標(biāo)定已經(jīng)完成的情況下，這種簡單的標(biāo)定才會有好的結(jié)果。
　　還有一點(diǎn)概念上的問題，就是許多技術(shù)人員總是像考慮傳統(tǒng)儀表一樣，以為設(shè)定LRV和URV時在對儀表的前級信號調(diào)理部分進(jìn)行調(diào)整，其實(shí)Smart儀表中通常只有模擬輸出是可以調(diào)整的。
　　
　　三 新型智能化現(xiàn)場儀表　　
　　新型智能化現(xiàn)場儀表指全數(shù)字化現(xiàn)場總線智能儀表，它們同時具有信息的采集、儲存、處理和傳輸功能。它們加工的信息包括：過程對象、自身狀態(tài)、與其他儀表的關(guān)系和系統(tǒng)管理等信息。由于單臺儀表處理信息的能力有限，因此經(jīng)常需幾臺儀表聯(lián)合，甚至需系統(tǒng)主機(jī)參與處理某些信息，因此通信功能強(qiáng)弱對儀表的智能程度非常重要。
　　雖然現(xiàn)場總線種類很多，智能化現(xiàn)場儀表的制造商也很多，采用技術(shù)不完全相同，但是在儀表結(jié)構(gòu)上的發(fā)展趨勢是共同的。
　　
　　1. 硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　硬件結(jié)構(gòu)見圖6，與前面兩種結(jié)構(gòu)最大不同是分為了兩部分：智能傳感器部分與數(shù)據(jù)處理和通信部分。對執(zhí)行器類儀表智能傳感器部分的結(jié)構(gòu)框圖有些不同。
　　智能傳感器部分包括信號調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器和EEPROM(電可擦除只讀存儲器)或其他非易失存儲器，EEPROM用于存放與傳感器有關(guān)的線性化、溫度補(bǔ)償?shù)葮?biāo)定數(shù)據(jù)和一些管理信息。雖然與這塊EEPROM有關(guān)的運(yùn)算是在數(shù)據(jù)處理和通信部分進(jìn)行的，但把它放在智能傳感器部分帶來了很大好處。主要是：(1)傳感器完全可互換；(2)針對不同現(xiàn)場總線，傳感器部分可以統(tǒng)一。
　　數(shù)據(jù)處理和通信部分包括不直接涉及傳感器的各部分，這部分也有一塊EEPROM或其他非易失存儲器，主要用于存放與儀表的組態(tài)及現(xiàn)場總線有關(guān)的信息。與傳感器分離后，在硬件上與傳感器完全脫鉤，因此只需為不同現(xiàn)場儀表準(zhǔn)備不同軟件，原則上用一種卡件就可滿足各種現(xiàn)場儀表的需要。
　　這種分體結(jié)構(gòu)使企業(yè)只需針對每種現(xiàn)場總線設(shè)計一種數(shù)據(jù)處理和通信卡，針對每種傳感器設(shè)計一種傳感器卡，兩類卡組合可產(chǎn)生多種現(xiàn)場總線智能儀表。分體結(jié)構(gòu)對加快新產(chǎn)品開發(fā)，降低開發(fā)和生產(chǎn)成本產(chǎn)生了很好效果。
　　智能化現(xiàn)場溫度變送器由于體積特別小，因此一般不采用這種分體結(jié)構(gòu)。
　　進(jìn)一步發(fā)展趨勢：在智能傳感器部分安裝一片集成了A/D轉(zhuǎn)換器和EEPROM的MCU，這樣智能傳感器部分輸出的是標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字信號。
　　僅從儀表外部設(shè)備看，新型智能化儀表甚至比前幾代儀表簡化了，但就通信和顯示內(nèi)容與前幾代儀表比，信息量和信息所反映問題的深度已不可同日而語，儀表信息化的趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。在這種情況下，8位MCU已經(jīng)顯得力不從心，16位、32位嵌入式MCU(EMCU)成為主流，整合了通信功能的EMCU尤其受歡迎。一些嵌入式芯片集成了通用系統(tǒng)的主要部分，形成單片系統(tǒng)(System on a Chip, SoC)。
　　
　　2. 軟件結(jié)構(gòu)　　
　　新型智能化現(xiàn)場儀表的軟件結(jié)構(gòu)與前兩種儀表不同。智能功能以功能塊形式出現(xiàn)，功能的調(diào)用以事件觸發(fā)形式進(jìn)行(如時間觸發(fā)事件)，因此智能功能執(zhí)行順序與程序編寫無關(guān)，不僅通過組態(tài)隨時可改變，使用中也會有變。事實(shí)上許多智能化現(xiàn)場儀表采用實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)，因此各功能塊可簡化地看作是同時運(yùn)行。
　　軟件與儀表輸入、輸出端的接口也與前兩種儀表不同。前面講到儀表硬件已經(jīng)是分體的，數(shù)據(jù)處理和通信部分需面對不同傳感器和執(zhí)行器接口。向下現(xiàn)場總線儀表采用類似傳感器塊和資源塊形式制作軟接口，簡化內(nèi)部程序?qū)ν獠吭O(shè)備(傳感器)的訪問。隨著OPC(OLE for Process Control)技術(shù)的推廣，儀表向上與系統(tǒng)間的接口也大大簡化。儀表只要按照OPC規(guī)定的結(jié)構(gòu)和格式編寫程序，就可很方便與各種系統(tǒng)連接。
　　隨著儀表軟件和硬件能力的提高，智能化儀表的功能已不局限于檢測和執(zhí)行，許多控制系統(tǒng)的功能也開始裝入儀表，隨之而來的是部分原控制系統(tǒng)低層工作站的任務(wù)也下移到了現(xiàn)場儀表。這極大豐富了儀表智能化的內(nèi)容，同時也大大增加了儀表軟件的復(fù)雜性。
　　總而言之，儀表軟件技術(shù)的發(fā)展方向之一是大量吸收信息技術(shù)的成果，在數(shù)字化基礎(chǔ)上迅速提高智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平。針對上述情況，還像前幾代儀表一樣繼續(xù)由少數(shù)幾個工程師編制軟件，已經(jīng)顯得既不經(jīng)濟(jì)也難以行得通了。
　　新型智能化儀表典型軟件結(jié)構(gòu)是：基礎(chǔ)嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)平臺+以現(xiàn)場實(shí)時通信為核心的測控儀表專業(yè)系統(tǒng)平臺+應(yīng)用軟件。
　   基礎(chǔ)嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)平臺主要功能是：實(shí)時任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)資源訪問等，部分操作系統(tǒng)將基于TCP/IP的通信也融入其中。典型系統(tǒng)有：VrTX、Nucleus、pSOS、VxWorks、Mc-OSII、RT-Linux等。對于一些對硬實(shí)時要求不太高的產(chǎn)品，也有用WinCE和PalmOS的。
　　測控儀表專業(yè)系統(tǒng)平臺的核心任務(wù)是：確保儀表通信的一致性和儀表功能的可互操作性。主要包括現(xiàn)場通信棧、儀表功能塊、儀表的電子設(shè)備描述以及分別針對溫度、流量、壓力、物位、成分和執(zhí)行器等儀表行規(guī)。儀表功能塊將智能儀表的常用功能規(guī)范化，給儀表的開發(fā)應(yīng)用帶來了極大方便。
　　應(yīng)用軟件要解決傳感器的激勵、信號處理、多傳感器數(shù)據(jù)融合等。
　　有了上述兩種依托信息技術(shù)發(fā)展建立起來的儀表共性系統(tǒng)平臺，一般儀表應(yīng)用軟件就較簡單，許多功能通過組態(tài)就可實(shí)現(xiàn)。但是針對傳感器信號處理的核心技術(shù)也在這里，這是我國儀表行業(yè)特別薄弱的地方。
　　
　　3. 標(biāo)準(zhǔn)化情況　　
　　IEC 60770-3對智能變送器的定義是：“具有與外部系統(tǒng)和操作人員雙向通信手段，用于發(fā)送測量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的變送器”。智能儀表的核心是三要素：(1)雙向通信功能；(2)除測控信息外還要發(fā)送狀態(tài)信息；(3)能接受外部命令的控制。同時應(yīng)注意到智能儀表的“智能”目前與“人工智能”無關(guān)。
　　現(xiàn)場總線技術(shù)給智能化儀表的發(fā)展帶來了飛躍也帶來了一些新問題。問題之一是儀表評估變得非常復(fù)雜，因?yàn)楫?dāng)對儀表進(jìn)行一對一(一臺主控計算機(jī)對一臺儀表)測試時的性能與多臺儀表一起工作的性能不同；儀表不同的組態(tài)可實(shí)現(xiàn)同樣的功能，但性能不同；儀表性能與網(wǎng)絡(luò)布置方式、組態(tài)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷都有關(guān)系。造成這種情況的根本原因是儀表與現(xiàn)場總線的聯(lián)系太緊密了，以至于我們無法脫離對現(xiàn)場總線的評價來單獨(dú)評估儀表的性能。我們不得不把儀表性能分為兩類：與時間無關(guān)的(如精確度、漂移等)，與時間相關(guān)的(如響應(yīng)時間、PID控制等)。與時間相關(guān)的性能也與現(xiàn)場總線的性能、組態(tài)等有關(guān)。
　　總之，三代智能化儀表的軟硬件結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，更重要的是它們在信息化水平上的區(qū)別。帶微處理器的儀表主要提供過程量信息(如溫度、壓力)，Smart智能儀表除提供過程信息外還提供儀表的狀態(tài)信息(如儀表是否有故障、當(dāng)前表內(nèi)溫度)和輔助參數(shù)信息(如對差壓表的溫度和靜壓)，智能儀表除提供過程和狀態(tài)信息外還提供通信質(zhì)量信息和信息處理功能(如各種運(yùn)算功能)。因此可以說網(wǎng)絡(luò)化是智能儀表手段，信息化是智能儀表的目的。