智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的結(jié)構(gòu)

　　智能化現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)儀表
　　早期智能儀表是從數(shù)字化儀表演化而來(lái)的。這個(gè)時(shí)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(xiàn)性化校正、環(huán)境溫度補(bǔ)償、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)校零、自動(dòng)校驗(yàn)、自診斷、計(jì)量單位轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、平均值、最大、最小值等統(tǒng)計(jì)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(shí)期的現(xiàn)場(chǎng)儀表因受體積、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素制約，智能功能一般較簡(jiǎn)單。向系統(tǒng)傳遞的過(guò)程信息以模擬4～20mA信號(hào)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(duì)點(diǎn)方式，有些儀表通信甚至是單向的，僅傳送過(guò)程信息。由于速度等方面原因，數(shù)字通信信息還不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制要求。這個(gè)時(shí)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(xiàn)。因此可以說(shuō)，智能化現(xiàn)場(chǎng)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(lèi)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(chǎng)儀表典型硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，該結(jié)構(gòu)由當(dāng)時(shí)微處理器芯片的功能決定。
　　按功能不同智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表分為“檢測(cè)”和“執(zhí)行”兩類(lèi)，前者泛指各種從對(duì)象直接或間接獲得信息的儀表，后者泛指各種改變對(duì)象狀態(tài)的儀表。
　　圖1主要針對(duì)檢測(cè)儀表。對(duì)于執(zhí)行器類(lèi)智能化現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)”或“執(zhí)行”任務(wù)，其中包括許多智能功能，如線(xiàn)性化校正、環(huán)境溫度補(bǔ)償、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)校零、數(shù)字濾波等。在設(shè)置狀態(tài)儀表執(zhí)行對(duì)各種智能功能的組態(tài)和自診斷、自動(dòng)校驗(yàn)和標(biāo)定等智能功能。大多數(shù)智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表，工作狀態(tài)的各項(xiàng)任務(wù)是在線(xiàn)實(shí)時(shí)執(zhí)行的，設(shè)置狀態(tài)的任務(wù)則是離線(xiàn)執(zhí)行的。部分智能功能的選用和切換可在線(xiàn)實(shí)施，但智能功能的參數(shù)設(shè)置必須離線(xiàn)進(jìn)行。
　　為使智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)現(xiàn)傻瓜化，一般在首次開(kāi)機(jī)時(shí)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(cè)量(或執(zhí)行)功能。
　　
　　工作狀態(tài)軟件結(jié)構(gòu)往往較簡(jiǎn)單，除開(kāi)機(jī)時(shí)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(shí)按設(shè)置要求決定是否執(zhí)行或選擇執(zhí)行某段程序(見(jiàn)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(shí)性，工作狀態(tài)下智能功能調(diào)用和切換以及鍵盤(pán)處理程序，一般都以中斷方式進(jìn)行。
　　這時(shí)期智能化現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間關(guān)系是在程序設(shè)計(jì)階段決定的，使用時(shí)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(jiǎn)單形式是只有數(shù)字顯示和很小的鍵盤(pán)(鍵很少)。這時(shí)各項(xiàng)設(shè)置只能以輪詢(xún)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(duì)參數(shù)種類(lèi)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(jiǎn)化設(shè)置，可將功能按層次分成組，所有功能的安排呈樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。這樣的程序結(jié)構(gòu)可用圖3表示。
　　
　　對(duì)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(shí)，軟件可采用鍵盤(pán)直接分析法。這時(shí)程序結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(duì)一鍵多義形式，情況較復(fù)雜。有的儀表采用電話(huà)鍵盤(pán)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(guò)第二功能鍵——“2nd”、移位鍵——“Shift”或控制鍵——“Ctrl”來(lái)擴(kuò)展。這時(shí)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(lái)進(jìn)行鍵盤(pán)狀態(tài)分析，并依此來(lái)設(shè)計(jì)程序。
　　對(duì)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(cuò)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(cuò)性是體現(xiàn)儀表智能程度的重要一環(huán)。可以說(shuō)，設(shè)置狀態(tài)程序在儀表中起著“操作系統(tǒng)”的作用。
　　這時(shí)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(chēng)作“帶微處理器的儀表”。　　
　　二 過(guò)渡期智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表　　
　　早期智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)字化主要是在儀表內(nèi)部，儀表的過(guò)程信號(hào)輸出主要還是依靠4～20mA模擬信號(hào)。一些具有數(shù)字通信接口的儀表，其數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)往往通過(guò)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(shí)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(xiāo)售商完成。這種儀表稱(chēng)為“半智能化儀表”。
　　80年代起，出現(xiàn)了模擬與數(shù)字信號(hào)兼容的信號(hào)制式，使模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)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(guò)多年競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)在以Bell 202協(xié)議為基礎(chǔ)的HART協(xié)議以其開(kāi)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(xiàn)制測(cè)量開(kāi)關(guān)(如物位開(kāi)關(guān)，流量開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等)和半智能化儀表中。
　　HART以2200Hz和1200Hz的調(diào)制信號(hào)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(duì)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(guò)程量信號(hào)。因此在大多數(shù)過(guò)程控制應(yīng)用中，控制信號(hào)仍采用4～20mA，數(shù)字信號(hào)主要用于儀表的管理、維護(hù)。當(dāng)然在有些對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合(如油罐區(qū)的測(cè)控系統(tǒng))也可直接采用多點(diǎn)模式的數(shù)字通信。
　　當(dāng)時(shí)智能化現(xiàn)場(chǎng)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(huì)使用智能化儀表。這時(shí)期的數(shù)字通信一般是串行、雙向的，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為主，連網(wǎng)能力很差。通信內(nèi)容不僅包括過(guò)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(xiàn)方式，但也有一些儀表將許多組態(tài)功能改成在線(xiàn)方式，只有校驗(yàn)等功能仍然采用離線(xiàn)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(lèi)與模擬信號(hào)兼容智能現(xiàn)場(chǎng)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(guò)渡時(shí)期產(chǎn)品，但是它總是在人們預(yù)計(jì)的“末日”以性能和市場(chǎng)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)頑強(qiáng)地延續(xù)下去。直到2003年其年增長(zhǎng)幅度還是超過(guò)5%的，現(xiàn)在誰(shuí)也無(wú)法預(yù)計(jì)這個(gè)過(guò)渡期有多長(zhǎng)。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(guó)際文件開(kāi)始將Smart儀表作為一個(gè)下屬部類(lèi)全部納入Intelligent儀表觀念。
　　
　　1. 硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　這時(shí)期智能化現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(zhuān)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(lái)表示，兩片儀表甚至單片儀表已經(jīng)商品化。對(duì)于執(zhí)行類(lèi)儀表，輸入信號(hào)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(lì)電路塊也要做相應(yīng)調(diào)整。
　　由于要與4～20mA信號(hào)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(duì)于采用通用集成電路的設(shè)計(jì)，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(xiàn)少，有利于減小體積降低功耗。常用串行接口有：二線(xiàn)接口I2C、三線(xiàn)接口SPI或MicroWire。
　　這一代智能化現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，采用串接4～20mA顯示單元；另一種是帶較少的鍵和一個(gè)LCD。前一種風(fēng)格只能顯示過(guò)程量，不能進(jìn)行完整的就地組態(tài)。由于現(xiàn)場(chǎng)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(jì)相當(dāng)經(jīng)濟(jì)。第二種風(fēng)格的設(shè)計(jì)可以避免使用手持通信器，當(dāng)系統(tǒng)很小時(shí)，節(jié)省一個(gè)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(jià)格也較便宜，這些給儀表采用復(fù)雜算法和高級(jí)語(yǔ)言創(chuàng)造了條件。
　　從這時(shí)開(kāi)始，人們已廣泛接受了這樣的設(shè)計(jì)原則：(1)要把軟件可能對(duì)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(duì)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(duì)提高儀表產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比來(lái)說(shuō)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(jià)格的下降，人們又將第一條原則改為：將數(shù)字部分可能對(duì)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(duì)儀表設(shè)計(jì)概念的影響是多方面的，例如：現(xiàn)在設(shè)計(jì)師就可在信噪比允許的情況下取消量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路和相關(guān)算法。自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換是影響儀表響應(yīng)時(shí)間的重要因素，同時(shí)為克服量程的反復(fù)切換而設(shè)計(jì)的量程切換差，產(chǎn)生了小范圍的附加回差，這對(duì)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(dòng)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(duì)儀表精確度的影響，多項(xiàng)式、樣條和多元插值算法，統(tǒng)計(jì)算法，實(shí)時(shí)的最小二乘算法等廣泛采用；為利用軟件來(lái)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(guó)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(gè)別研究也僅限于建立一個(gè)理論模型，而沒(méi)有考慮算法安裝在MCU中的可能性和在儀表生產(chǎn)過(guò)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(kāi)始廣泛采用C語(yǔ)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(guó)曾廣泛采用三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù))，在類(lèi)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(jì)溫度變送器時(shí)都直接實(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和熱電阻品種的高精確度線(xiàn)性化。
(2)軟件結(jié)構(gòu)
　　雖然Smart儀表與模擬信號(hào)兼容，在過(guò)程控制中將模擬信號(hào)作為主要信號(hào)；但是我們?cè)谠O(shè)計(jì)和使用時(shí)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(duì)儀表做組態(tài)，但所有組態(tài)變化都須及時(shí)地讓系統(tǒng)主機(jī)知道。由于HART協(xié)議采用主從式訪問(wèn)方式，因此主機(jī)不發(fā)出訪問(wèn)，從機(jī)是無(wú)法主動(dòng)將組態(tài)變化情況上傳的，這在應(yīng)用時(shí)必須注意。現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)智能儀表的軟件就功能而言至少分為3個(gè)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(gè)狀態(tài)理解為3臺(tái)CPU。工作狀態(tài)CPU和設(shè)置狀態(tài)CPU同時(shí)工作，工作狀態(tài)CPU連續(xù)工作，處理“測(cè)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(tái)CPU間通過(guò)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(zhuān)門(mén)定時(shí)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(mǎn)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(lèi)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(jiàn)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(pán)。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(pán)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(jiǎn)潔有效。對(duì)于既有就地顯示和鍵盤(pán)又有通信功能的儀表，妥善設(shè)計(jì)鍵盤(pán)、通信主機(jī)和手持通信器同時(shí)對(duì)儀表實(shí)施組態(tài)時(shí)的仲裁機(jī)制和時(shí)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(duì)大部分國(guó)內(nèi)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)較熟悉，但部分技術(shù)人員對(duì)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(jì)基本前提是：信道是有干擾的，原始通信是會(huì)出錯(cuò)的，因此必須有查錯(cuò)和糾錯(cuò)措施。錯(cuò)誤分為兩類(lèi)：收發(fā)差錯(cuò)和內(nèi)容差錯(cuò)。收發(fā)差錯(cuò)主要指信息與干擾的混淆和時(shí)序錯(cuò)誤，內(nèi)容差錯(cuò)指各種對(duì)信息的歪曲。Smart儀表糾錯(cuò)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(cuò)的任務(wù)，也擔(dān)負(fù)部分內(nèi)容差錯(cuò)的查錯(cuò)任務(wù)(用縱橫奇偶校驗(yàn)查錯(cuò))。因此數(shù)據(jù)鏈路層是保證現(xiàn)場(chǎng)通信成功的基礎(chǔ)。說(shuō)數(shù)據(jù)鏈路層復(fù)雜是因?yàn)閷?duì)它不熟悉，其實(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(xiàn)就能達(dá)到協(xié)議規(guī)定的水平。
　　命令層對(duì)通信差錯(cuò)用核對(duì)數(shù)據(jù)格式、檢查狀態(tài)字與校驗(yàn)和來(lái)檢查。此外還有內(nèi)容差錯(cuò)。內(nèi)容差錯(cuò)也分為兩類(lèi)：一類(lèi)是通信造成的，另一類(lèi)是內(nèi)容本身的差錯(cuò)(如參數(shù)超出許可范圍)。第一類(lèi)差錯(cuò)由命令層程序完成查錯(cuò)和自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)任務(wù)。第二類(lèi)差錯(cuò)，由于在鍵操作也會(huì)發(fā)生，因此需在處理每條命令時(shí)查錯(cuò)并返回出錯(cuò)信息。
　　智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表功能強(qiáng)帶來(lái)的問(wèn)題是操作復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)人員做出錯(cuò)誤操作的可能性極大，因此我們又有一條設(shè)計(jì)前提，就是：錯(cuò)誤操作是不可避免的。一般而言，現(xiàn)場(chǎng)儀表要能抵御除嚴(yán)重物理?yè)p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(cuò)誤操作。由此可料到，儀表軟件中診斷和處理出錯(cuò)的程序量是很大的，許多智能化程度較高的儀表，出錯(cuò)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(hào)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(duì)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(gè)熱電偶傳感器用在這么寬的范圍，如果這個(gè)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(duì)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(tái)儀表，一臺(tái)是全數(shù)字化的儀表，另一臺(tái)是模擬儀表。數(shù)字儀表由兩部分組成，模擬信號(hào)調(diào)理部分和數(shù)字信號(hào)處理部分。
　　根據(jù)儀表類(lèi)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(hào)處理部分，將每臺(tái)傳感器和模擬信號(hào)調(diào)理器的不一致連同非線(xiàn)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(hào)處理，標(biāo)定時(shí)僅僅將不同傳感器的信號(hào)歸一化，典型例子是溫度變送器。
　　在數(shù)字信號(hào)處理部分，它的變量范圍是從VLL到VUL，這個(gè)范圍在變送器設(shè)計(jì)完成以后就不可變了。變送器與傳感器組裝時(shí)要在儀表內(nèi)設(shè)定LSL和USL。當(dāng)信號(hào)超出LSL、USL或VLL、VUL時(shí)，儀表會(huì)按約定的方式報(bào)警。LSL、USL、VLL和VUL的設(shè)定是由制造廠完成的，用戶(hù)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(shí)一般取LRV=LSL和URV=USL，使用時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)定LRV使之對(duì)應(yīng)4mA輸出，設(shè)定URV使之對(duì)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(hù)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(huì)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(jiǎn)單的標(biāo)定才會(huì)有好的結(jié)果。
　　還有一點(diǎn)概念上的問(wèn)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(shí)在對(duì)儀表的前級(jí)信號(hào)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(chǎng)儀表　　
　　新型智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表指全數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表，它們同時(shí)具有信息的采集、儲(chǔ)存、處理和傳輸功能。它們加工的信息包括：過(guò)程對(duì)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(tái)儀表處理信息的能力有限，因此經(jīng)常需幾臺(tái)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(duì)儀表的智能程度非常重要。
　　雖然現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)種類(lèi)很多，智能化現(xiàn)場(chǎng)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(shì)是共同的。
　　
　　1. 硬件結(jié)構(gòu)
　　
　　硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(duì)執(zhí)行器類(lèi)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(hào)調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器和EEPROM(電可擦除只讀存儲(chǔ)器)或其他非易失存儲(chǔ)器，EEPROM用于存放與傳感器有關(guān)的線(xiàn)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(lái)了很大好處。主要是：(1)傳感器完全可互換；(2)針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，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(chǔ)器，主要用于存放與儀表的組態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)儀表準(zhǔn)備不同軟件，原則上用一種卡件就可滿(mǎn)足各種現(xiàn)場(chǎng)儀表的需要。
　　這種分體結(jié)構(gòu)使企業(yè)只需針對(duì)每種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)處理和通信卡，針對(duì)每種傳感器設(shè)計(jì)一種傳感器卡，兩類(lèi)卡組合可產(chǎn)生多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表。分體結(jié)構(gòu)對(duì)加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，降低開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本產(chǎn)生了很好效果。
　　智能化現(xiàn)場(chǎng)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(shì)：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(hào)。
　　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(jiǎn)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(wèn)題的深度已不可同日而語(yǔ)，儀表信息化的趨勢(shì)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(chǎng)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(shí)間觸發(fā)事件)，因此智能功能執(zhí)行順序與程序編寫(xiě)無(wú)關(guān)，不僅通過(guò)組態(tài)隨時(shí)可改變，使用中也會(huì)有變。事實(shí)上許多智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表采用實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，因此各功能塊可簡(jiǎn)化地看作是同時(shí)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(duì)不同傳感器和執(zhí)行器接口。向下現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表采用類(lèi)似傳感器塊和資源塊形式制作軟接口，簡(jiǎn)化內(nèi)部程序?qū)ν獠吭O(shè)備(傳感器)的訪問(wèn)。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(jiǎn)化。儀表只要按照OPC規(guī)定的結(jié)構(gòu)和格式編寫(xiě)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(cè)和執(zhí)行，許多控制系統(tǒng)的功能也開(kāi)始裝入儀表，隨之而來(lái)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(chǎng)儀表。這極大豐富了儀表智能化的內(nèi)容，同時(shí)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(duì)上述情況，還像前幾代儀表一樣繼續(xù)由少數(shù)幾個(gè)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(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)+以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)通信為核心的測(cè)控儀表專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)平臺(tái)+應(yīng)用軟件。
　   基礎(chǔ)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)主要功能是：實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)資源訪問(wèn)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(duì)于一些對(duì)硬實(shí)時(shí)要求不太高的產(chǎn)品，也有用WinCE和PalmOS的。
　　測(cè)控儀表專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)平臺(tái)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(chǎng)通信棧、儀表功能塊、儀表的電子設(shè)備描述以及分別針對(duì)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(kāi)發(fā)應(yīng)用帶來(lái)了極大方便。
　　應(yīng)用軟件要解決傳感器的激勵(lì)、信號(hào)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(lái)的儀表共性系統(tǒng)平臺(tái)，一般儀表應(yīng)用軟件就較簡(jiǎn)單，許多功能通過(guò)組態(tài)就可實(shí)現(xiàn)。但是針對(duì)傳感器信號(hào)處理的核心技術(shù)也在這里，這是我國(guó)儀表行業(yè)特別薄弱的地方。
　　
　　3. 標(biāo)準(zhǔn)化情況　　
　　IEC 60770-3對(duì)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(cè)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(cè)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(shí)應(yīng)注意到智能儀表的“智能”目前與“人工智能”無(wú)關(guān)。
　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)給智能化儀表的發(fā)展帶來(lái)了飛躍也帶來(lái)了一些新問(wèn)題。問(wèn)題之一是儀表評(píng)估變得非常復(fù)雜，因?yàn)楫?dāng)對(duì)儀表進(jìn)行一對(duì)一(一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)對(duì)一臺(tái)儀表)測(cè)試時(shí)的性能與多臺(tái)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(chǎng)總線(xiàn)的聯(lián)系太緊密了，以至于我們無(wú)法脫離對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的評(píng)價(jià)來(lái)單獨(dú)評(píng)估儀表的性能。我們不得不把儀表性能分為兩類(lèi)：與時(shí)間無(wú)關(guān)的(如精確度、漂移等)，與時(shí)間相關(guān)的(如響應(yīng)時(shí)間、PID控制等)。與時(shí)間相關(guān)的性能也與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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?cè)谛畔⒒缴系膮^(qū)別。帶微處理器的儀表主要提供過(guò)程量信息(如溫度、壓力)，Smart智能儀表除提供過(guò)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(duì)差壓表的溫度和靜壓)，智能儀表除提供過(guò)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(shuō)網(wǎng)絡(luò)化是智能儀表手段，信息化是智能儀表的目的。