智能儀器是計算機技術(shù)與測試技術(shù)相結合的產(chǎn)物，儀器內部帶有處理能力很強的智能軟件。儀器儀表已不再是簡(jiǎn)單的硬件實(shí)體，而是硬件、軟件相結合。近年來(lái)，智能儀器已開(kāi)始從較為成熟的數據處理向知識處理發(fā)展，使其功能向更高層次發(fā)展。
1 智能儀器的發(fā)展
20世紀90年代以來(lái)，儀器儀表的智能化突出表現在以下幾個(gè)方面：
(2) 微型化。微電子技術(shù)、微機械技術(shù)、信息技術(shù)等的綜合應用使得儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器，能夠完成信號的采集、處理、控制信號的輸出、放大、與其它儀器的接口等功能，在自動(dòng)化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫療領(lǐng)域有著(zhù)獨特的作用。
(3) 多功能化。多功能本身就是智能儀器儀表的一個(gè)特點(diǎn)，例如具有脈沖發(fā)生器、頻率合成器和任意波形發(fā)生器等功能的函數發(fā)生器，不但性能上(如準確度)比專(zhuān)用脈沖發(fā)生器和頻率合成器高，而且在各種測試功能上提供了較好的解決方案。
(4) 智能化。現代檢測與控制系統，或多或少的趨向于智能化這個(gè)特點(diǎn)。智能儀器的進(jìn)一步發(fā)展將含有一定的人工智能，這樣就可無(wú)需人的干預而自主地完成檢測或控制功能。
(5)儀器虛擬化。在虛擬現實(shí)系統中，數據分析和顯示用PC機的軟件來(lái)完成，只要額外提供一定的數據采集硬件，就可以與PC機組成測量?jì)x器。這種基于PC機的測量?jì)x器稱(chēng)為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量?jì)x器。“軟件就是儀器”。作為虛擬儀器核心的軟件系統具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性，代表著(zhù)當今儀器發(fā)展的新方向。
(6) 儀器儀表系統的網(wǎng)絡(luò )化。一般的智能儀器儀表都具有雙向通信功能，但這種雙向通信功能離真正意義上的網(wǎng)絡(luò )通信還有距離。伴隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet技術(shù)使儀器儀表在實(shí)現智能化的基礎上同時(shí)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化，使現場(chǎng)測控參量就近登臨網(wǎng)絡(luò )，并具備必要的信息處理功能。
2 網(wǎng)絡(luò )化儀器的功能需求和技術(shù)支持
2.1 支持遠程測控需求
網(wǎng)絡(luò )化儀器，如現場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表，是適合在遠程測控中使用的儀器，是儀器測控技術(shù)、現代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)與微電子技術(shù)深度融合的結果。網(wǎng)絡(luò )化設備既可以像普通儀器那樣按設定程序對相關(guān)物理量進(jìn)行自動(dòng)測量、控制、存儲和顯示測量結果及控制狀態(tài)；同時(shí)具有重要的網(wǎng)絡(luò )應用特征，經(jīng)授權的儀器使用者，通過(guò)Internet可以遠程對儀器進(jìn)行功能操作、獲取測量結果并對儀器實(shí)時(shí)監控、設置參數和故障診斷，控制其在Internet上動(dòng)態(tài)發(fā)布信息。它們與計算機一樣，成了網(wǎng)絡(luò )中的獨立節點(diǎn)，很方便地就能與就近的網(wǎng)絡(luò )通信線(xiàn)纜直接連接，而且“即插即用”，直接將現場(chǎng)測試數據送上網(wǎng)；用戶(hù)通過(guò)瀏覽器或符合規范的應用程序即可實(shí)時(shí)瀏覽到這些信息(包括處理后的數據、儀器儀表的面板圖像等)。
2.2 網(wǎng)絡(luò )化儀器的特點(diǎn)
基于Internet的測控系統中前端模塊不僅完成信號的采集和控制，還兼顧實(shí)施對信號的分析與傳輸，因為它以一個(gè)功能強大的微處理器和一個(gè)嵌入式操作系統為支撐。在這個(gè)平臺上，使用者可以很方便地實(shí)現各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網(wǎng)絡(luò )傳輸方式的選擇。其次，基于Internet的測控系統最為顯著(zhù)的特點(diǎn)，是信號傳輸的方式發(fā)生了改變。基于Internet的測控系統對測量、控制信號等的傳輸，是建立在公共的Internet上的。有了前端嵌入式模塊，系統的測量數據安全有效的傳輸便成為可能。再有，基于Internet的測控系統對測得結果的表達和輸出也有了較大改進(jìn)，一方面，不管身在何處，使用者都可通過(guò)客戶(hù)機方便地瀏覽到各種實(shí)時(shí)數據，了解設備現在的工作情況；另一方面，在客戶(hù)端的控制中心，所擁有的智能化軟件和數據庫系統都可被調用來(lái)對測得結果分析，以及為使用者下達控制指令或作決策提供幫助。
2.3 接入Internet或以太網(wǎng)的方法
網(wǎng)絡(luò )化儀器儀表的設計方法，是把嵌入式系統嵌入到儀器儀表中，讓其成為測量和控制的核心。通常，嵌入式儀器接入Internet或以太網(wǎng)成為網(wǎng)絡(luò )儀器有三種方法：
(1) 由32位高檔MCU構成嵌入式儀器，因為有足夠資源可擴充利用，整個(gè)TCP/IP協(xié)議族可以做到系統里去，因而可以成為直接接入Internet的網(wǎng)絡(luò )儀器，但開(kāi)發(fā)難度大；
(2) 對于低檔8位機組成的嵌入式儀器，采用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )（如RS-232、RS-485、Profibus等）將若干嵌入式儀器與PC相連，把PC作為網(wǎng)關(guān)，并由PC把該網(wǎng)絡(luò )上的信息轉換為T(mén)CP/IP協(xié)議數據包，發(fā)送到Internet上實(shí)現信息共享，但必須要專(zhuān)門(mén)配一臺PC來(lái)進(jìn)行協(xié)議轉換；
(3) 由8位單片機組成直接接入Internet的嵌入式網(wǎng)絡(luò )化儀器，這種方案好處是可以利用以前的基于8位單片機的測量設備，通過(guò)外加網(wǎng)絡(luò )芯片，直接驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )接口芯片，但占用資源（ROM、RAM、CPU）較多，要求單片機具有足夠快的運行速度。
2.4 支持網(wǎng)絡(luò )的接口芯片
網(wǎng)絡(luò )接口芯片使用RELTEK公司的RTL8019AS，由于其優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格，是用來(lái)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊的理想芯片。
(1) 主要性能
符合EthernetⅡ與IEEE802.3標準；為全雙工通信接口，收發(fā)可同時(shí)達到10Mbps的速率；內置16K的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；支持8/16位數據總線(xiàn)，8條中斷申請線(xiàn)以及16個(gè)I/O基地址選擇；能完成物理幀的形成、編解碼、CRC的形成和校驗、數據的收發(fā)等，可以通過(guò)交換機在雙絞線(xiàn)上同時(shí)發(fā)送和接收數據。
(2) 內部結構
RTL8019AS內部可分為遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）邏輯、數據編碼解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內部RAM進(jìn)行讀寫(xiě)的總線(xiàn)，即ISA總線(xiàn)的接口部分。單片機收發(fā)數據只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線(xiàn)的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線(xiàn)的數據交換。
(3) 內部RAM地址空間分配
RTL8019AS內部有兩塊RAM區。一塊16K字節，地址為0x4000~0x7fff；一塊32字節，地址為0x0000~0x001f。RAM按頁(yè)存儲，每256字節為一頁(yè)。一般將RAM的前12頁(yè)（即0x4000~0x4bff）存儲區作為發(fā)送緩沖區；后52頁(yè)（即0x4c00~0x7fff）存儲區作為接收緩沖區。第0頁(yè)地址為0x0000~0x001f，用于存儲以太網(wǎng)物理地址。
(4) I/O地址分配
RTL8019AS具有32位輸入輸出地址，地址偏移量為00H~1FH。其中00H~0FH共16個(gè)地址，為寄存器地址。寄存器分為4頁(yè)：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位來(lái)決定要訪(fǎng)問(wèn)的頁(yè)。遠程DMA地址包括10H~17H，都可以用來(lái)作遠程DMA端口，只要用其中的一個(gè)就可以了。復位端口包括18H~1FH共8個(gè)地址，功能一樣，用于RTL8019AS復位。
3 網(wǎng)絡(luò )化儀器的體系結構及實(shí)現
3.1 抽象模型
網(wǎng)絡(luò )化儀器是電工電子、計算機硬件軟件以及網(wǎng)絡(luò )、通信等多方面技術(shù)的有機組合體，結構比較復雜，多采用體系結構來(lái)表示其總體框架和系統特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )化儀器的體系結構，包括基本網(wǎng)絡(luò )系統硬件、應用軟件和各種協(xié)議。圖1是網(wǎng)絡(luò )化儀器體系結構的一個(gè)簡(jiǎn)單模型，該模型將網(wǎng)絡(luò )化儀器劃分成若干邏輯層，可更本質(zhì)的反映網(wǎng)絡(luò )化儀器具有的信息采集、存儲、傳輸和分析處理的原理特征
首先是硬件層，主要指遠端傳感器信號采集單元，包括微處理器系統、信號采集系統、硬件協(xié)議轉換和數據流傳輸控制系統。硬件層功能的實(shí)現得益于嵌入式系統的技術(shù)進(jìn)步和近年來(lái)大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，硬件協(xié)議轉換和數據流傳輸控制依靠FPGA/CPLD實(shí)現。
另一個(gè)邏輯層是嵌入式操作系統內核，該層的主要功能是提供一個(gè)控制信號采集和數據流傳輸的平臺。該平臺的前端模塊單元的主要資源有處理器、存儲器、信號采集單元和信息；主要功能是合理分配、控制處理器，控制信號的采集單元以使其正常工作，并保證數據流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和接口等組成。根據應用的不同，本層的具體實(shí)現方式可能不同，且可在一定程序上簡(jiǎn)化。
3.2 外圍硬件設計方案
Internet或以太網(wǎng)通信的硬件設計方案有兩個(gè)。
(1) 以專(zhuān)用CPU作為控制器，使用C語(yǔ)言編程實(shí)現TCP/IP通信。優(yōu)點(diǎn)是：專(zhuān)用CPU的處理能力較強，便于實(shí)現測試儀器的其它功能。缺點(diǎn)是成本略高，硬件略復雜。
(2) 使用51系列單片機作為控制器的CPU，不采用嵌入式操作系統，直接使用C51編程，實(shí)現數據鏈路層協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。優(yōu)點(diǎn)是硬件比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低。缺點(diǎn)是軟件工作量大，難度也大。以單片機為核心、采用RTL8019以太網(wǎng)接口芯片為網(wǎng)絡(luò )儀器接口所組成的網(wǎng)絡(luò )化儀器的基本結構如圖2所示。
3.3 協(xié)議和設計
系統進(jìn)行初始化操作，主要是對網(wǎng)絡(luò )接口芯片進(jìn)行配置。配置完后，系統處于等待狀態(tài)，直到客戶(hù)方有數據發(fā)送過(guò)來(lái)。數據的接收是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口芯片實(shí)現的，它能夠對網(wǎng)絡(luò )上的物理幀進(jìn)行包過(guò)濾。當一個(gè)以太網(wǎng)站點(diǎn)的信息幀被發(fā)送到共享的信號信道或介質(zhì)時(shí)，所有與信道相連的以太網(wǎng)接口都讀入該幀，并且查看該幀的第一個(gè)48bit地址字段，其中包含有目的地址。各個(gè)接口把幀的目的地址與自己的48bit地址進(jìn)行比較。如果該地址與幀的目的地址相同，則該以太網(wǎng)站點(diǎn)將繼續讀入整個(gè)幀，并將它送給計算機正在運行的上層網(wǎng)絡(luò )軟件。上層網(wǎng)絡(luò )軟件讀入幀的類(lèi)型字段，判斷這個(gè)信息幀是ARP包還是IP包，然后再交給不同的協(xié)議棧處理。當其他的網(wǎng)絡(luò )接口發(fā)現目的地址與它們的地址不同時(shí)，就會(huì )停止讀入該幀。
發(fā)送數據時(shí)，將待發(fā)送的數據按幀格式封裝，通過(guò)遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩沖區，然后發(fā)出傳送命令，完成幀的發(fā)送。需要設置以太網(wǎng)目的地址、以太網(wǎng)源地址、協(xié)議類(lèi)型，再按所設置的協(xié)議類(lèi)型來(lái)設置數據段。之后啟動(dòng)遠程DMA，數據寫(xiě)入RTL8019AS的RAM，再啟動(dòng)本地DMA，將數據發(fā)送到網(wǎng)上。RTL8019AS無(wú)法將數據包通過(guò)DMA通道一次存入FIFO，則在構成一個(gè)新的數據包之前必須先等待前一數據包發(fā)送完成。為提高發(fā)送效率，設計將12頁(yè)的發(fā)送緩存區分為兩個(gè)6頁(yè)的發(fā)送緩沖區，一個(gè)用于數據包發(fā)送，另一個(gè)用于構造端的數據包，交替使用。
4 結束語(yǔ)
隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)步和不斷拓展，21世紀的儀器概念將是一個(gè)開(kāi)放的系統概念。以PC機和工作站為基礎，通過(guò)組建網(wǎng)絡(luò )來(lái)構成實(shí)用的測控系統，提高生產(chǎn)效率和共享信息資源，已成為現代
儀器儀表發(fā)展的方向。網(wǎng)絡(luò )化儀器的概念是對傳統測量?jì)x器概念的突破。從某種意義上說(shuō)，計算機和現代儀器儀表已相互包容，計算機網(wǎng)絡(luò )也就是通用的儀器網(wǎng)絡(luò )。如果在測控系統中由更多不同類(lèi)型的智能設備也像計算機和工作站一樣成為網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)聯(lián)入網(wǎng)絡(luò )，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網(wǎng)絡(luò )的設備，則將不僅能實(shí)現更多資源的共享、降低組建系統的費用，還可提高測控系統的功能，并拓展其應用的范圍。“網(wǎng)絡(luò )就是儀器”的概念，確切的概述了儀器的網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展趨勢。