范铠先生，上海工业自动化仪表研究所副所长、教授级高级工程师。 关键词：现场总线　智能仪表 　　智能化现场仪表最早出现在20世纪70年代后期，在20多年的发展历程中，它们的性能、功能、应用模式都发生了巨大变化。本文介绍智能化现场仪表内部硬件、软件结构的变化。 一 早期智能化现场仪表 　　早期智能仪表是从数字化仪表演化而来的。这个时期的智能仪表普遍采用微处理器，利用微处理器方便地实现了一系列智能功能，包括线性化校正、环境温度补偿、自动量程转换、自动校零、自动校验、自诊断、计量单位转换、数字滤波、平均值、最大、最小值等统计量、各种算法块等，一些仪表还具有数据通信功能。 　　这一时期的现场仪表因受体积、现场环境等因素制约，智能功能一般较简单。向系统传递的过程信息以模拟4～20mA信号为主，参数设置以就地设置为主，数据通信一般采用点对点方式，有些仪表通信甚至是单向的，仅传送过程信息。由于速度等方面原因，数字通信信息还不能满足实时控制要求。这个时期实验室仪表的智能功能已相当完善，出现了GBIP通信总线。因此可以说，智能化现场仪表的发展是跟着智能化实验室仪表走的。 　　智能仪表种类很多，但带微处理器仪表的硬件、软件结构有许多共同点。 1. 硬件结构 　　早期智能化现场仪表典型硬件结构见图1，该结构由当时微处理器芯片的功能决定。 　　按功能不同智能化现场仪表分为“检测”和“执行”两类，前者泛指各种从对象直接或间接获得信息的仪表，后者泛指各种改变对象状态的仪表。 　　图1主要针对检测仪表。对于执行器类智能化现场仪表，其硬件结构在A/D和D/A转换器以外的部分与图1不同，其余部分则大同小异。 2. 软件结构 　　智能化现场仪表的程序组织经常使用状态分析法。在应用中仪表至少应有两种运行状态：工作状态和设置状态。在工作状态仪表执行正常“检测”或“执行”任务，其中包括许多智能功能，如线性化校正、环境温度补偿、自动量程转换、自动校零、数字滤波等。在设置状态仪表执行对各种智能功能的组态和自诊断、自动校验和标定等智能功能。大多数智能化现场仪表，工作状态的各项任务是在线实时执行的，设置状态的任务则是离线执行的。部分智能功能的选用和切换可在线实施，但智能功能的参数设置必须离线进行。 　　为使智能化现场仪表实现傻瓜化，一般在首次开机时仪表的缺省设置使仪表运行在工作状态，执行仪表的最基本测量(或执行)功能。 　　工作状态软件结构往往较简单，除开机时的初始化程序外，其余程序呈循环结构。循环结构内的程序是仪表的主程序，主程序内的各子程序分别执行不同智能功能。一部分子程序呈串行或并行选择结构，运行时按设置要求决定是否执行或选择执行某段程序(见图2)。工作状态与设置状态间靠RAM和/或EEPROM保存的标志位和参数交换信息。图2中功能一代表必备功能，功能二代表可选功能，功能三、四、五代表互斥的多选一功能。为确保程序实时性，工作状态下智能功能调用和切换以及键盘处理程序，一般都以中断方式进行。 　　这时期智能化现场仪表软件的重要特点是：各项智能功能执行的顺序和时间关系是在程序设计阶段决定的，使用时我们可选择用或不用某项智能功能，但不能改变它与其他智能功能间的关系。 　　设置状态的软件结构与智能仪表的人机界面形式有关。 　　最简单形式是只有数字显示和很小的键盘(键很少)。这时各项设置只能以轮询方式进行。界面上轮流显示仪表需设置的功能，当出现打算设置的功能，按键转入参数设置状态；在参数设置状态，界面上按位显示参数，按键进行设置；对参数种类很少的情况，也可采取穷举方式显示参数。如果仪表功能较多，为简化设置，可将功能按层次分成组，所有功能的安排呈树状结构。这样的程序结构可用图3表示。 　　对于多键情况，有分为一键一义形式和一键多义形式。 　　一键一义形式时，软件可采用键盘直接分析法。这时程序结构最简单，根据所按的键进入指定程序分支，然后设置参数。 　　对一键多义形式，情况较复杂。有的仪表采用电话键盘形式，键既可以输入数字，又可输入字母；有的仪表采用混合方式，一部分键是一键一义，另一部分键一键多义。键组的功能可通过第二功能键——“2nd”、移位键——“Shift”或控制键——“Ctrl”来扩展。这时设置状态的软件结构就显得有点复杂。可采用“有限状态机”方法来进行键盘状态分析，并依此来设计程序。 　　对于功能较丰富的智能仪表，设置状态的人机界面程序占仪表程序总量的比重很大。要检查错误设置、限制各种非法参数、避免不同功能间的冲突，总之提高仪表的容错性是体现仪表智能程度的重要一环。可以说，设置状态程序在仪表中起着“操作系统”的作用。 　　这时期的智能仪表功能还不完备，与现代智能仪表的定义有差距，因此现称作“带微处理器的仪表”。 二 过渡期智能化现场仪表 　　早期智能化现场仪表的数字化主要是在仪表内部，仪表的过程信号输出主要还是依靠4～20mA模拟信号。一些具有数字通信接口的仪表，其数字信号与模拟信号往往通过不同通道传输。 　　首先从仪表智能化中获益的是仪表制造者，一些仪表制造者给仪表专门设计了调校和组态用双向通信接口，大大方便了调校，提高了仪表性能。但仪表在使用时是完全模拟化的。这种仪表的数字通信距离一般很近，组态一般由制造商或销售商完成。这种仪表称为“半智能化仪表”。 　　80年代起，出现了模拟与数字信号兼容的信号制式，使模拟信号与数字信号共用一条通道。兼容方式有采用移频键控(FSK)调制方式，也有分别用4mA、20mA表示“0”、“1”方式。 　　经过多年竞争，现在以Bell 202协议为基础的HART协议以其开放性成为事实上的工业标准，获得广泛使用。以4mA、20mA表示“0”、“1”的方式，主要用在两线制测量开关(如物位开关，流量开关、光电开关、接近开关等)和半智能化仪表中。 　　HART以2200Hz和1200Hz的调制信号分别表示“0”和“1”，传输速率为1200b/s，与4～20mA兼容，通常工作在点对点模式，也可采用多点模式。HART协议传输速率较低，仪表每秒可传送2～3次过程量信号。因此在大多数过程控制应用中，控制信号仍采用4～20mA，数字信号主要用于仪表的管理、维护。当然在有些对速度要求不高的场合(如油罐区的测控系统)也可直接采用多点模式的数字通信。 　　当时智能化现场仪表在数字化方面仍不彻底，但是它却让人们了解了智能化仪表的优越性，逐步学会使用智能化仪表。这时期的数字通信一般是串行、双向的，以点对点通信为主，连网能力很差。通信内容不仅包括过程信息，更多是用于传送遥控组态信息。虽然许多仪表组态仍采用离线方式，但也有一些仪表将许多组态功能改成在线方式，只有校验等功能仍然采用离线方式。 　　由于采用了数字通信，在一条信道上传送的信息就可以不止一条，这为复合参数智能仪表提供了条件。 　　这类与模拟信号兼容智能现场仪表的英文名字是“Smart Instrument”，与全数字智能仪表“Intelligent Instrument”不同，但它们的中文译名相同，都叫“智能化仪表”。虽然大家都承认Smart仪表仅仅是一种过渡时期产品，但是它总是在人们预计的“末日”以性能和市场的强劲增长顽强地延续下去。直到2003年其年增长幅度还是超过5%的，现在谁也无法预计这个过渡期有多长。随着近年Smart仪表技术性能的发展和应用面仍然领先于Intelligent仪表，因此有些国际文件开始将Smart仪表作为一个下属部类全部纳入Intelligent仪表观念。 1. 硬件结构 　　这时期智能化现场检测仪表硬件从功能上可用图4表示。由于各企业广泛采用自行定制的专用集成电路，因此物理上的结构就难以用一种典型产品来表示，两片仪表甚至单片仪表已经商品化。对于执行类仪表，输入信号是4～20mA的，因此图中A/D、D/A转换电路位置互换，传感器、调理器和激励电路块也要做相应调整。 　　由于要与4～20mA信号兼容，因此硬件中普遍采用低功耗器件，装配工艺普遍采用表面安装技术(SMT)。对于采用通用集成电路的设计，数字电路间的连接一般采用串行接口；串行接口间的连线少，有利于减小体积降低功耗。常用串行接口有：二线接口I2C、三线接口SPI或MicroWire。 　　这一代智能化现场仪表的人机接口出现了两种风格：一种是仪表本身只有很少键，不直接带显示，需就地显示时，采用串接4～20mA显示单元；另一种是带较少的键和一个LCD。前一种风格只能显示过程量，不能进行完整的就地组态。由于现场仪表就地组态可借助于手持通信器进行，因此这种设计相当经济。第二种风格的设计可以避免使用手持通信器，当系统很小时，节省一个手持通信器往往更经济。 2. 软件 　　(1)算法 　　这一代仪表虽然使用MCU(单片微控制器)，但是这些芯片功能很强