李超女士，华东理工大学硕士研究生；赵菡女士，讲师；凌志浩先生，教授。 关键词：智能仪器　网络化仪器　以太网接入技术　支持芯片 　　在当今信息化时代，各应用领域常以信息的获取和利用为中心。尤其在现代工业生产过程中，测控过程和信息管理的自动化，涌现出大量以计算机为核心的信息处理与过程控制相结合的应用系统。伴随着这种系统的发展，出现了智能仪器。 　　智能仪器是计算机技术与测试技术结合的产物，在其内部带有处理能力很强的处理器和智能软件。仪器仪表已不再是简单的硬件实体，而是硬件与软件相结合。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理过渡，并向网络应用的更高层次发展。 一 智能仪器的发展特征 　　20世纪90年代以来，仪器仪表的发展特征突出表现在以下几个方面： 　　(1)综合化。电子测量仪器、自动化仪表、自动化检测系统、数据采集和控制系统由于生产自动化需求，在发展中功能相互覆盖，差异缩小，体现为一种“信息流”综合管理与控制系统。 　　(2)微型化。微电子、微机械、信息技术等的综合应用使得仪器成为体积小、功能全的智能仪器，能完成信号采集、处理、控制信号的输出、放大与其他仪器的接口等功能，在自动化技术、航天、军事、生物、医疗领域有着独特作用。 　　(3)多功能化。多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点，如具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器，不但性能上(如准确度)比专用脉冲发生器和频率合成器高，且在各种测试功能上提供了较好解决方案。 　　(4)智能化。仪器的进一步发展将含有一定人工智能，这样就可无需人为干预而自主完成检测或控制功能。 　　(5)仪器虚拟化。在虚拟现实系统中，数据分析和显示用PC机的软件来完成，只要额外提供一定数据采集硬件，就可与PC机组成测量仪器。这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器VI(Virtual Instrument)。在VI中，使用同一硬件系统，只要应用不同软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。“软件就是仪器”。作为VI核心的软件系统具有通用性、可视性、可扩展性和升级性，代表着当今仪器发展新方向。 　　(6)仪器仪表系统的网络化。一般智能仪器仪表都具有双向通信功能，但这种功能离真正意义上的网络通信还有距离。随着网络技术的飞速发展，Internet技术使仪器仪表在实现智能化的基础上同时实现网络化，使现场测控参量就近连接网络，并具备必要信息处理功能。 二 对网络化仪器的功能需求和技术支持 1. 支持远程测控功能 　　网络化仪表，如现场总线智能仪表适合在远程测控中使用，是仪表测控、现代计算机、网络通信与微电子技术深度融合的结果。它既可像普通仪表那样按设定程序对相关物理量进行自动测量、控制、存储和显示测量结果及控制状态；同时具有重要网络应用特征，经授权的仪表使用者，通过Internet可远程对仪表进行功能操作、获取测量结果并对仪表实时监控、设置参数和故障诊断，控制其在Internet上动态发布信息。它们与计算机一样，是网络中的独立节点，能很方便地与就近网络通信线缆直接连接，且“即插即用”，直接将现场测试数据上网；用户通过浏览器或符合规范的应用程序即可实时浏览到这些信息(包括处理后的数据、仪器仪表的面板图像等)。 2. 网络化仪器的特点 　　基于Internet的测控系统中前端模块不仅完成信号采集和控制，还兼顾实施对信号的分析与传输，因为它以一个功能强大的微处理器和一个嵌入式操作系统为支撑。在该平台上，使用者可很方便实现各种测量功能模块的添加、删除以及不同网络传输方式的选择。其次，基于Internet的测控系统最为显著的特点是信号传输方式的改变。系统对测量、控制信号等的传输，是建立在公共Internet上。有了前端嵌入式模块，测量数据安全有效的传输便成为可能。再次，该测控系统对测量结果的表达和输出也有了较大改进，使用者随时随地都可通过客户机方便浏览各种实时数据，了解设备工作情况；在客户端控制中心，智能化软件和数据库系统都可被调用以分析测量结果，以及为使用者下达控制指令或作决策提供帮助。 3. 接入Internet或以太网的方法 　　网络化仪器仪表的设计方法，是把嵌入式系统嵌入到仪器仪表中，让其成为测量和控制核心。通常，嵌入式仪器接入Internet或以太网成为网络仪器有3种方法： 　　(1)由32位高档MCU构成嵌入式仪器，因为有足够资源可扩充利用，整个TCP/IP协议族可做到系统里去，因而可成为直接接入Internet的网络仪器，但开发难度大； 　　(2)对于低档8位机组成的嵌入式仪器，采用专用网络(如RS-232、RS-485、Profibus等)将若干嵌入式仪器与PC相连，把PC作为网关，并由PC把该网络上的信息转换为TCP/IP协议数据包，发送到Internet上实现信息共享，但必须专门配一台PC来进行协议转换； 　　(3)由8位单片机组成直接接入Inter-net的嵌入式网络化仪器，其好处是可利用以前的基于8位单片机的测量设备，通过外加网络芯片，直接驱动网络接口芯片，但占用资源(ROM、RAM、CPU)较多，要求单片机具有足够快的运行速度。 4. 支持Internet的接口芯片 　　(1)支持网络的接口芯片 　　网络接口芯片使用Reltek公司RTL8019AS，由于其性能优良、价格低廉，是用于以太网通信的理想芯片。 　　(a)主要性能：符合EthernetⅡ与IEEE802.3标准；为全双工通信接口，收发可同时达到10Mb/s的速率；内置16k SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求；支持8/16位数据总线，8条中断申请线以及16个I/O基地址选择；能完成物理帧的形成、编解码、CRC的形成和校验、数据的收发等，可通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据。 　　(b)内部结构：RTL8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介质访问控制)逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。远程DMA接口是指单片机对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线，即ISA总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。 　　(c)内部RAM地址空间分配：RTL8019AS内部有两块RAM区：一块16KB，地址0x4000～0x7fff；一块32B，地址0x0000～0x001f。RAM按页存储，每256B为一页。一般将RAM前12页(即0x4000～0x4bff)存储区作为发送缓冲区；后52页(即0x4c00～0x7fff)存储区作为接收缓冲区。第0页地址为0x0000～0x001f，用于存储以太网物理地址。 　　(d)I/O地址分配：RTL8019AS具有32位I/O地址，地址偏移量为00H～1FH。其中00H～0FH共16个地址，为寄存器地址。寄存器分为4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的命令寄存器CR中PS1、PS0位决定要访问的页。远程DMA地址包括10H～17H，都可用来作远程DMA端口，只要用其中一个即可。复位端口包括18H～1FH共8个地址，功能一样，用于RTL8019AS复位。 　　(2)TCP/IP协议转换芯片 　　近来精致科技公司推出飞虹系列网络协议处理器。该系列产品能让任何现有、新兴技术产品通过它接入网络，共享高效应用。这样，开发者就无需根据具体协议内容编写复杂打包和解包程序。 　　表1是处理器系列E51XX产品示意，采用通用MCU核、SoC(System on Chip)设计技术和软硬件混合协同设计技术实现TCP/IP协议栈处理器，其中包括PPP、IP、TCP、UDP、以太网协议等，外加Internet接口，既能在外接一个以太网控制芯片情况下实现互联网协议处理，使该单片机系统直接通过RJ45连到以太网上，也能通过Modem方式拨号上网。它可作为Internet服务器的协处理器，真正实现将8位单片机系统直接与Internet相连。可使用PC机通过Internet远程访问单片机系统；也可使用单片机系统将信息通过Internet发送到远端PC或其他终端上。其优点是低成本、高性能；单片解决方案；单片实现网络接入，系统设计简单；简单API接口调用，只需设置相应寄存器，就可完成相应功能。 5. 工业以太网的新进展 　　(1)使用工业以太网的优点 　　从用户观点看，以太网最大优点是基于开放标准并为所有PC共享。通过选择以太网及其产品，用户就不必再担心被产品制造商的特有协议结构所绑定。这就充分简化了用户任务，因为许多不同类型设备可简单把它们插入到相同以太网LAN实现互连。另外，以太网在办公环境中普遍使用并提供许多有用的服务，如E-mail、FTP和Web浏览等，这些都已为用户所熟悉。将这些服务应用到工业控制网络，让客户处于领先地位，无需花费更多时间来学习新的应用技术。这意味着培训费用将会减少，开发周期将会缩短。 　　基于开放的标准还使得以太网在将来的技术发展中比其他专有控制网络有更多支持和灵活性；且其速度稳步增长，带宽足够用户使用。而当系统开发者在办公室中也使用相同以太网协议时，整个系统将会把中央MIS信息网络和工厂设备控制网络方便连接起来。从以太网获取远程实时分析信息将不再是一个梦想