童 靈 夏 鵬 張學(xué)涌

(浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310052)

新型智能化過程校驗儀的設(shè)計與應(yīng)用

童 靈 夏 鵬 張學(xué)涌

(浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310052)

在保留傳統(tǒng)過程校驗儀基礎(chǔ)功能的同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一款互聯(lián)網(wǎng)+過程校驗?zāi)Ｊ降娜乱淮喙δ苤悄芑^程校驗設(shè)備。

過程校驗儀 物聯(lián)網(wǎng) 智能化 過程校驗?zāi)Ｊ?/p>

隨著生產(chǎn)過程自動化技術(shù)的發(fā)展，為了保證生產(chǎn)過程安全、可靠的運(yùn)行，要隨時對生產(chǎn)過程中使用的儀表進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的將生產(chǎn)過程中使用的儀表拿回實驗室進(jìn)行校準(zhǔn)的方法已不能滿足生產(chǎn)要求，取而代之的是在現(xiàn)場直接對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)的方法。

根據(jù)這一趨勢，國外許多著名的傳統(tǒng)儀表生產(chǎn)廠商紛紛推出自己的現(xiàn)場型過程儀表校驗儀產(chǎn)品，如美國福祿克公司的F710系列、日本橫河公司的CA10 系列及GE德魯克的DPI620等。市場上的過程校驗儀基本上具有小型、多功能及高精度等特點[1]。然而，傳統(tǒng)的過程校驗儀在對現(xiàn)場儀表校驗過程中由于缺少校驗數(shù)據(jù)的自動化記錄和分析顯得繁瑣麻煩。此外，雖然過程校驗儀有以太網(wǎng)接口，但是由于網(wǎng)線布線不方便，也限制了工業(yè)現(xiàn)場的信息和上位機(jī)(如PAD)之間的實時監(jiān)控。

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2,3]的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)+時代的來臨，越來越多的傳統(tǒng)制造業(yè)開始走向物物相連，并結(jié)合后臺的數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升。根據(jù)該理念設(shè)計開發(fā)新型智能化的過程校驗儀，嵌入WIFI模塊使得校驗儀設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)姆绞脚c后臺的校驗管理軟件系統(tǒng)平臺實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交互。后臺在對現(xiàn)場采集輸出等相關(guān)監(jiān)控信息進(jìn)行分析計算后，反饋并告知被校驗儀器可能潛在的故障或改進(jìn)方法。這樣的互聯(lián)網(wǎng)+過程校驗?zāi)Ｊ降男吕砟罴纯稍谝欢ǔ潭壬瞎?jié)省傳統(tǒng)手工校驗被測儀器所需的時間成本，并且無紙化、高效率地完成整個校驗過程?，F(xiàn)場校驗工作人員也可通過WIFI、USB和以太網(wǎng)的豐富接口控制校驗儀的工作并監(jiān)控數(shù)據(jù)信息，真正意義上達(dá)到人機(jī)交流的體驗。

1 智能化過程校驗儀整機(jī)工作原理概述

新型智能化過程校驗儀在繼承了傳統(tǒng)過程校驗儀[4]用于測量和輸出工業(yè)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)信號的基礎(chǔ)上，豐富了外設(shè)通信接口的應(yīng)用，使得單一的檢驗儀本體功能變得更加強(qiáng)大和多樣化。整機(jī)設(shè)計的架構(gòu)圖如圖1所示。MCU通過UART與拇指大小的WIFI模塊的連接[5，6]，即可通過手機(jī)APP或遠(yuǎn)程客戶端來控制校驗儀的輸入輸出，并自動將校驗的數(shù)據(jù)結(jié)果實時通過互聯(lián)世界到每一個監(jiān)控的畫面，在提升用戶體驗的同時，實現(xiàn)了全過程校驗的無紙化記錄，提高了工作效率。通過以太網(wǎng)接口電路和Micro USB可以與校驗儀中央處理器拓展的數(shù)據(jù)存儲器實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交互，達(dá)到更新應(yīng)用程序和讀取過程檢驗中存儲數(shù)據(jù)的功能。此新型化的過程校驗儀通過強(qiáng)大的通信外設(shè)與后臺的校準(zhǔn)管理軟件進(jìn)行交互，從而全面實現(xiàn)自動化、無紙化的校準(zhǔn)和文檔數(shù)據(jù)管理。由鋰電池供電的智能化電源管理電路能夠合理地控制并且平衡校驗儀在不同輸入輸出環(huán)境的功率活動，保證整機(jī)穩(wěn)定可靠的運(yùn)作。

圖1 整機(jī)設(shè)計的架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)各部分單元

2.1中央處理器

隨著芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，新型過程校驗儀的中央處理器勢必擺脫51內(nèi)核配以FPGA擴(kuò)展的傳統(tǒng)1+1方式，目前主流的高性價比的ARM Cortex-M3/M4是較為理想的選擇，它們除了擁有更快的主頻(100MHz以上)、更為充裕的內(nèi)部存儲空間以外，更重要的是具備相對豐富的接口資源，如USB、CAN、UART、EMC、ETHERNET、LCD、I2C及SPI等，且可以通過DMA控制器等方式快速訪問，可以說一片MCU相當(dāng)于傳統(tǒng)的一塊主機(jī)板。MCU指令(包括乘法指令)均為單周期，指令總線和數(shù)據(jù)總線分開，取值和訪內(nèi)并行，Thumb-2指令集為編程帶來了更多的靈活性，具備先進(jìn)的中斷處理功能。因此，使用該級別處理器在實現(xiàn)了高性能、低功耗的同時，還帶來了小型化、低成本及易調(diào)試等益處，非常適合過程校驗儀這類手持式產(chǎn)品。當(dāng)然，對于高端的用戶群，為了追求更絢麗的顯示效果和更人性化的GUI，就少不了操作系統(tǒng)(如Linux、Android及Win CE等)的支持，此時可考慮ARM Cortex-A5/A8(主頻500MHz以上)級別的處理器，打造更為豐富多彩的人機(jī)界面和人機(jī)體驗。

2.2智能化電源管理電路

新型過程校驗儀因為有LCD、外配電及小型化等功能的需求，采用傳統(tǒng)的堿性電池或鎳氫電池已無法滿足其續(xù)航能力和體積要求，而在手機(jī)等手持設(shè)備廣泛應(yīng)用的鋰電池是目前最優(yōu)的選擇，一般可以做到校驗儀在滿功率輸出時，具備不少于八小時的續(xù)航能力。鋰電池通過電源管理模塊進(jìn)行充放電控制[7]，充電設(shè)備可以是外部適配器或USB供電設(shè)備(如計算機(jī)、充電寶等)，充電接口采用通用的Micro USB。電源管理模塊設(shè)計為電池充放電管理、boost升壓電路、開關(guān)機(jī)和LDO電路，可提供整機(jī)的運(yùn)行電壓。電源管理芯片在超低功耗的Cortex-M0內(nèi)核芯片的控制下，可實時監(jiān)控保護(hù)電池充放電的過程，當(dāng)異常情況發(fā)生時(如電池電壓過低、溫度超限及過流過壓等)，即可關(guān)斷充電電路或主電源，以保護(hù)校驗儀內(nèi)部電路和鋰電池。

另外，校驗儀作為手持式設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計為電源、輸入、輸出三端隔離，而電源部分亦是如此，通過隔離技術(shù)確保其電氣安全和抗干擾能力。電源管理電路的原理框圖如圖2所示。

圖2 電源管理電路的原理框圖

2.3嵌入式WIFI模塊應(yīng)用

嵌入式WIFI模塊封裝尺寸體積小，采用UART與微控制器通信，支持串口透明傳輸模式，內(nèi)置IEEE802.11協(xié)議棧和TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶接口到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。WIFI模塊通過無線AP可以與手機(jī)、PAD和PC間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互[8]。CPU只要通過下發(fā)AT+控制指令集的方式即可控制WIFI模塊與接入WIFI AP的設(shè)備進(jìn)行相互通信。WIFI功能的集成應(yīng)用，為新型校驗儀與當(dāng)下流行的物聯(lián)網(wǎng)的連接提供了基本條件，遠(yuǎn)程操作控制和更為便利的數(shù)據(jù)交互成為現(xiàn)實。而在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開發(fā)相關(guān)的用戶功能軟件，比如手機(jī)端定制化的鍵盤APP打破傳統(tǒng)手持一體化操作，PAD機(jī)的數(shù)據(jù)管理和分析軟件與校驗儀進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳存儲等功能軟件的拓展應(yīng)用。PAD機(jī)和校驗儀的傳輸途徑示意圖如圖3所示。

圖3 PAD機(jī)和校驗儀的傳輸途徑示意圖

2.4顯示和HMI技術(shù)

雖然過程校驗儀是傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品，但在顯示和HMI的技術(shù)上不可忽略當(dāng)今的手機(jī)、平板電腦對用戶體驗方面的影響。傳統(tǒng)的產(chǎn)品外觀呆板、按鍵復(fù)雜、顯示屏單調(diào)(如點陣屏、單色屏)已逐漸被淘汰。家族風(fēng)格和簡約時尚并重的外觀設(shè)計被工程師們所重視。隨著觸摸屏、觸碰按鍵等技術(shù)的成熟，在縮小產(chǎn)品體積，改善美觀度的同時，簡化了生產(chǎn)工序；高分辨率、輕薄的TFT LCD似乎已成為業(yè)界標(biāo)配，即使尺寸做到8寸、10寸對于Cortex-M3以上級別的MCU來說驅(qū)動起來也是易如反掌。顯示技術(shù)的不斷更新升級、更多數(shù)據(jù)的實時展示、更絢麗的界面效果、更人性化的GUI都將能獲得不少的體驗加分。

另外，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，甚至可以設(shè)計出顯示與控制分離的新型校驗儀，兩部分通過無線(WIFI、藍(lán)牙等)連接，控制部分更類似于一個輸入、輸出的接線盒；而顯示部分則更為靈活，可以是通用屏或索性就是一個APP程序，可應(yīng)用于各種手機(jī)或PAD。顯示和HMI技術(shù)的拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 顯示和HMI技術(shù)的拓?fù)鋱D

2.5軟件功能

在保留基本輸入輸出功能的前提下，新型過程校驗儀應(yīng)具備更多為用戶易用性考慮的軟件功能，如：

a. 熱工手冊，方便用戶調(diào)取熱偶的毫伏值與溫度值，實現(xiàn)熱電阻的電阻值與溫度值的快捷互查；

b. 自校準(zhǔn)，一鍵或定時進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部回路自校準(zhǔn)，快速消除測量系統(tǒng)的初始誤差；

c. 熱鍵切換，定義每種信號類型的快捷方式，一鍵呼出所需信號類型；

d. 聲光報警和自診斷，自動檢測設(shè)備狀態(tài)(如過壓、過流及電量不足等)，能自定義信號報警容限，在異常觸發(fā)時進(jìn)行聲光報警和信息提示；

e. 屏幕快照，通過熱鍵進(jìn)行屏幕快照，保存在FLASH、SD卡等存儲設(shè)備，或通過USB、無線等接口發(fā)至PC機(jī)；

f. 在線更新，通過USB、無線接口進(jìn)行程序的在線更新；

g. 自定義熱偶、熱阻，對用戶開放自定義熱偶、熱阻功能，可通過USB、SD卡及無線等接口快速導(dǎo)入自定義信號的分度表等信息；

h. 自動巡檢，通過USB、無線為自動巡檢提供相應(yīng)協(xié)議和接口；

i. 低功耗模式，可自定義在一定時間內(nèi)無操作后，自動進(jìn)入低功耗模式。

另外，結(jié)合無線技術(shù)，可進(jìn)一步設(shè)計一些功能更為強(qiáng)大的上位機(jī)應(yīng)用程序、APP，這些功能具備無限的創(chuàng)新性和適用性，如：

a. 任務(wù)管理功能，支持被校儀表信息管理、校準(zhǔn)過程參數(shù)設(shè)定、校準(zhǔn)過程自動執(zhí)行、數(shù)據(jù)自動分析、超差點自動標(biāo)記和校準(zhǔn)結(jié)果快速存儲，可下載任務(wù)、上傳數(shù)據(jù)；

b. 智能手機(jī)菜單操作模式，圖文快速操作向?qū)?，圖標(biāo)式菜單管理；

c. 報表管理功能，根據(jù)用戶需求將相關(guān)數(shù)據(jù)快速匯總并形成報表，且具備打印功能。

2.6輸入輸出

過程校驗儀作為高精度測量設(shè)備，要求其輸入端達(dá)到0.1‰級別的測量精度。在設(shè)計AD采樣保持電路時，需采用低溫漂的精密電阻，低失調(diào)、低漂移的儀用放大器，低漂移的電壓基準(zhǔn)，配以24bit級別分辨率的高速AD芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

同時過程校驗儀作為其他儀表的信號源，需使用低溫漂的精密電阻，低漂移的電壓基準(zhǔn)，配以16bit級別的DA轉(zhuǎn)換芯片，以滿足0.1‰級別的輸出精度。為確保信號的帶載能力，在輸出端需要設(shè)計相關(guān)的恒壓、恒流電路。另外，為了降低功耗，可設(shè)計根據(jù)負(fù)載實施調(diào)整的自適應(yīng)輸出電路。

但無論是輸入還是輸出，過程校驗儀幾乎涵蓋了所有工業(yè)現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn)信號，而接線端口數(shù)量和體積是有限的，目前最有效的方法就是通過內(nèi)部開關(guān)切換實現(xiàn)萬能輸入輸出。其關(guān)鍵就在于選用毫歐姆級別的低導(dǎo)通電阻開關(guān)，以減少導(dǎo)通電阻對信號(特別是電阻信號)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。

2.7總線協(xié)議和波形發(fā)生器

新型校驗儀支持現(xiàn)場典型應(yīng)用的現(xiàn)場總線協(xié)議，如HART、FOUNDATION FIELDBUS及PROFIBUS PA等，能夠快速實現(xiàn)連接智能現(xiàn)場設(shè)備和過程校驗儀的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信和這些現(xiàn)場控制設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。

作為信號源，新型校驗儀還具備常用波形發(fā)生器功能，如方波、正弦波、三角波及鋸齒波等，且能調(diào)節(jié)幅度和頻率，用以仿真典型測試信號，提供給被測電路，滿足測試的需要，給現(xiàn)場調(diào)試、校驗工作帶來了不少便利。

3 結(jié)束語

本次新型智能化校驗儀的設(shè)計與應(yīng)用結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的思想，把傳統(tǒng)的單一化校驗儀操作通過WIFI技術(shù)與身邊常用的通信設(shè)備互相連接，輔之以后臺校驗管理軟件的數(shù)據(jù)處理和用戶端定制的APP應(yīng)用程序，實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的標(biāo)定、測量和監(jiān)控。不僅提升校驗儀的外觀和人機(jī)界面體驗，還豐富增強(qiáng)了一些實用的軟件功能。在保證校驗儀安全穩(wěn)定、可靠正常工作的前提下，智能化的校驗方式勢必能夠在增強(qiáng)使用者工作效率的同時又帶來過程校驗中的使用樂趣。

[1] 李云鵬.一種高精度過程校準(zhǔn)儀的設(shè)計[C].中國儀器儀表與測控技術(shù)交流大會論文集(二).成都：《儀器儀表學(xué)報》雜志社，2007：327～329.

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DesignandApplicationofNewIntelligentProcessCalibrator

TONG Ling, XIA Peng, ZHANG Xue-yong

(ZhejiangSUPCONAuto-InstrumentCo.,Ltd.,Hangzhou310052,China)

Basing on reserving basic functions of the traditional process calibrator and combining with the Internet of Things, a new intelligent multi-functional process calibrator which boasting of internet+process verification mode was designed.

process calibrator,Internet of things, intelligent, process verification mode

TH89

B

1000-3932(2016)09-0913-04

2016-02-20(修改稿)