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    在當(dāng)今信息化時(shí)代，各領(lǐng)域常以信息的獲取和利用為中心。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，儀器儀表高度自動(dòng)化和信息管理自動(dòng)化，已大量涌現(xiàn)出以計(jì)算機(jī)為核心的信息處理與過程控制相結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。伴隨著這種系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀器。

    智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，儀器內(nèi)部帶有處理能力很強(qiáng)的智能軟件。儀器儀表已不再是簡單的硬件實(shí)體，而是硬件、軟件相結(jié)合。近年來，智能儀器已開始從較為成熟的數(shù)據(jù)處理向知識(shí)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(jì)90年代以來，儀器儀表的智能化突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

    (1) 綜合化。電子測量儀器、自動(dòng)化儀表、自動(dòng)化檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)過去分屬各學(xué)科領(lǐng)域，各自獨(dú)立發(fā)展。由于生產(chǎn)自動(dòng)化的需求，它們在發(fā)展中相互靠近，功能相互覆蓋，差異縮小，體現(xiàn)為一種“信息流”綜合管理與控制系統(tǒng)。

    (2) 微型化。微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等的綜合應(yīng)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(hào)的采集、處理、控制信號(hào)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(yī)療領(lǐng)域有著獨(dú)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(shù)發(fā)生器，不但性能上(如準(zhǔn)確度)比專用脈沖發(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(xiàn)代檢測與控制系統(tǒng)，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，這樣就可無需人的干預(yù)而自主地完成檢測或控制功能。

    (5)儀器虛擬化。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和顯示用PC機(jī)的軟件來完成，只要額外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件，就可以與PC機(jī)組成測量儀器。這種基于PC機(jī)的測量儀器稱為虛擬儀器VI(Virtual Instrument)。在虛擬儀器中，使用同一個(gè)硬件系統(tǒng)，只要應(yīng)用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。“軟件就是儀器”。作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴(kuò)展性和升級(jí)性，代表著當(dāng)今儀器發(fā)展的新方向。

    (6) 儀器儀表系統(tǒng)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(xiàn)智能化的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，使現(xiàn)場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(yuǎn)程測控需求

    網(wǎng)絡(luò)化儀器，如現(xiàn)場總線智能儀表，是適合在遠(yuǎn)程測控中使用的儀器，是儀器測控技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(jié)果。網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備既可以像普通儀器那樣按設(shè)定程序?qū)ο嚓P(guān)物理量進(jìn)行自動(dòng)測量、控制、存儲(chǔ)和顯示測量結(jié)果及控制狀態(tài)；同時(shí)具有重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特征，經(jīng)授權(quán)的儀器使用者，通過Internet可以遠(yuǎn)程對儀器進(jìn)行功能操作、獲取測量結(jié)果并對儀器實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)和故障診斷，控制其在Internet上動(dòng)態(tài)發(fā)布信息。它們與計(jì)算機(jī)一樣，成了網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，很方便地就能與就近的網(wǎng)絡(luò)通信線纜直接連接，而且“即插即用”，直接將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)送上網(wǎng)；用戶通過瀏覽器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序即可實(shí)時(shí)瀏覽到這些信息(包括處理后的數(shù)據(jù)、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(tǒng)中前端模塊不僅完成信號(hào)的采集和控制，還兼顧實(shí)施對信號(hào)的分析與傳輸，因?yàn)樗砸粋€(gè)功能強(qiáng)大的微處理器和一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)為支撐。在這個(gè)平臺(tái)上，使用者可以很方便地實(shí)現(xiàn)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(tǒng)最為顯著的特點(diǎn)，是信號(hào)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變。基于Internet的測控系統(tǒng)對測量、控制信號(hào)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(tǒng)的測量數(shù)據(jù)安全有效的傳輸便成為可能。再有，基于Internet的測控系統(tǒng)對測得結(jié)果的表達(dá)和輸出也有了較大改進(jìn)，一方面，不管身在何處，使用者都可通過客戶機(jī)方便地瀏覽到各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解設(shè)備現(xiàn)在的工作情況；另一方面，在客戶端的控制中心，所擁有的智能化軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都可被調(diào)用來對測得結(jié)果分析，以及為使用者下達(dá)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(shè)計(jì)方法，是把嵌入式系統(tǒng)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(gòu)成嵌入式儀器，因?yàn)橛凶銐蛸Y源可擴(kuò)充利用，整個(gè)TCP/IP協(xié)議族可以做到系統(tǒng)里去，因而可以成為直接接入Internet的網(wǎng)絡(luò)儀器，但開發(fā)難度大；

    (2) 對于低檔8位機(jī)組成的嵌入式儀器，采用專用網(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(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，發(fā)送到Internet上實(shí)現(xiàn)信息共享，但必須要專門配一臺(tái)PC來進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換；

    (3) 由8位單片機(jī)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(jī)的測量設(shè)備，通過外加網(wǎng)絡(luò)芯片，直接驅(qū)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(jī)具有足夠快的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)；為全雙工通信接口，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps的速率；內(nèi)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(shù)據(jù)總線，8條中斷申請線以及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(yàn)、數(shù)據(jù)的收發(fā)等，可以通過交換機(jī)在雙絞線上同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

    (2) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    RTL8019AS內(nèi)部可分為遠(yuǎn)程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介質(zhì)訪問控制）邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。遠(yuǎn)程DMA接口是指單片機(jī)對RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的總線，即ISA總線的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。

    (3) 內(nèi)部RAM地址空間分配

    RTL8019AS內(nèi)部有兩塊RAM區(qū)。一塊16K字節(jié)，地址為0x4000~0x7fff；一塊32字節(jié)，地址為0x0000~0x001f。RAM按頁存儲(chǔ)，每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁（即0x4000~0x4bff）存儲(chǔ)區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁（即0x4c00~0x7fff）存儲(chǔ)區(qū)作為接收緩沖區(qū)。第0頁地址為0x0000~0x001f，用于存儲(chǔ)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：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，由RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位來決定要訪問的頁。遠(yuǎn)程DMA地址包括10H~17H，都可以用來作遠(yuǎn)程DMA端口，只要用其中的一個(gè)就可以了。復(fù)位端口包括18H~1FH共8個(gè)地址，功能一樣，用于RTL8019AS復(fù)位。