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為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、功能完整，需要在硬件軟件兩方面采取措施，硬件方面選用工控領(lǐng)域知名公司產(chǎn)品，同時對電控柜的布線、接地、屏蔽作周密的安排， 最大限度去除各種電磁干擾。軟件方面確?？刂七壿嬎惴ǖ膰?yán)密，同時安排好各種出錯情況下的處理出口，如重要數(shù)據(jù)的自動備份與自動恢復(fù)，系統(tǒng)突然掉電的處理，關(guān)鍵程序的容錯處理，程序死鎖的回避等。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)具有良好的可維護(hù)性，各種硬件模塊選用標(biāo)準(zhǔn)化系列，所選用的應(yīng)是具有良好發(fā)展前景技術(shù)的產(chǎn)品，這樣才能夠保證將來長遠(yuǎn)的備件供應(yīng)。軟件方面由于是自主開發(fā)，并最終向用戶完全開放，所以維護(hù)方面不存在問題，但也必須注意保證程序代碼的可讀性和加入必要的注釋，保存好各種開發(fā)文檔資料并及時規(guī)范化入檔，確保軟件的可維護(hù)性。

為了能做到現(xiàn)場施工省時省力，縮短停機時間，減少對生產(chǎn)的影響。需要做好以下幾方面的準(zhǔn)備工作：

對系統(tǒng)中哪些需要改造替換、那些繼續(xù)保留進(jìn)行合理的安排劃分，防止盲目擴大改造范圍和遺漏改造項目情況的發(fā)生。

采用現(xiàn)場總線技術(shù)，在減少布線工作量同時也提高連接可靠性。

現(xiàn)場施工前準(zhǔn)備工作充分到位，軟硬件調(diào)試徹底，另外用戶單位的配合工作也非常重要，包擴機臺生產(chǎn)原料的準(zhǔn)備，人員的配備，機械系統(tǒng)提前保養(yǎng)好等等。

現(xiàn)場總線技術(shù)

. 1 現(xiàn)場總線的基本概念

現(xiàn)場總線作為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著自動化系統(tǒng)步入一個新時代的開端，將對該領(lǐng)域產(chǎn)生前所未有的沖擊和影響。

什么是現(xiàn)場總線？有人把現(xiàn)場總線定義為應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行數(shù)字通信的系統(tǒng)；也有人把它稱為開放式、數(shù)字化、多點通信技術(shù)，可被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、流程工業(yè)、樓宇、交通等處的自動化系統(tǒng)中。

現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置于傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨立承擔(dān)某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。它們分別通過普通雙絞線等多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸聯(lián)絡(luò)，把多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，把公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場的多個微機化自控設(shè)備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作監(jiān)控、管理的遠(yuǎn)程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。簡而言之，它是把單個分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。它給自動化領(lǐng)域帶來了巨大的變化，如同計算機網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)給單個計算機帶來的變化等等。如果說，計算機網(wǎng)絡(luò)把人類引入到信息時代，那么現(xiàn)場總線則使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一職延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。因此把現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)說成是標(biāo)志著一個自動化新時代的開端并不為過。

現(xiàn)場總線技術(shù)的開發(fā)始于 20 世紀(jì) 80 年代。隨著微處理器與計算機功能的不斷增強及價格的急劇下降，計算機與計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，信息溝通聯(lián)絡(luò)的范圍不斷擴大。而處于企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)，由于仍在通過開關(guān)、閥門、傳感測量儀表間的一對一連線，用電壓、電流的模擬信號進(jìn)行測量控制，或者只能采用某種自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”，嚴(yán)重制約了其本身的發(fā)展。要實現(xiàn)企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設(shè)計出一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境

中運行的、可靠性高、實時性強、造價低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間，以及自動化設(shè)備與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線就是在這種實際需求的驅(qū)動下應(yīng)運而生的。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、北美、歐洲等許多國家的儀表控制領(lǐng)域，陸續(xù)開始著手現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)開發(fā)。由于行業(yè)、地域、經(jīng)濟(jì)利益等多種原因，本應(yīng)是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、開放互連的控制通信網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)在不同領(lǐng)域形成了頗具影響的幾大總線系列。

現(xiàn)場總線是綜合運用微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的產(chǎn)物。它把微處理器置入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，這一方面提高了信號的測量、控制和傳輸精度，同時為豐富控制信息的內(nèi)容，實現(xiàn)其遠(yuǎn)程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其他網(wǎng)段，實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程自動控制，如操作遠(yuǎn)在數(shù)百公里之外的電氣開關(guān)等。現(xiàn)場總線設(shè)備與傳統(tǒng)自控設(shè)備相比，拓寬了信息內(nèi)容，提供傳統(tǒng)儀表所不能提供的，如閥門開關(guān)動作次數(shù)、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入的了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設(shè)備的運行狀態(tài)。由于現(xiàn)場總線強調(diào)遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因而有條件實現(xiàn)設(shè)備的互操作性和互換性。也就是說，用戶可以把不同廠家、不同品牌的產(chǎn)品集成在同一個系統(tǒng)內(nèi)，并可在同功能的產(chǎn)品之間進(jìn)行相互替換，使用戶具有了自控設(shè)備選擇、集成的主動權(quán)。

現(xiàn)場總線可采用多種傳輸介質(zhì)傳送數(shù)字信號，如用普通電纜、雙絞線、光導(dǎo)纖維、紅外線，甚至電力傳輸線等，因而可因地制宜，就地取材，構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)。一般在由兩根普通導(dǎo)線制成的雙絞線上，可掛接幾十個自控設(shè)備，與傳統(tǒng)的設(shè)備間一對一的接線方式相比，可節(jié)省大量線纜、槽架、連接件，同時，由于所有的連線都變得簡單明了，系統(tǒng)設(shè)計、安裝、維護(hù)的工作量也隨之大大減少。另外， 現(xiàn)場總線還支持總線供電，即兩根導(dǎo)線在為多個自控設(shè)備傳送數(shù)字信號的同時， 還為這些設(shè)備傳送工作電源?？梢钥吹?，采用現(xiàn)場總線具有諸多好處，可以為企業(yè)節(jié)省開支，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控系統(tǒng)。它作為通信網(wǎng)絡(luò)，不同于日常用于聲音、圖像、文字傳送的網(wǎng)絡(luò)，它所傳送的是接通、關(guān)斷電源或開關(guān)閥門的指令與數(shù)據(jù)，直接關(guān)系到處于運行操作過程之中的設(shè)備、人身的安全，要求信號在有粉塵、噪聲、電磁干擾等較為惡劣的環(huán)境下能夠準(zhǔn)確、及時的傳送，同時還具有節(jié)點分散、報文簡短等特征，它作為自動化系統(tǒng)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上發(fā)生了較大的變化， 其顯著特征是通過網(wǎng)絡(luò)信號的傳送聯(lián)絡(luò)，可由單個節(jié)點、也可由多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點共同完成所要求的自動化功能，是一種由網(wǎng)絡(luò)集成的自動化系統(tǒng)。

由于現(xiàn)場總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術(shù)的熱點，受到全世界的普遍關(guān)注。該項技術(shù)

的開發(fā)，可帶動整個工業(yè)控制、樓宇自動化、儀表制造、工業(yè)控制和計算機軟硬件等行業(yè)的技術(shù)、產(chǎn)品的更新?lián)Q代。它的出現(xiàn)為我國自動化儀表行業(yè)和自動控制領(lǐng)域提供了良好的機遇，也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

繼氣動信號控制系統(tǒng) PCS、4～20mA 等點動模擬信號控制系統(tǒng)、數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)和集散式分布控制系統(tǒng) DCS 之后，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)被譽為第五代控制系統(tǒng)。它采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的開放式解決方案，實現(xiàn)了真正的全分布式結(jié)構(gòu)，將控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)更加趨向于分布化、扁平化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化。現(xiàn)場總線的產(chǎn)生和發(fā)展，使一個企業(yè)的現(xiàn)場級控制網(wǎng)絡(luò)可以更方便有效的與辦公信息網(wǎng)絡(luò)通信，二者的集成對企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的改進(jìn)具有重大意義?？梢哉f， 現(xiàn)場總線從開始出現(xiàn)時就是為了融入到實際上已通行的 TCP/IP 信息網(wǎng)絡(luò)中，并與其有效的集成到一起，為企業(yè)提供一個強有力的控制與通信基礎(chǔ)設(shè)施。

與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有兩個新特征：

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是將傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)公路、控制器、I/O 卡以及模擬信號傳輸線四部分用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線來替代，減少了層次傳遞，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨于扁平化。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)用智能現(xiàn)場儀表替代傳統(tǒng)集散系統(tǒng)中的模擬現(xiàn)場儀表， 其智能體現(xiàn)在：變送器不僅僅具有信號變換、補償、累加功能，而且具有諸如 PID 等運算控制功能；執(zhí)行器不僅具有驅(qū)動和調(diào)節(jié)功能，而且具有特性補償、自校驗、自診斷功能。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術(shù)特點

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點：

系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可互聯(lián)為系統(tǒng)并實現(xiàn)信息交換?，F(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開性，強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識和遵從。一個開放系統(tǒng)，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備或系統(tǒng)連接。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)必須是開放的，開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)力交給了用戶。用戶可按自己的考慮和需要把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線就是自動化領(lǐng)域的開放互聯(lián)系統(tǒng)。當(dāng)今， 位于企業(yè)基層的測控系統(tǒng)，仍處于像 20 世紀(jì) 70 年代計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)那樣的封閉狀態(tài)，嚴(yán)重制約了其本身的發(fā)展，從用戶到設(shè)備制造商都強烈要求形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從根本上打破現(xiàn)有各自封閉的 DCS 體系結(jié)構(gòu)，組成開放因特網(wǎng)絡(luò)。正是這種需求促成了現(xiàn)場總線的誕生和發(fā)展。

互可操作性和互用性。這里的互可操作性，是指實現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通；而互用性則意味著對不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可以進(jìn)行更換而實現(xiàn)相互替換。

現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了現(xiàn)有的 DCS 集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了控制結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為在現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質(zhì)，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信，并可滿足本征安全防爆要求等。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)使工業(yè)過程控制發(fā)生了很大的變化，它具有如下優(yōu)越性：

現(xiàn)場總線使得智能變送器中安裝的微處理器能夠直接與數(shù)字控制系統(tǒng)通信，而不需要 I/O 轉(zhuǎn)換，節(jié)約了費用；

現(xiàn)場總線可以取代每個傳感器到控制器的單獨布線，大大減少了連線費用；

現(xiàn)場總線可以將一些先進(jìn)功能，如線性化、工程量轉(zhuǎn)換以及報警處理等賦予現(xiàn)場儀表，提高了現(xiàn)場儀表的精度和可靠性；

現(xiàn)場總線提高了控制精度，這意味著應(yīng)用數(shù)字信號所受到的限制將主要來自于傳感器的精度；

現(xiàn)場總線可提供控制裝置與傳感器、執(zhí)行器之間的雙向通信，方便了操作員與被控設(shè)備之間的交互；

現(xiàn)場總線使得專門根據(jù)現(xiàn)場總線開發(fā)的現(xiàn)場儀表的使用成為可能，并將最終取代單變量模擬儀表，減少了儀表的購置、安裝與包修費用；

現(xiàn)場總線的開放性將使用戶有可能對各儀表廠商的產(chǎn)品任意進(jìn)行選擇，并組成系統(tǒng)，而不必考慮接口是否匹配的問題。

典型現(xiàn)場總線簡介

基金會現(xiàn)場總線

基金會現(xiàn)場總線，即 Foundat i on F i e l dbus,簡稱 FF，這是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。其前身是以美國某公司為首，聯(lián)合 80 家公司制訂的 ISP 協(xié)議和以某公司為首，聯(lián)合歐洲等地的 150 家公司制訂的 WordFIP 協(xié)議。屈于用戶的壓力，這兩大集團(tuán)于 1994 年 9 月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。它以 ISO/ OSI 開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。

LonWorks

LonWorks 是又一具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它是由美國某公司推出并由它們與某公司共同倡導(dǎo)，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/ OSI 模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從 300bps 至 15Mbps 不等，直接通信距離可達(dá)到 2700m(78kbps，雙絞線) , 支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽為通用控制網(wǎng)絡(luò)。

Prof i bus

Prof i bus 是作為德國國家標(biāo)準(zhǔn) DIN 19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) prEN 50170 的現(xiàn)場總線。ISO/ OSI 模型也是它的參考模型。由 Prof i bus –DP、Pro f i bus -FMS、Pro f i bus-PA 組成了 Prof i bus 系列。DP 型用于分散外設(shè)間的高速傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS  意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓 開關(guān)等一般自動化，而 PA 型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從 IEC1158-2 標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)是由某公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了 OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，由這兩部分形成了其標(biāo)準(zhǔn)第一部分的子集，DP 型隱去了 3～7 層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合作為用戶接口，F(xiàn)MS 型只隱去第 3～6 層，采用了應(yīng)用層，作為標(biāo)準(zhǔn)的第二部分。PA 型的標(biāo)準(zhǔn)目前還處于制定過程之中，其傳輸技術(shù)遵從 IEC1158-2 (1 )標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。

CAN

CAN 是控制網(wǎng)絡(luò) Cont ro l Area Network的簡稱，最早由德國某公司推出， 用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了 5家公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。

HART

HART 是 H i ghway Addressab l e Remote Transduer的縮寫。最早由 Rosemout

公司開發(fā)并得到 80 多家著名儀表公司的支持，于 1993 年成立了HART 通信基金會。這種被稱為可尋址遠(yuǎn)程傳感高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中工業(yè)過程控制的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較好的發(fā)展。

6）RS-485

盡管 RS-485 不能稱為現(xiàn)場總線，但是作為現(xiàn)場總線的鼻祖，還有許多設(shè)備繼續(xù)沿用這種通訊協(xié)議。采用 RS-485 通訊具有設(shè)備簡單、低成本等優(yōu)勢，仍有一定的生命力。以 RS-485 為基礎(chǔ)的 OPTO-22 命令集等也在許多系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)場總線技術(shù)展望與發(fā)展趨勢

發(fā)展現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域廣為注的焦點課題，國際上現(xiàn)場總線的研究、開發(fā)，使測控系統(tǒng)沖破了長期封閉系統(tǒng)的禁錮，走上開放發(fā)展的征程， 這對我國現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展是個極好的機會，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計算機、通訊技術(shù)的交叉與集成，涉及的內(nèi)容十分廣泛，筆者認(rèn)為應(yīng)不失時機地抓好我國現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品的研究與開發(fā)。自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展的大趨勢，現(xiàn)場總線技術(shù)受計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響是十分深刻的?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，發(fā)展十分迅猛，一些具有重大影響的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)必將進(jìn)一步融合到現(xiàn)場總線技術(shù)之中，這些具有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)有：智能儀表與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)的軟硬件技術(shù)；組態(tài)技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)段互連等；網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)操作與傳輸；人機接口、軟件技術(shù)；現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成技術(shù)?，F(xiàn)場總線屬于尚在發(fā)展之中的技術(shù)，我國在這一技術(shù)領(lǐng)域還剛剛起步，了解國際上該項技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動向，對我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，對自動化技術(shù)、設(shè)備的更新，無疑具有重要的作用。總體說來，自動化系統(tǒng)與設(shè)備將朝著現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)，這一發(fā)展趨勢是肯定的。既然是總線，就要向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展，成為大家都遵守的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但由于這一技術(shù)所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，幾乎覆蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域， 如過程自動化、制造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。大千世界，眾多領(lǐng)域，需求各異，一個現(xiàn)場總線體系下可能不止容納單一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，從以上介紹也可以看出，幾大技術(shù)均具有自己的特點，已在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢。加上商業(yè)利益的驅(qū)使，它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發(fā)展。有理由認(rèn)為：在從現(xiàn)在起的未來 10 年內(nèi)，可能出現(xiàn)幾大總線標(biāo)準(zhǔn)共存，甚至在一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)內(nèi)，幾種總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通過路由網(wǎng)關(guān)互連實現(xiàn)信息共享的局面。

現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，開辟了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的新天地。它將促進(jìn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為企業(yè)帶來新的效益，因而會得到廣泛的應(yīng)用，并推動自動化相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

嵌入式控制系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的基本概念

嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)，有計算機功能但又不稱之為計算機的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。簡單地說，嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件于一體，類似于 PC 中 BIOS 的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務(wù)的體系。

嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的“器件”。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如掌上 PDA 、移動計算設(shè)備、電視機頂盒、手機上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設(shè)備、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等。

嵌入式系統(tǒng)的硬件部分，包括處理器 / 微處理器、存儲器及外設(shè)器件和 I/ O 端口、圖形控制器等。嵌入式系統(tǒng)有別于一般的計算機處理系統(tǒng)，它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質(zhì)，而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或閃存 (F l ash Memory) 作為存儲介質(zhì)。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件 ( 要求實時和多任務(wù)操作 ) 和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備 4 個特點：

對實時和多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間減少到最低限度；

具有功能很強的存儲區(qū)保護(hù)功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護(hù)功能，同時也有利于軟件診斷；

可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能迅速地擴展出滿足應(yīng)用的高性能的嵌入式微處理器；

嵌入式微處理器的功耗必須很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，功耗只能為 mW 甚至 μ W 級。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000 種，流行

的體系結(jié)構(gòu)有 30 多個系列。其中 8051 體系占多半，生產(chǎn)這種單片機的半導(dǎo)體廠家有 20 多個，共 350 多種衍生產(chǎn)品，僅 Ph ili ps  就有近 100 種?，F(xiàn)在幾乎

每個半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設(shè)計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從 64kB 到 16MB ，處理速度為 0 . 1~2000MIPS ， 常用封裝 8~144 個引腳。

根據(jù)現(xiàn)狀，嵌入式計算機可分成下面幾類。

嵌入式微處理器 (Embedded M i croprocessor Un i t, EMPU)

嵌入式微處理器采用“增強型”通用微處理器。由于嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)用于環(huán)   境比較惡劣的環(huán)境中，因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性    方面的要求較通用的標(biāo)準(zhǔn)微處理器高。但是，嵌入式微處理器在功能方面與標(biāo)準(zhǔn)    的微處理器基本上是一樣的。根據(jù)實際嵌入式應(yīng)用要求，將嵌入式微處理器裝配    在專門設(shè)計的主板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的主板功能，這樣可以大幅度減    小系統(tǒng)的體積和功耗。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器組成的系統(tǒng)具有    體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但在其電路板上必須包括 ROM 、 RAM 、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。由    嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路主板上構(gòu)成一個通常    所說的單板機系統(tǒng)。嵌入式處理器目前主要有 Am186 / 88 、386EX 、SC-400 、Power PC、68000 、 MIPS 、ARM 系列等。

嵌入式微控制器 (M i crocont ro ll er Un i t, MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機，它將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式  微控制器一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，根據(jù)某些典型的應(yīng)用，在芯片內(nèi)部集   成了 ROM/ EPROM 、 RAM 、總線、總線邏輯、定時 / 計數(shù)器、看門狗、 I/ O 、串行口、脈寬調(diào)制輸出、 A/ D 、 D/ A 、 F l ash RAM 、 EEPROM 等各種必要功能部件和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，對功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進(jìn)行必要的修   改和裁減定制，使得一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理   器內(nèi)核都相同，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及功能的設(shè)置。這樣可以使單片機   最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，從而減少整個系統(tǒng)的功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比，微控制器的單片化使應(yīng)用系統(tǒng)的體積大大減小，從而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在產(chǎn)品的品種和數(shù)量上是所有種類嵌入式處理器中最多的，而且上述諸多優(yōu)點決定了微控制器是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制， 因此稱為微控制器。通常，嵌入式微處理器可分為通用和半通用兩類，比較有代表性的通用系列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96 / 196 / 296 、C166 / 167 、 68300 等。而比較有代表性的半通用系列，如支持 USB 接口的 MCU 8XC930 / 931 、 C540 、 C541 ；支持 I 2C 、 CAN 總線、 LCD 等的眾多專用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 約占嵌入式系統(tǒng)市場份額的 70% 。

嵌入式 DSP 處理器 (Embedded D i g i ta l S i gna l Processor , EDSP

在數(shù)字信號處理應(yīng)用中，各種數(shù)字信號處理算法相當(dāng)復(fù)雜，這些算法的復(fù)雜度可能是 O(nm) 的，甚至是 NP 的，一般結(jié)構(gòu)的處理器無法實時的完成這些運算。由于 DSP 處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于實時地進(jìn)行數(shù)字信號處理。在數(shù)字濾波、 FFT 、譜分析等方面， DSP 算法正大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域， DSP 應(yīng)用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn) DSP 功能，過渡到采用嵌入式 DSP 處理器。嵌入式 DSP 處理器有兩類：

DSP 處理器經(jīng)過單片化、 EMC 改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式 DSP 處理器，TI 的 TMS320C2000 / C5000 等屬于此范疇；

在通用單片機或 SOC 中增加 DSP 協(xié)處理器，例如 Inte l 的 MCS-296 和

Inf i neon(S i emens) 的 Tr i Core 。

另外，在有關(guān)智能方面的應(yīng)用中，也需要嵌入式 DPS 處理器，例如各種帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤， ADSL 接入、實時語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般都是運算量較大， 特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是 DSP 處理器的優(yōu)勢所在。嵌入式 DSP 處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 TI 的 TMS320 系列和 Motoro l a 的DSP56000 系列。 TMS320 系列處理器包括用于控制的 C2000 系列、移動通信的C5000 系列，以及性能更高的 C6000 和 C8000 系列。DSP56000 目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000、DSP56100、DSP56200 和 DSP56300 等幾個不同系列的處理器。另外， 某公司最近也推出了基于可重置嵌入式 DSP 結(jié)構(gòu)，采用低成本、低功耗技術(shù)制造的 R. E. A. L DSP處理器，其特點是具備雙 Harvard 結(jié)構(gòu)和雙乘/ 累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費類產(chǎn)品。

嵌入式片上系統(tǒng) (System On Ch i p, SOC)

隨著 EDI 的推廣和 VLSI 設(shè)計的普及化，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，可以在一塊硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)，這就產(chǎn)生了 SOC 技術(shù)。各種通用處理器內(nèi)核將作為 SOC 設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和其他許多嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為 VLSI 設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL 、 Ver l og 等硬件語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除某些無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡單，對于減小整個應(yīng)用系統(tǒng)體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC 可分為通用和專用兩類，通用 SOC 如 Inf i neon(S i emens) 的 Tr i Core 、Motoro l a 的 M-Core ，以及某些 ARM 系列器件，如 Eche l on 和 Motoro l a 聯(lián)合研制的 Neuron 芯片等；專用 SOC 一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，如 Ph ili ps 的