新型智能化過程校驗儀的設計與應用

童 靈 夏 鵬 張學涌

(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計與應用

童 靈 夏 鵬 張學涌

(浙江中控自動化儀表有限公司，杭州 310052)

在保留傳統過程校驗儀基礎功能的同時結合物聯網技術，設計了一款互聯網+過程校驗模式的全新一代多功能智能化過程校驗設備。

過程校驗儀 物聯網 智能化 過程校驗模式

隨著生產過程自動化技術的發展，為了保證生產過程安全、可靠的運行，要隨時對生產過程中使用的儀表進行維護和校準。傳統的將生產過程中使用的儀表拿回實驗室進行校準的方法已不能滿足生產要求，取而代之的是在現場直接對儀表進行校準的方法。

根據這一趨勢，國外許多著名的傳統儀表生產廠商紛紛推出自己的現場型過程儀表校驗儀產品，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，傳統的過程校驗儀在對現場儀表校驗過程中由于缺少校驗數據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接口，但是由于網線布線不方便，也限制了工業現場的信息和上位機(如PAD)之間的實時監控。

目前，隨著物聯網技術[2,3]的發展和互聯網+時代的來臨，越來越多的傳統制造業開始走向物物相連，并結合后臺的數據中心實現生產效率的提升。根據該理念設計開發新型智能化的過程校驗儀，嵌入WIFI模塊使得校驗儀設備通過互聯網信息傳輸的方式與后臺的校驗管理軟件系統平臺實現信息數據的交互。后臺在對現場采集輸出等相關監控信息進行分析計算后，反饋并告知被校驗儀器可能潛在的故障或改進方法。這樣的互聯網+過程校驗模式的新理念即可在一定程度上節省傳統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。現場校驗工作人員也可通過WIFI、USB和以太網的豐富接口控制校驗儀的工作并監控數據信息，真正意義上達到人機交流的體驗。

1 智能化過程校驗儀整機工作原理概述

新型智能化過程校驗儀在繼承了傳統過程校驗儀[4]用于測量和輸出工業現場標準信號的基礎上，豐富了外設通信接口的應用，使得單一的檢驗儀本體功能變得更加強大和多樣化。整機設計的架構圖如圖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APP或遠程客戶端來控制校驗儀的輸入輸出，并自動將校驗的數據結果實時通過互聯世界到每一個監控的畫面，在提升用戶體驗的同時，實現了全過程校驗的無紙化記錄，提高了工作效率。通過以太網接口電路和Micro USB可以與校驗儀中央處理器拓展的數據存儲器實現信息數據的交互，達到更新應用程序和讀取過程檢驗中存儲數據的功能。此新型化的過程校驗儀通過強大的通信外設與后臺的校準管理軟件進行交互，從而全面實現自動化、無紙化的校準和文檔數據管理。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境的功率活動，保證整機穩定可靠的運作。

圖1 整機設計的架構圖

2 系統各部分單元

2.1中央處理器

隨著芯片技術的飛速發展，新型過程校驗儀的中央處理器勢必擺脫51內核配以FPGA擴展的傳統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相當于傳統的一塊主機板。MCU指令(包括乘法指令)均為單周期，指令總線和數據總線分開，取值和訪內并行，Thumb-2指令集為編程帶來了更多的靈活性，具備先進的中斷處理功能。因此，使用該級別處理器在實現了高性能、低功耗的同時，還帶來了小型化、低成本及易調試等益處，非常適合過程校驗儀這類手持式產品。當然，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(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界面和人機體驗。

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，采用傳統的堿性電池或鎳氫電池已無法滿足其續航能力和體積要求，而在手機等手持設備廣泛應用的鋰電池是目前最優的選擇，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航能力。鋰電池通過電源管理模塊進行充放電控制[7]，充電設備可以是外部適配器或USB供電設備(如計算機、充電寶等)，充電接口采用通用的Micro USB。電源管理模塊設計為電池充放電管理、boost升壓電路、開關機和LDO電路，可提供整機的運行電壓。電源管理芯片在超低功耗的Cortex-M0內核芯片的控制下，可實時監控保護電池充放電的過程，當異常情況發生時(如電池電壓過低、溫度超限及過流過壓等)，即可關斷充電電路或主電源，以保護校驗儀內部電路和鋰電池。

另外，校驗儀作為手持式設備，系統設計為電源、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，內置IEEE802.11協議棧和TCP/IP協議棧，能夠實現用戶接口到無線網絡之間的轉換。WIFI模塊通過無線AP可以與手機、PAD和PC間進行數據的交互[8]。CPU只要通過下發AT+控制指令集的方式即可控制WIFI模塊與接入WIFI AP的設備進行相互通信。WIFI功能的集成應用，為新型校驗儀與當下流行的物聯網的連接提供了基本條件，遠程操作控制和更為便利的數據交互成為現實。而在此基礎上可進一步開發相關的用戶功能軟件，比如手機端定制化的鍵盤APP打破傳統手持一體化操作，PAD機的數據管理和分析軟件與校驗儀進行數據互傳存儲等功能軟件的拓展應用。PAD機和校驗儀的傳輸途徑示意圖如圖3所示。

圖3 PAD機和校驗儀的傳輸途徑示意圖

2.4顯示和HMI技術

雖然過程校驗儀是傳統的工業產品，但在顯示和HMI的技術上不可忽略當今的手機、平板電腦對用戶體驗方面的影響。傳統的產品外觀呆板、按鍵復雜、顯示屏單調(如點陣屏、單色屏)已逐漸被淘汰。家族風格和簡約時尚并重的外觀設計被工程師們所重視。隨著觸摸屏、觸碰按鍵等技術的成熟，在縮小產品體積，改善美觀度的同時，簡化了生產工序；高分辨率、輕薄的TFT LCD似乎已成為業界標配，即使尺寸做到8寸、10寸對于Cortex-M3以上級別的MCU來說驅動起來也是易如反掌。顯示技術的不斷更新升級、更多數據的實時展示、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，隨著無線技術的發展，甚至可以設計出顯示與控制分離的新型校驗儀，兩部分通過無線(WIFI、藍牙等)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，可應用于各種手機或PAD。顯示和HMI技術的拓撲圖如圖4所示。

圖4 顯示和HMI技術的拓撲圖

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，方便用戶調取熱偶的毫伏值與溫度值，實現熱電阻的電阻值與溫度值的快捷互查；

b. 自校準，一鍵或定時進行設備內部回路自校準，快速消除測量系統的初始誤差；

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，自動檢測設備狀態(如過壓、過流及電量不足等)，能自定義信號報警容限，在異常觸發時進行聲光報警和信息提示；

e. 屏幕快照，通過熱鍵進行屏幕快照，保存在FLASH、SD卡等存儲設備，或通過USB、無線等接口發至PC機；

f. 在線更新，通過USB、無線接口進行程序的在線更新；

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協議和接口；

i. 低功耗模式，可自定義在一定時間內無操作后，自動進入低功耗模式。

另外，結合無線技術，可進一步設計一些功能更為強大的上位機應用程序、APP，這些功能具備無限的創新性和適用性，如：

a. 任務管理功能，支持被校儀表信息管理、校準過程參數設定、校準過程自動執行、數據自動分析、超差點自動標記和校準結果快速存儲，可下載任務、上傳數據；

b. 智能手機菜單操作模式，圖文快速操作向導，圖標式菜單管理；

c. 報表管理功能，根據用戶需求將相關數據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備，要求其輸入端達到0.1‰級別的測量精度。在設計AD采樣保持電路時，需采用低溫漂的精密電阻，低失調、低漂移的儀用放大器，低漂移的電壓基準，配以24bit級別分辨率的高速AD芯片進行模數轉換。

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，配以16bit級別的DA轉換芯片，以滿足0.1‰級別的輸出精度。為確保信號的帶載能力，在輸出端需要設計相關的恒壓、恒流電路。另外，為了降低功耗，可設計根據負載實施調整的自適應輸出電路。

但無論是輸入還是輸出，過程校驗儀幾乎涵蓋了所有工業現場的標準信號，而接線端口數量和體積是有限的，目前最有效的方法就是通過內部開關切換實現萬能輸入輸出。其關鍵就在于選用毫歐姆級別的低導通電阻開關，以減少導通電阻對信號(特別是電阻信號)準確性和穩定性所產生的影響。

2.7總線協議和波形發生器

新型校驗儀支持現場典型應用的現場總線協議，如HART、FOUNDATION FIELDBUS及PROFIBUS PA等，能夠快速實現連接智能現場設備和過程校驗儀的全數字、雙向、多站的通信系統。主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器及執行機構等現場設備間的數字通信和這些現場控制設備與高級控制系統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生器功能，如方波、正弦波、三角波及鋸齒波等，且能調節幅度和頻率，用以仿真典型測試信號，提供給被測電路，滿足測試的需要，給現場調試、校驗工作帶來了不少便利。

3 結束語

本次新型智能化校驗儀的設計與應用結合物聯網的思想，把傳統的單一化校驗儀操作通過WIFI技術與身邊常用的通信設備互相連接，輔之以后臺校驗管理軟件的數據處理和用戶端定制的APP應用程序，實現對現場信號的標定、測量和監控。不僅提升校驗儀的外觀和人機界面體驗，還豐富增強了一些實用的軟件功能。在保證校驗儀安全穩定、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儀的設計[C].中國儀器儀表與測控技術交流大會論文集(二).成都：《儀器儀表學報》雜志社，2007：327～329.

[2] 王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報，2009，23(12)：1～7.

[3] Goldsmith A，著，楊鴻文，李衛東，郭文彬，譯.無線通信[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[4] GB/T 15637-2012，數字多用表校準儀通用規范[S].北京：中國標準出版社，2013.

[5] 吳紅舉，沈建華.嵌入式WiFi技術研究與通信設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2005，(6)：5～7.

[6] 曾歡，劉毅.嵌入式WiFi技術在溫室環境監測系統中的應用[J].林業機械與木工設備，2008，36(2)：49～51.

[7] 陳修強.鋰電池智能管理系統研究與設計[D].太原：太原科技大學，2013.

[8] 李文峰，顧敦清.基于ARM11平臺的串口轉WiFi/GPRS雙網模塊設計[J].電子器件，2013，36(1)：80～84.

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)