王兴强

(大连交通大学电气信息学院，辽宁大连 116028)

现场总线智能仪表已广泛应用于各个领域，具有检测、控制、计量和监测等功能，为人类社会的进步与发展提供了重要的物质技术保障。并随着工业技术的不断发展，逐渐提高了对智能测控仪表的技术要求。但由于智能仪表自身因素和周围环境的影响，会使其性能产生变化，其中一部分变化的误差会超出技术条件的要求［1］。因此为了保证产品质量，对各种仪器仪表，必须经常性地用适当准确度的检测设备进行检测。

文中在SHCAN2000现场总线控制系统的基础上，设计了一种专用于该系统61系列智能仪表的自动检测试验台。61系列智能仪表是一个高级智能化部件，具备RS－232接口，可以利用RS－232串口协议与计算机进行通信，同时还具有运算、控制和输入/输出等功能［2］。本文针对61系列智能仪表的相似性和共同点，将自动标定和老化检测两种主要检测功能各自存在的问题分开解决:一方面对他们共同存在的模拟量和开关量的输入、输出进行标定，设计出一种对61系列各类型仪表都通用的自动标定系统;另一方面通过实时监测处于工作状态中仪表的主要元件输出参数，诊断仪表在老化检测过程中是否出现故障，完成仪表老化测试工作。

1 现场总线智能仪表测控试验台的设计

1.1 问题的提出

设计的试验台，主要功能有自动标定和老化检测。其中的自动标定功能的设计，主要是由于被测仪表每块信号板的元器件特性有所不同，外围电路特性有所差异，所以相同的输入/输出信号经过不同的A/D模块转换出来的数值可能不一致，是否能正确反映真实信号将直接影响仪表的控制和运算功能，因此需要对仪表的每一路输入/输出分别进行标定，使仪表能够按照各自的标定参数进行正确的数据转换，保证相同的信号在不同仪表上的转换结果基本一致［3］。老化检测功能的设计是因为智能仪表在生产制造和使用过程中，会在仪表集成电路内部留下或产生缺陷，这些缺陷可分为质量缺陷和潜在缺陷两类。对于缺陷检测的测试系统一般包括在线测试系统和功能测试系统，某些缺陷可通过这些常规检验手段加以发现，但一些潜在缺陷则无法用常规检验手段发现，可运用老化检测的方法来剔除。

1.2 问题的解决

对于此次设计的试验台，针对自动标定和老化检测两种主要功能各自存在的问题分开解决，然后将其综合在一个试验平台上，最终完成试验台的设计与研制。

1.2.1 自动标定功能的实现

对于61系列的智能仪表，由于它的模拟量输入/输出的A/D转换电路是线形电路，其输入/输出的模拟量与数字量之间是一种线形变换。因此在仪表内的数字量和真实的模拟量就建立起了一种一一对应的线形关系。即Y=K·X+B，K为标定的斜率，B为标定的截距，X为输入/输出的模拟量，Y为经过A/D转换后的数字量，它在显示时为浮点数，取值范围0.0～1.0。所以每个输入的模拟量Xi都有一个输出的模拟量Yi与之对应，因此只要能确定输入信号的这种线性关系，就可以使输入/输出的模拟量电信号与表内显示的0.0～1.0的浮点数建立线性关系。

SHCAN 61系列智能仪表可以直接完成数据采集和控制功能，因此每个仪表都固化有相同的采集和控制软件，其软件体系中主要包含有功能模块库和实时数据库两部分［4］。功能模块库是各种控制和算法的集合，而实时数据库共有464点各种类型的控制运行参数，其中包括控制参数、功能模块工作参数、系统参数、运行变量等，这样就可以实现数据的数值处理信息与数值处理过程的分离。对于SHCAN61系列智能仪表，其主要功能就是利用它的数据控制运算能力，对现场设备进行控制。所以就需要对其模拟量的输入/输出信号，以及开关量的输入/输出信号进行标定。

以仪表模拟量输入的标定过程为例，当从外界输入到表内一个4～20 mA的模拟量电流，经过一阶滤波后，再经过输入通道放大系数、A/D采样参考电压等因素的调整，将其变成0.0～1.0的标定化的信号，这时0.0～1.0的数值就能够真实反映出实际输入的模拟量信号。系统利用该仪表数值处理信息和数值处理过程分离的特点，采用将标定参数和标定系数分离的方法，把先后输入的两个标准信号先进行采集，转换为整形量，再经过标定、滤波，存放到数据库ST13N9～N16。这时的数据才是真实反映现场的数据，也是仪表采集计算的数据。故本系统取输入信号量程的20%和80%两个信号作为基准，计算出斜率和截距，由于这两个信号分别为较大和较小的信号，确定的斜率和截距基本能实现整条直线上的一一对应关系。故以此作为标定化的两个参数，这两个标定化参数则分别存放在表内实时数据库的ST24N1和ST24N2中，所以只要分别将这两个标准信号分别传送进ST24N1和ST24N2中，就可以实现整个系统的自动标定，自动标定出斜率和截距，实现仪表各个通道的准确标定。而模拟量的输出与开关量输入/输出的标定原理与之相同，可以按照同样的方法进行标定。

图1 模拟量输入信号采样流程图

在该自动标定控制系统中，所有信号都是按标定化格式存储的，便于进行信号的统一管理，只有当某些信号需要显示或处理时，才在标定信号的基础上，按预先设置的工程量定义模块的定义表现出来，使仪表可以按照信号真实的工程量进行显示，输出与实际相符的信号。因此，只需更换系统内某一信号的工程量定义编号，就可以方便快捷地更换其显示或处理格式。而这个标定后的数据信号就能真实反映出输入的信号，保证仪表的准确性。

1.2.2 老化检测功能的实现

仪表在老化测试过程中处于工作状态，需要通过实时监测仪表中主要元件或单元模块的输出参数，来诊断仪表在老化过程中是否出现故障，从而提高产品的质量和可靠性。在仪表老化测试中，需要批量的输入仿真参数和监测输出参数，因此必须采用一种分布式的网络化测控系统实现仪表的老化测试，从而达到批量测试的要求，提高了检测效率。

本文中各智能节点通过测控PC、CAN接口网卡与CAN总线组网，构成一个网络化的分布式测控系统。测控PC实现对仪表的在线老化测试，并实时记录仪表的测试数据，诊断产品故障，发现并报出产品所在的测试位置。

图2 老化检测分布式测控系统示意图

智能节点的主要功能是控制产品的测试进程、读取产品的测试输出信号、通过CAN总线向测控PC发送产品测试数据、响应测控PC的操作指令。智能节点由CPU89C51、CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250及光电耦合数字I/O单元等构成［5］。

图3 智能节点结构示意图

如图3所示，电源CAN Vd，CAN Vss只用于82C250供电，借助于光电耦合器实现CAN总线与其他电路的隔离。Rv是82C250用于调节CAN－H，CAN－L波形的，其取值与CAN总线通信速率有关。SJA1000作为一种独立高集成度控制器，适用于移动目标和一般工业环境控制器区域网络控制，SJA1000的一端与单片机相连，另一端与CAN总线相连。但是，为了提高单片机对CAN总线的驱动能力，可以把82C250作为CAN控制器和物理总线间的接口，以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力［6］。

老化检测功能的实现主要运用检测模块和通信模块，而通信模块在老化系统中处于核心地位，它主要担任两方面任务:一方面，通过CAN通信方式向检测设备发送命令和采集数据;另一方面，通过串行异步通信与上位机通信，接收用户通过上位机发来的控制命令，向上位机发送检测的数据［7］。检测模块将检测的数据通过SHCAN通信送给通信模块，由通信模块通过串行通信发送给上位机，由上位机软件对检测数据进行解析，判断被测电路板的工作状态，判断被测仪表电路板是否存在短路故障或断路故障，如果没有，则检测模块向被测电路板输出额定工作电压与有效激励信号，使被测电路板正常工作，然后检测被测电路板的输出信号的波形类型及频率，按照设定的检测算法判断被测电路板是否存在其他故障，这样就完成一次老化检测过程［8］。

1.2.3 下载调试程序

下载调试程序(MDCS－CFG)是本测控系统的重要组成部分，它是利用Visual Basic程序编译开发的基于Windows的下载和调试工具，实现了上位机与智能仪表的串行通信的所有功能，可以通过CAN总线，能对现场总线控制系统上的每一个MDCS组件进行组态、参数编辑、下载、上传、管理和实时监测、调试。在本测控系统中MDCS－CFG的主要功能是通过执行下载调试程序来进行组态下载以及对一些实时数据库进行设置，并通过实时监测功能和调试功能来构造老化测试系统和自动标定系统。下载调试程序是本测控试验台系统设计的关键，是执行标定程序和老化检测的主要工具。

本测控系统是利用下载调试程序的系统调试功能来实现。由于它的“系统调试”界面可以实现对网络上全体实时数据库中的参数数据进行设置、比较等功能，所以利用系统调试编辑的纯文本文件，来实现在网络上参数的传递。把标准信号传送到指定存放的数据库中，再通过其内部的运算功能，计算出监测结果。

本系统还具有自动检测功能，可将检测完成后的仪表数据和上位机的管理数据进行比较，如果仪表内的数据和管理数据不一致，则可自动产生错误信息，指明错误原因和发生错误的数据库，使用户可以及时准确地纠正，使检测结果简单明了，可靠性高。

2 结束语

现场总线智能仪表已经得到了广泛使用，随着智能仪表精度要求的日益提高，仪表检测的要求也越来越重要。本试验台利用MDCS自身带有的组态功能，编程实现自动检测功能。而且该试验台系统操作简单，功能强大，可以解决现场总线仪表的许多故障问题，提高生产效率，实现在工业现场对智能仪表进行检测［9］。

本文设计的智能仪表测控试验台是基于SHCAN现场总线技术，针对61系列智能仪表的测控组件都具备CAN总线接口的特点，将各个智能仪表都连接在CAN总线网络上，通过测控PC、CAN接口卡与CAN总线组网，构成一个网络化的分布式测控系统。通过分布式测控系统，利用上位机操作站和智能仪表的网络技术，由上位机编辑、发送控制命令，利用SHCAN总线的通讯功能完成各个测控组件之间通信和数据的双向传输，利用下载调试程序(SHCAN－CFG)完成上位机对下位机智能仪表的控制。该系统中的下载调试程序可以对SHCAN2000上的每个智能测控组件进行组态、参数编辑、下载、上传、管理和实时监测、调试，使系统具备良好的适应性。

［1］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京:清华大学出版社，1999.

［2］袁爱进.MDCS2001微型集散控制系统手册［M］.大连:大连交通大学三合仪表有限公司，2003.

［3］杨捷，朱春刚，徐志华.一种便携式智能仪表标定系统［J］.仪器仪表学报，2008，26(S8):260 －262.

［4］袁爱进.SHCAN6102型智能测控组件使用手册［M］.大连:大连交通大学三合仪表有限公司，2002.

［5］邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1996.

［6］饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［7］冉立新.大规模集成电路高温动态老化测试嵌入式图形发生系统的可编程ASIC实现［J］.仪器仪表学报，2003，24(1):27－30.

［8］张冰.一种电子产品老化测试系统的设计与实现［J］.工业控制计算机，2007，20(8):13 －14.

［9］乐嘉谦.仪表工手册［M］.北京:化学工业出版社，2004.