童 灵 夏 鹏 张学涌

(浙江中控自动化仪表有限公司，杭州 310052)

新型智能化过程校验仪的设计与应用

童 灵 夏 鹏 张学涌

(浙江中控自动化仪表有限公司，杭州 310052)

在保留传统过程校验仪基础功能的同时结合物联网技术，设计了一款互联网+过程校验模式的全新一代多功能智能化过程校验设备。

过程校验仪 物联网 智能化 过程校验模式

随着生产过程自动化技术的发展，为了保证生产过程安全、可靠的运行，要随时对生产过程中使用的仪表进行维护和校准。传统的将生产过程中使用的仪表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产要求，取而代之的是在现场直接对仪表进行校准的方法。

根据这一趋势，国外许多著名的传统仪表生产厂商纷纷推出自己的现场型过程仪表校验仪产品，如美国福禄克公司的F710系列、日本横河公司的CA10 系列及GE德鲁克的DPI620等。市场上的过程校验仪基本上具有小型、多功能及高精度等特点[1]。然而，传统的过程校验仪在对现场仪表校验过程中由于缺少校验数据的自动化记录和分析显得繁琐麻烦。此外，虽然过程校验仪有以太网接口，但是由于网线布线不方便，也限制了工业现场的信息和上位机(如PAD)之间的实时监控。

目前，随着物联网技术[2,3]的发展和互联网+时代的来临，越来越多的传统制造业开始走向物物相连，并结合后台的数据中心实现生产效率的提升。根据该理念设计开发新型智能化的过程校验仪，嵌入WIFI模块使得校验仪设备通过互联网信息传输的方式与后台的校验管理软件系统平台实现信息数据的交互。后台在对现场采集输出等相关监控信息进行分析计算后，反馈并告知被校验仪器可能潜在的故障或改进方法。这样的互联网+过程校验模式的新理念即可在一定程度上节省传统手工校验被测仪器所需的时间成本，并且无纸化、高效率地完成整个校验过程。现场校验工作人员也可通过WIFI、USB和以太网的丰富接口控制校验仪的工作并监控数据信息，真正意义上达到人机交流的体验。

1 智能化过程校验仪整机工作原理概述

新型智能化过程校验仪在继承了传统过程校验仪[4]用于测量和输出工业现场标准信号的基础上，丰富了外设通信接口的应用，使得单一的检验仪本体功能变得更加强大和多样化。整机设计的架构图如图1所示。MCU通过UART与拇指大小的WIFI模块的连接[5，6]，即可通过手机APP或远程客户端来控制校验仪的输入输出，并自动将校验的数据结果实时通过互联世界到每一个监控的画面，在提升用户体验的同时，实现了全过程校验的无纸化记录，提高了工作效率。通过以太网接口电路和Micro USB可以与校验仪中央处理器拓展的数据存储器实现信息数据的交互，达到更新应用程序和读取过程检验中存储数据的功能。此新型化的过程校验仪通过强大的通信外设与后台的校准管理软件进行交互，从而全面实现自动化、无纸化的校准和文档数据管理。由锂电池供电的智能化电源管理电路能够合理地控制并且平衡校验仪在不同输入输出环境的功率活动，保证整机稳定可靠的运作。

图1 整机设计的架构图

2 系统各部分单元

2.1中央处理器

随着芯片技术的飞速发展，新型过程校验仪的中央处理器势必摆脱51内核配以FPGA扩展的传统1+1方式，目前主流的高性价比的ARM Cortex-M3/M4是较为理想的选择，它们除了拥有更快的主频(100MHz以上)、更为充裕的内部存储空间以外，更重要的是具备相对丰富的接口资源，如USB、CAN、UART、EMC、ETHERNET、LCD、I2C及SPI等，且可以通过DMA控制器等方式快速访问，可以说一片MCU相当于传统的一块主机板。MCU指令(包括乘法指令)均为单周期，指令总线和数据总线分开，取值和访内并行，Thumb-2指令集为编程带来了更多的灵活性，具备先进的中断处理功能。因此，使用该级别处理器在实现了高性能、低功耗的同时，还带来了小型化、低成本及易调试等益处，非常适合过程校验仪这类手持式产品。当然，对于高端的用户群，为了追求更绚丽的显示效果和更人性化的GUI，就少不了操作系统(如Linux、Android及Win CE等)的支持，此时可考虑ARM Cortex-A5/A8(主频500MHz以上)级别的处理器，打造更为丰富多彩的人机界面和人机体验。

2.2智能化电源管理电路

新型过程校验仪因为有LCD、外配电及小型化等功能的需求，采用传统的碱性电池或镍氢电池已无法满足其续航能力和体积要求，而在手机等手持设备广泛应用的锂电池是目前最优的选择，一般可以做到校验仪在满功率输出时，具备不少于八小时的续航能力。锂电池通过电源管理模块进行充放电控制[7]，充电设备可以是外部适配器或USB供电设备(如计算机、充电宝等)，充电接口采用通用的Micro USB。电源管理模块设计为电池充放电管理、boost升压电路、开关机和LDO电路，可提供整机的运行电压。电源管理芯片在超低功耗的Cortex-M0内核芯片的控制下，可实时监控保护电池充放电的过程，当异常情况发生时(如电池电压过低、温度超限及过流过压等)，即可关断充电电路或主电源，以保护校验仪内部电路和锂电池。

另外，校验仪作为手持式设备，系统设计为电源、输入、输出三端隔离，而电源部分亦是如此，通过隔离技术确保其电气安全和抗干扰能力。电源管理电路的原理框图如图2所示。

图2 电源管理电路的原理框图

2.3嵌入式WIFI模块应用

嵌入式WIFI模块封装尺寸体积小，采用UART与微控制器通信，支持串口透明传输模式，内置IEEE802.11协议栈和TCP/IP协议栈，能够实现用户接口到无线网络之间的转换。WIFI模块通过无线AP可以与手机、PAD和PC间进行数据的交互[8]。CPU只要通过下发AT+控制指令集的方式即可控制WIFI模块与接入WIFI AP的设备进行相互通信。WIFI功能的集成应用，为新型校验仪与当下流行的物联网的连接提供了基本条件，远程操作控制和更为便利的数据交互成为现实。而在此基础上可进一步开发相关的用户功能软件，比如手机端定制化的键盘APP打破传统手持一体化操作，PAD机的数据管理和分析软件与校验仪进行数据互传存储等功能软件的拓展应用。PAD机和校验仪的传输途径示意图如图3所示。

图3 PAD机和校验仪的传输途径示意图

2.4显示和HMI技术

虽然过程校验仪是传统的工业产品，但在显示和HMI的技术上不可忽略当今的手机、平板电脑对用户体验方面的影响。传统的产品外观呆板、按键复杂、显示屏单调(如点阵屏、单色屏)已逐渐被淘汰。家族风格和简约时尚并重的外观设计被工程师们所重视。随着触摸屏、触碰按键等技术的成熟，在缩小产品体积，改善美观度的同时，简化了生产工序；高分辨率、轻薄的TFT LCD似乎已成为业界标配，即使尺寸做到8寸、10寸对于Cortex-M3以上级别的MCU来说驱动起来也是易如反掌。显示技术的不断更新升级、更多数据的实时展示、更绚丽的界面效果、更人性化的GUI都将能获得不少的体验加分。

另外，随着无线技术的发展，甚至可以设计出显示与控制分离的新型校验仪，两部分通过无线(WIFI、蓝牙等)连接，控制部分更类似于一个输入、输出的接线盒；而显示部分则更为灵活，可以是通用屏或索性就是一个APP程序，可应用于各种手机或PAD。显示和HMI技术的拓扑图如图4所示。

图4 显示和HMI技术的拓扑图

2.5软件功能

在保留基本输入输出功能的前提下，新型过程校验仪应具备更多为用户易用性考虑的软件功能，如：

a. 热工手册，方便用户调取热偶的毫伏值与温度值，实现热电阻的电阻值与温度值的快捷互查；

b. 自校准，一键或定时进行设备内部回路自校准，快速消除测量系统的初始误差；

c. 热键切换，定义每种信号类型的快捷方式，一键呼出所需信号类型；

d. 声光报警和自诊断，自动检测设备状态(如过压、过流及电量不足等)，能自定义信号报警容限，在异常触发时进行声光报警和信息提示；

e. 屏幕快照，通过热键进行屏幕快照，保存在FLASH、SD卡等存储设备，或通过USB、无线等接口发至PC机；

f. 在线更新，通过USB、无线接口进行程序的在线更新；

g. 自定义热偶、热阻，对用户开放自定义热偶、热阻功能，可通过USB、SD卡及无线等接口快速导入自定义信号的分度表等信息；

h. 自动巡检，通过USB、无线为自动巡检提供相应协议和接口；

i. 低功耗模式，可自定义在一定时间内无操作后，自动进入低功耗模式。

另外，结合无线技术，可进一步设计一些功能更为强大的上位机应用程序、APP，这些功能具备无限的创新性和适用性，如：

a. 任务管理功能，支持被校仪表信息管理、校准过程参数设定、校准过程自动执行、数据自动分析、超差点自动标记和校准结果快速存储，可下载任务、上传数据；

b. 智能手机菜单操作模式，图文快速操作向导，图标式菜单管理；

c. 报表管理功能，根据用户需求将相关数据快速汇总并形成报表，且具备打印功能。

2.6输入输出

过程校验仪作为高精度测量设备，要求其输入端达到0.1‰级别的测量精度。在设计AD采样保持电路时，需采用低温漂的精密电阻，低失调、低漂移的仪用放大器，低漂移的电压基准，配以24bit级别分辨率的高速AD芯片进行模数转换。

同时过程校验仪作为其他仪表的信号源，需使用低温漂的精密电阻，低漂移的电压基准，配以16bit级别的DA转换芯片，以满足0.1‰级别的输出精度。为确保信号的带载能力，在输出端需要设计相关的恒压、恒流电路。另外，为了降低功耗，可设计根据负载实施调整的自适应输出电路。

但无论是输入还是输出，过程校验仪几乎涵盖了所有工业现场的标准信号，而接线端口数量和体积是有限的，目前最有效的方法就是通过内部开关切换实现万能输入输出。其关键就在于选用毫欧姆级别的低导通电阻开关，以减少导通电阻对信号(特别是电阻信号)准确性和稳定性所产生的影响。

2.7总线协议和波形发生器

新型校验仪支持现场典型应用的现场总线协议，如HART、FOUNDATION FIELDBUS及PROFIBUS PA等，能够快速实现连接智能现场设备和过程校验仪的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器及执行机构等现场设备间的数字通信和这些现场控制设备与高级控制系统之间的信息传递问题。

作为信号源，新型校验仪还具备常用波形发生器功能，如方波、正弦波、三角波及锯齿波等，且能调节幅度和频率，用以仿真典型测试信号，提供给被测电路，满足测试的需要，给现场调试、校验工作带来了不少便利。

3 结束语

本次新型智能化校验仪的设计与应用结合物联网的思想，把传统的单一化校验仪操作通过WIFI技术与身边常用的通信设备互相连接，辅之以后台校验管理软件的数据处理和用户端定制的APP应用程序，实现对现场信号的标定、测量和监控。不仅提升校验仪的外观和人机界面体验，还丰富增强了一些实用的软件功能。在保证校验仪安全稳定、可靠正常工作的前提下，智能化的校验方式势必能够在增强使用者工作效率的同时又带来过程校验中的使用乐趣。

[1] 李云鹏.一种高精度过程校准仪的设计[C].中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集(二).成都：《仪器仪表学报》杂志社，2007：327～329.

[2] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23(12)：1～7.

[3] Goldsmith A，著，杨鸿文，李卫东，郭文彬，译.无线通信[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[4] GB/T 15637-2012，数字多用表校准仪通用规范[S].北京：中国标准出版社，2013.

[5] 吴红举，沈建华.嵌入式WiFi技术研究与通信设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，(6)：5～7.

[6] 曾欢，刘毅.嵌入式WiFi技术在温室环境监测系统中的应用[J].林业机械与木工设备，2008，36(2)：49～51.

[7] 陈修强.锂电池智能管理系统研究与设计[D].太原：太原科技大学，2013.

[8] 李文峰，顾敦清.基于ARM11平台的串口转WiFi/GPRS双网模块设计[J].电子器件，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)