摘要 簡要介紹了適用于自動化儀器、儀表的通信技術進展。較為系統(tǒng)地綜述了電力線通信技術、無線紅外和籃牙通信技術、基于USB接口通信技術、現場總線通信技術以及嵌入式Internet接入技術。探討了這些技術對自動化儀器、儀表通信所提供的支持及其應用方式。
關鍵詞 儀器儀表通信 電力線通信 紅外通信 籃牙通信 USB接口 現場總線通信 Internet
0 引言
目前，在自動化儀器、儀表中常用的通信標準主要有RS-232C和RS-485等，長久以來這兩種串行通信方式一直是自動化儀器、儀表最基本的通信方式之一，在其它應用系統(tǒng)的能信中用得也很多。近年來，隨著計算機技術、網絡技術、通信技術的發(fā)展及其在工業(yè)自動化系統(tǒng)和儀器、儀表領域加速了向數字化、智能化和網絡化方向發(fā)展的進程。本文將探討電力線通信技術、無線紅外和籃牙通信技術、基于USB接口的通信技術、現場總線技術及其嵌入式Internet接入技術等對自動化儀器、儀表所需的通信和聯網給予的支持和應用方式。由于目前的智能儀表均以嵌入式單片機為核心，其通信接口、通信協(xié)議和數據傳輸都需要在單片機控制下實現，因此在本文的敘述中，凡涉及與嵌入式智能儀表的通信接口時，均以單片機代替智能儀表。
1 電力線通信技術
電力線網絡作為世界上最大的網絡，其主要功能仍然是輸送電能。隨著信息技術的發(fā)展，基于電力線路的通信（power line communication）就成了近來的熱門話題。電力線對于實現電力自動化系統(tǒng)設備之間的通信和現代電能計量管理將起重要作用。國外已有一些成功的應用實例，國內也有電力Modem的Internet 接入試驗。目前使用較多的是基于電力線載波通信的單表（或多表）自動抄表系統(tǒng)，另外對電能數據的采集和傳輸、對電力設備的監(jiān)控和保護、以及電能的優(yōu)化調度等也可以借助電力線路的通信介質實現。因此，基于載波技術的電力線路的通信已成為目前電力系統(tǒng)智能儀表通信發(fā)展的方向之一。
1.1 電力線載波通信方式和特點
電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。由于使用堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸介質，因此具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、可同時復用遠動信號等特點，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。
電力線通信是將數據調制成載波信號或擴頻信號，然后通過耦合器到220V或其它交直流電力線上，甚至是沒有電力的雙絞線。電力線載波通信不僅提供了實用的新興通信手段，而且它所具有的現存物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優(yōu)點，顯示了誘人的前景和潛在的巨大市場。
1.2 支持電力線載波通信的專用芯片
電力線上通信的關鍵是：如何保證在電力線上長距離通信可靠。在電力線上通信存在以下問題：電力線間歇性噪聲較大（某些電路的啟停、運行都會產生較大的噪聲）；信號衰減快；線路阻抗經常波動。上述這些問題使通過電力線的通信非常困難，因此電力線載波通信的關鍵就是設計出一個功能強大的電力線載波用的芯片。目前常采用PL2000A和PLF-22電力線收發(fā)器等專用芯片，它們能提供較好的解決方案。
1.2.1 基于PL2000A是專為電力線載波通信系統(tǒng)
PL2000A是專為電力線通信設計的半雙工異步調制解調器。它僅由單一的＋5V電源供電，以及一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2000A除具備基本的通信控制功能外，還內置了四種常用的功能電路：32字節(jié)SRAM（電池維護）、電壓監(jiān)測、看門狗定時器及復
位電路，它們通過標準的 
接口與外部的微處理器相連。PL2000A由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術，以及大規(guī)模數字/模擬混合0.5 
工藝制作，所以在抗干擾、抗衰落性能以及性價比等方面有著出眾的表現。
采用PL2000A芯片的低壓電力線載波通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)配合單片機完成數據在電力線通信線路的擴頻發(fā)射、擴頻接收。通過單片機的串口及電平轉換，還可與PC等上位計算機通信。從圖1可以看出，該通信系統(tǒng)的硬件主要有：電源、RS-232接口部分、單片機處理部分、載波接口部分(如載波信號接收、載波信號發(fā)射和載波信號預處理等)、單片機復位等接口電路。
圖1 基于PL2000A的電力線載波通信系統(tǒng)
在圖1中，作為電力線通信系統(tǒng)的核心部分其主要工作原理是：由PL2000A芯片完成載波接收、解擴、當然PL2000A需由其它部件（如MC3361）完成載波信號預處理：載波擴頻發(fā)射由單片機控制，通過PL2000A完成擴頻編碼處理，再通過后續(xù)推動電路完成擴頻載波信號的功率輸出。PL2000A載波通信為同步、半雙工方式，由幀頭進行同步，常態(tài)為載波接收模式。單片機接口提供單片機的復位信號、看門狗信號、以及載波收發(fā)控制信號。PL2000A具有與51系列單片機兼容的高電平復位信號，由PL2000A的RST輸出。PL2000A可為單片機提供看門狗功能，看門狗計數器清零輸入端為WDI。當WDI持續(xù)436ms以上無高低電平變化，將導致看門狗計數器溢出，使PL2000A的RST腳輸出復位高電平。
通信軟件設計可分為兩個部分：其一是單片機與PL2000A通過 
接口的通信；其二是PL2000A芯片的載波接收和發(fā)射。
1.2.2 基于PLF-22芯片的電力線載波通信系統(tǒng)
PLF-22電力線收發(fā)器是美國Echelon公司制造的數字電力載波通信接口電路?？蔀橐噪娏€作為通信介質的電力線載波通信提供簡單、高效的接口。它所具有的雙頻調制和增強的數字信號處理能力明顯地提高了通信的可靠性。PLF-22采用了與傳統(tǒng)窄頻技術不同的雙信道和數字信號處理技術。其內部的DSP處理器能夠使PLF-22成功地接收那些以前的收發(fā)器根本無法檢測到、更不用說處理的信號。而雙信道的特點使PLF-22能夠解決電力線信號在許多領域中的傳輸障礙，如脈沖噪聲（調光器）、連續(xù)噪聲（開關電源）和由EMI過濾器引起的相位失真（家用電器）。PLF-22電力線收發(fā)器則可利用雙載波頻率自動調整和數字處理信號技術解決這種在惡劣電力線通信環(huán)境下的通信質量可靠性問題。應用雙載波頻率自動調整技術，PLF-22可以在主頻被噪音堵塞的情況下，自動切換到副頻繼續(xù)保持通信。
圖2 基于PLF-22的電力線載波通信系統(tǒng)
圖2是基于PLF-22的電力線載波通信系統(tǒng)的接口圖。PLF-22內含接收與A/D轉換單元、數字信號處理單元、D/A轉換單元、發(fā)送與放大單元等電路。接收和A/D轉換單元可對從電力線耦合來的信號進行濾波等處理，以將模擬信號轉換為數字信號。數字信號處理單元是數字化信號處理的核心部分，它一方面對接收和A/D轉換單元處理后的數字信號進行解碼處理，并將處理結果通過數據線與Neuron芯片進行數據交換；另一方面，它可將需要發(fā)送的數據通過數據線交換到此單元進行編碼處理。D/A單元的主要作用是將數字信號處理單元處理后的要發(fā)送的數字信號轉換為模擬信號。而發(fā)送與放大單元則用于將D/A轉換后的信號進行功率放大并發(fā)送到耦合電路。至此，可在軟件控制下實現數據在電力線上的傳輸。
2 無線通信
實現現場時數據的顯示以及系統(tǒng)參數的設置是很多智能儀表所需的基本功能，這無疑需要建立在人機通信基礎上。然而，在某些特定的應用場合（如在一些安全性要求較高的場合），為達到防爆要求需要系統(tǒng)密封，這時傳統(tǒng)的人機交互方式無法滿足這種需求，而有效的措施則是采用無線通信方式。
2.1 基于IrDA協(xié)議的紅外通信[10]
2.1.1 IrDA協(xié)議簡介
紅外通信技術是一種點對點的數據傳輸協(xié)議，是對傳統(tǒng)設備之間連接線纜的替代。它的通信距離一般在0～1m之間，傳輸速率最高可達16Mbps，通信介質為波長為900mm左右的近紅外線。目前紅外線通信技術已被全球眾多軟硬件廠商所支持和采用，其主流軟件和硬件平臺均為其提供支持。紅外技術已被紅外數據協(xié)會的簡稱，它所制訂的一系列紅外數據通信標準已形成了紅外數據通信技術的基礎。
2.1.2 MCP2120芯片及其于單片機的接口
MCP2120是Microchip公司的一款用來發(fā)送和接收紅外串行信號的集成芯片，符合紅外通信標準IrDA1.0協(xié)議，具有低成本和應用簡便的特點，可以方便應用在具有串行信號通信的單片機應用系統(tǒng)中，MCP2120芯片與單片機的接口如圖3所示。
圖3 MCP2120與單片機的接口
IrDA1.0規(guī)定了串行發(fā)送和接收的數據格式，具體包括1位起始位、8位數據位和1位停止位，無數據校驗位。單片機的TX端發(fā)送的串行數據經MCP2120編碼（encode）后，轉換為符合IrDA1.0協(xié)議的脈沖信號，由紅外發(fā)送器發(fā)出：紅外接收器接收倒符合IrDA1.0協(xié)議的脈沖信號后，經MCP2120解碼（decode）后，送單片機的RX端。由于發(fā)送和接收的紅外信號，都符合IrDA1.0協(xié)議，因此可以方便地實現不同產品之間的無線方式通信，由于MCP2120的應用方式簡單，目前已得到廣泛應用。
2.1.3 利用MCP2120實現單片機與筆記本電腦無線通信
目前，大多數新型便攜式計算機（筆記本電腦）都有內置的紅外線收發(fā)器，支持IrDA的標準和協(xié)議，因此，可以利用MCP2120實現單片機與筆記本電腦之間的無線連接。
實現單片機和筆記本電腦的紅外通信，包括筆記本電腦部分的通信程序設計以及單片機部分的硬件接口和通信軟件設計。由于Windows操作系統(tǒng)提供紅外適配器的驅動程序，大大簡化了上位機軟件的設計，當安裝了Windows提供了IrDA標準驅動程序后，系統(tǒng)會提供一個虛擬串口（Virtual COM port），通信的波特率和串口號由用戶自己指定。這樣，在編寫上位機通信程序時，可直接用串口操作函數對用戶指定的虛擬串口直接進行讀/寫操作，并可根據用戶需要采用Visual Basic或VisualC++等編程工具編寫。通信軟件部分的設計與串口的一般操作方法相同，但波特率的設置必須與上位機波特率一致。這樣，為基于單片機的智能儀表實現紅外線無線通信提供了方便的接口支持。
2.2 籃牙技術通信
2.2.1 籃牙技術簡介
籃牙（buluetooth）技術是一種新的近距離無線通信標準，推出籃牙技術的目的在于實現最高數據傳輸速率為1Mbps(有效傳播速率為721Kbps)、最大傳輸距離為10m的無線通信，并形成世界統(tǒng)一的近距離無線通信標準?；@牙技術可提供低成本、低功耗的無線接入方式，被認為是近年來無線數據通信領域重大的進展之一。
籃牙技術工作在全球通用的2.4GHz ISM（I-工業(yè)；S-科學；M－醫(yī)學）頻段，從理論上講，以2.4GHzISM頻段運行的技術能夠使相距30m以內的儀器設備相互間成功實現無線連接，數據傳輸速率可達到2Mbps。并且籃牙技術采用了“即插即用”概念。根據籃牙通信協(xié)議，各種籃牙設備無論在任何地方，都可以通過人工或自動查詢來發(fā)現其它籃牙設備，從而構成網絡，實現系統(tǒng)提供的各種功能。調頻、TDD、TDMA等技術的使用使得籃牙的射頻電路較為簡單，通信協(xié)議的大部分內容可以專用集成電路和軟件來實現，因此從技術上保證了籃牙設備的高性能和低成本。
2.2.2 籃牙芯片及其連接技術
目前的籃牙產品有很多，其硬件上大多采用一塊射頻芯片和一塊基帶控制芯片構成籃牙芯片組，籃牙芯片組配以外加天線、電源以及含籃牙軟件棧的Flash ROM等就可以構成一個籃牙模塊而應用于各種產品中。籃牙模塊的連接方式主要有以下幾種：
①采用USB方式
這種方式把籃牙模塊當作USB的從設備與主機通信。
②采用UART/PCM方式
這種方式用UART（通用異步收發(fā)器）作為數據通信口，而脈沖編碼調制（pulse code modulation,PCM）作為語音通信口。用UART進行數據通信時，籃牙模塊相當于一個數字電路終端設備，其串行傳輸速度可達460.8Kbps。
③采用專用控制芯片方式
以上兩種方式是直接由主機CPU通過主控制器接口（host control interface,HCI）與籃牙模塊實現控制和信息交換，在控制和通信過程中主機需占用資源。這兩種方式相當于直接將主機籃牙化。然而，在復雜控制場合，主機CPU除無線通信外還要實現多種其它功能，這時可采用專用控制芯片，負責籃牙功能模塊及與主機的信息交換，如圖4所示。主CPU不直接與籃牙模塊聯系，當主CPU需要使用籃牙模塊時，向專用CPU發(fā)出服務請求（如傳送或接收數據），由專用CPU負責實現籃牙無線通信功能，包括呼叫、譯碼/解碼、糾錯等，并將通信結果經處理后存入外部存儲設備，以供主CPU使用，待通信完成后再向主CPU發(fā)出應答信號，以報告通信結果（如連接成功、連接失敗、發(fā)送/存儲完畢、數據長度、類型等）。主CPU根據應答采取相應動作。這樣，主CPU只需要發(fā)出服務請求和接收應答信息就可實現籃牙功能服務，其資源可在籃牙無線通信期間被釋放出來，其代價是增加適度性能的專用CPU。
圖4 采用專用控制芯片的系統(tǒng)
2.2.3 基于籃牙技術的數據采集裝置
籃牙技術可以在短距離內用無線接口來代替有纜連接，因而可以取代現場儀器之間的復雜連接，這對于需要采集大量數據的測控場合非常有用。例如，數據采集設備可以集成單獨的籃牙芯片，或者采用具有籃牙芯片的單片機提供籃牙數據接口。在采集數據時，這種設備就可以迅速地將所采集到的數據傳送到附近的數據處理裝置（例如PC、筆記本電腦、PDA）中，不僅避免了在現場鋪設大量復雜連線以及對這些接線是否正確的檢查與核對，而且不會發(fā)生因接線可能存在的錯誤而造成測控的失誤。與傳統(tǒng)的以電線或線外方式傳輸測控數據相比，在測控領域應用籃牙技術的優(yōu)點主要表現在：
① 抗干擾能力強。采集測控現場數據經常遇到大量的電磁干擾，而籃牙系統(tǒng)因采用了跳頻擴頻技術，故可以有效地提高數據傳輸的安全性和抗干擾能力；
②無須鋪設纜線，降低了環(huán)境改造成本，方便了數據采集人員的工作；
③沒有方向上的限制，可以從各個角度進行測控數據的傳輸，可以實現多個測控儀器設備間的聯網，便于進行集中監(jiān)測與控制。
圖5所示為應用籃牙技術構建的無線數據采集裝置框圖。整個裝置由前端數據采集部分、處理傳送部分和末端的數據接收部分（可以是PLC或PC上位機等）組成。前端數據采集部分由位于現場的傳感器、A/D轉換器和處理器（一般是單片機）組成。傳送部分主要是利用自帶微笑天線的籃牙模塊進行無線的數據傳輸；采集到的數據信號被傳送到PLC控制器或PC上位機。若籃牙模塊選擇愛立信ROK101 008，可支持點對點的主從方式通信。
圖5 籃牙無線數據采集裝置結構
3 基于USB接口的通信
USB（universal serial bus）即通用串行總線，它是一種應用在PC領域的新型接口技術。隨著支持USB標準Windows98的出現和USB設備數量的快速增加，USB才在近年逐漸流行起來。目前普遍采用的USB1.1主要應用在中低速外部設備上，它提供的傳輸速度有低速1.5Mbps和全速12Mbps兩種，一個USB端口可同時支持全速和低速的設備訪問。目前，USB在自動化控制領域主要用于數據采集系統(tǒng)，由PC作為USB主機端，單片機作為USB設備端。
3.1 USB數據傳輸方式
USB通過主機上客戶軟件的內存緩沖區(qū)和USB設備上端點之間的管道來傳送數據。它提供有4種傳輸方式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和批量傳輸?？刂苽鬏敯l(fā)送設備請求信息，主要用于讀取設備配置信息和設備狀況，設置設備地址和設備屬性、發(fā)送控制命令等功能；同步傳輸提供了確定的帶寬和時間間隔，常被用于時間嚴格并具有較強容錯性的流數據傳輸，或者用于要求恒定的數據傳輸率的即時應用中；中斷傳輸主要用來支持那些偶爾需要對少量數據進行通信，但服務時間卻受限的設備；批量傳輸主要用于大批量的數據傳輸，同時又沒有帶寬和時間間隔的要求，但是USB只能在滿足帶寬的情況下才進行批量傳輸。
3.2 USB外圍設備的設計方案
目前用于USB外圍設備設計的方案有兩種：一種是采用普通單片機外加USB接口器件；另一種是采用具有USB接口的單片機。
3.2.1 普通單片機外加USB接口器件
USB接口器件只用于處理USB通信，它必須由一個外部單片機來控制。通過USB接口器件可以把USB端口接到任何類型的單片機上，這種實現USB接口的模塊化設計方法使得設計者可自由選擇合適的單片機。
目前市場上已有很多公司提供USB接口器件，Philips公司的PDIUSBD12是一款性價比高、帶并行總線的USB接口器件，它集成了SIE（串行接口引擎）、FI-FO(先進先出)存儲器、收發(fā)器及電壓調節(jié)器，可與任何單片機實現高速并行接口；其主端點的雙緩沖配置增加了數據的吞吐量，從而可以輕松地實現實時數據傳送；可通過軟件控制與USB的連接，支持雙電源（即3.3V和擴展的5V）操作；具有高糾錯率的全掃描設計確保了其高品質。
3.2.2具有USB接口的單片機
隨著USB應用的日益廣泛和流行，Intel、Cypress等單片機廠商推出了具有USB接口的單片機，這類單片機處理能力強，有的本身就具備多路A/D、D/A，采用這類單片機構成系統(tǒng)的電路簡單、調試方便、電磁兼容性好。因此采用具有USB接口的單片機成了開發(fā)USB外設的較好方案。不過由于增加了USB接口，這類單片機與原先的開發(fā)系統(tǒng)一般不完全兼容，需要購買新的開發(fā)套件，需要新的投資。
Cypress半導體公司作為USB市場的著名廠商，開發(fā)的EZ－USB FX2成了世界上第一款USB2.0集成微控制器。它包括1個增強型8051單片機、1個串行接口引擎（SIE）、1個USB收發(fā)器、片上RAM、FIFO存儲器以及1個通用可編程接口。FX2提供了一個全面集成的解決方案，它不僅可減少電路板空間，而且大大縮短了產品的上市時間。
FX2擁有一個獨特的架構，其智能串行接口引擎在硬件層上處理USB1.1和USB2.0協(xié)議的大部分內容，因此外設產品設計人員不必為增加產品的USB功能而學習USB協(xié)議，從而使產品開發(fā)變得更加容易，同時減輕了單片機的負擔，而讓智能串行接口引擎從硬件上保證更高的傳輸率。FX2通用可編程接口（GPIF），允許它“無膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進行接口，并且它還支持所用通用總線標準，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。FX2完全適用于USB2.0,并向下兼容USB1.1。
3.3 USB在測控領域的應用
2001年9月的《Test and Measurement World》進行了一次針對測量應用中PC用戶的未來需求調查，該調查顯示越來越多的用戶期望使用USB接口將他們的儀器及數據采集設備連接到PC。
下面以圖6所示的實例，說明基于單片機的數據采集設備與USB專用芯片PDIUSBD12的接口。圖中的80C51單片機與PDIUSBD12通過高速的并行接口進行通信，速率可達2MB/s。對于80C51而言，PDIUS-BD12僅僅是具有8位數據總線的一個地址比特的存儲設備。80C51將A/D采集到的數據保存到擴展的數據存儲器中，然后通過USB接口將數據存儲器中的數據傳送到PC。
圖6 PDIUSBD12與單片機接口示意圖
由于80C51是一種廣泛使用的單片機，既能利用80C51中豐富的軟、硬件資源，又可利用USB總線技術的“即插即用”、熱插撥等特性，從而開發(fā)出很好的USB功能設備，并可降低開發(fā)設備的成本，縮短開發(fā)周期。
USB通信的軟件設計包括單片機部分的固件部分和主機（PC）的驅動程序部分。對于單片機控制程序，由于目前沒有任何廠商提供自動生成固件（firmware）的工具，因此所有程序都需要手工編制。對USB的單片機控制程序通常由三部分組成：
①初始化單片機和所有的外圍電路（包括PDIUS-BD12）；
②主循環(huán)部分，其任務是可以中斷的；
③中斷服務程序，其任務是對時間敏感的，必須馬上執(zhí)行。根據USB協(xié)議，任何傳輸都是由主機（host）開始的，這樣，單片機作它的前臺工作，等待中斷。
主機首先要發(fā)令牌包給USB設備（這里是PDIUS-BD12），PDIUSBD12接收倒令牌包后就給單片機發(fā)中斷，單片機進入中斷服務程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應的操作。因此，USB單片機程序主要就是相對應的中斷服務程序。
對于主機部分的軟件設計，Windows98已提供多種USB設備的驅動程序，但還沒有一種是專門針對數據采集系統(tǒng)的，所以必須針對特定的設備來編制驅動程序。盡管系統(tǒng)已經提供了很多標準接口函數，但編制驅動程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事情，通常采用WindowsDDK來實現。作為WIN98和WIN2K推薦的一項新技術來說，USB的驅動程序和以往的直接跟硬件打交道的WIN95的VXD方式的驅動程序不同，它屬于WDM類型。
4 現場總線通信
現場總線是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，代表了當今自動化控制體系結構發(fā)展的一種方向，其基礎是智能儀表。
4.1 現場總線智能儀表
現場總線智能儀表作為未來工業(yè)過程控制系統(tǒng)的主流儀表，它與現場總線一起成為構成現場總線控制系統(tǒng)（fieldbus control system,FCS）的兩個重要部分。
現場總線智能儀表與一般智能儀表的重要區(qū)別在于它采用了標準化現場總線接口更便于構成現場總線控制系統(tǒng)。FCS采用現場總線在控制現場建立一條高可靠性的數據通信線路，實現各現場總線智能儀表變成網絡節(jié)點。這樣，基于現場總線的可靠通信功能，FCS就可以把各個現場總線智能儀表連接成了可以互相溝通信息，共同完成控制任務的網絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，能有效地體現DCS中的“信息集中，控制分散”的功能，真正滿足現場實時形式傳輸的準確性、實時性的要求。
4.2 現場總線智能儀表的通信支持
目前，現場總線的種類比較多，它們在對通信的處理方面均提供有各自專用器件和技術支持。如Lon-Works中的Neuron芯片和LonTalk協(xié)議，Profibus中的專用協(xié)議芯片等。下面以應用較為廣泛的Profibus中的專用協(xié)議芯片等。下面以應較為廣泛的Profibus現場總線儀表為例，探討其對通信技術的支持方式。
Profibus的通信協(xié)議相對比較復雜。從原則上講，它可以在任何安裝有異步串行收發(fā)器（UART）的微處理器上借助軟件實現。然而，開發(fā)人員若使用專用的通信處理芯片，就可將繁雜的協(xié)議撇開。Profibus通信協(xié)議芯片已形成廣泛系列，使用這些協(xié)議芯片不僅使Profibus協(xié)議的具體實現簡單、方便、省時、省力，而且還可達到快速開發(fā)產品的目的。目前，適合于智能從站的ASIC種類較多，如西門子公司的SPC3通信協(xié)議芯片。作為從站的現場總線智能儀表，51系列單片機與SPC3的接口如圖7所示。
圖7 SPC3與51系列單片機的接口示意圖
現場智能儀表作為現場總線的從站，其程序包括三個部分：SPC3的初始化程序、SPC3的中斷處理程序和具體的I/O應用程序。在SPC3正常工作之前，需要進行初始化，以配置各個需要的寄存器；中斷處理程序用于完成SPC3發(fā)生的各種事件的處理，主要包括對新的參數報文事件、全局控制命令報文事件、進入或退出數據交換狀態(tài)事件、新的配置報文事件新的地址設置報文事件、監(jiān)測到波特率事件以及看門狗溢出事件等處理；數據輸入/輸出處理和用戶診斷數據輸入可以放在應用程序的循環(huán)中。當SPC3接收到由Profibus主站傳送的不同輸出數據時，會產生通過輪詢標志位來接收主站數據，或向主站發(fā)送數據或其它信息。對于實時性要求嚴格的系統(tǒng)，可采用中斷方式進行數據傳送和診斷數據處理。由此可見，現場儀表所處理的僅僅是數據傳送和處理，而繁瑣的協(xié)議大部分已由協(xié)議芯片完成。
5 Internet接入技術
網絡化儀器是近年提出的全新概念，它是儀器檢測技術與現代計算機技術、網絡通信技術、微電子技術深度融合的結果。檢測儀器接入Internet（或成為Inter-net中的獨立節(jié)點 ），成為執(zhí)行測量和控制任務的儀器Web站點。這種網絡化儀器可以象普通儀器那樣按設定程序對相關物理量進行自動測量、控制、存儲和顯示等；同時允許已授權的用戶通過Internet遠程對儀器進行操作、監(jiān)控、故障診斷等。
5.1 接入Internet的方法
現代儀器、儀表的設計方法，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成為網絡儀器有三種方法：
①由32位高檔MCU構成嵌入式儀器，除了可以實現復雜儀器功能外，還能進行網絡通信的TCP/IP協(xié)議處理，因而可以成為直接接入Internet的網絡儀器；
②對于低檔8位機組成的嵌入式儀器，采用專用網絡（如RS-485、Profibus、CAN等）把若干嵌入式儀器連在儀器，該網絡再與PC相連，由此建成PC Gateway專用網，此時把PC作為網關，并由PC把該網絡上的信息轉換為TCP/IP協(xié)議數據包，發(fā)送到Internet上實現信息共享；
③由8位單片機組成直接接入Internet的嵌入式網絡儀器，它要求單片機具有足夠快的運行速度，采用實時多任務操作系統(tǒng)，在單片機執(zhí)行數據采集和控制任務的同時，把數據打包后發(fā)送到Internet上。
5.2 支持芯片和網絡儀器結構
當前，由于8位微處理器芯片上能集成許多控制功能，故廣泛應用于檢測和控制領域。其中，Scenix公司開發(fā)了一種高速、高性能的8位CMOS微控制器（MCU）SX52,它允許通過軟件來虛擬外圍設備，使其支持的每種功能可納入MCU程序存儲器的軟件模塊。SX可通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅動片上I/O實現UART、DTMF、PWM、D/A、FSK、I2C
等虛擬外設功能。高速MCU支持軟件模擬從TCP/IP網絡協(xié)議組到物理層接口及應用模塊等實現網絡通信，運行HTTP，SMTP，POP3,UDP,IP,PPP等流行的網絡協(xié)議，還可以實現Ethernet IEEE802.3協(xié)議。
以SX52為核心，采用RTL8091以太網接口芯片為網絡儀器接口所組成的網絡化儀器的基本結構如圖8所示。其儀器設計主要包括通用測控前端（包括測量部件、控制部件等）、嵌入式系統(tǒng)(SX52MCU)和網絡接口三個部分。
圖8 網絡化儀器結構
數據傳輸和控制是通過SX52微控制器和網絡芯片RTL8019共同配合完成。其中的RTL8019適用物理標準10BASE-T，使用兩對雙絞線，一對發(fā)送數據，另一對接收數據，使用型號為RJ-45的8針模塊插頭作為連接器。當RTL8019接收到數據后，首先進行解碼和校驗，如果校驗正確便會用中斷通知MCU；需要發(fā)送數據時，MCU把數據寫入RTL8019中，由RTL8019自動加上信息頭和校驗位，并按曼徹斯特編碼的格式發(fā)送數據。
將嵌入式儀器、儀表接入Internet是網絡化儀器、儀表的發(fā)展方向之一，采用網絡接口芯片和嵌入式系統(tǒng)的MCU相結合是其有效方法，它解決了接入Internet的主要問題，包括TCP/IP協(xié)議的實現，數據的封裝、編碼和發(fā)送等。
6 結束語
本文針對目前通信技術的發(fā)展和應用，較為系統(tǒng)、全面地綜述了有關電力線、無線、現場總線通信技術地概念、器件支持和應用模式，簡單敘述了基于USB接口地通信系統(tǒng)設計，分析了上述通信技術對儀器、儀表的支持，結合實例討論了這些通令技術在儀器、儀表中的應用方式，最后通過對網絡化儀器概念和組成結構的介紹，探討了網絡化儀器接入Internet的方法。這些通信技術必將會對儀器、儀表的網絡化進程帶來勃勃生機。
