1.1硬件体系结构的设计
智能仪器系统硬件体系结构的选择主要是根据应用系统的规模大小、控制功能性质及复杂 程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定的。首先根据系统规模及可靠 性要求考虑，对于普通要求规模较小的应用系统，可采用单机系统；对于高可靠性系统，即使 系统规模不大，但为了可靠，也常采用双机系统。
1. 单机系统结构设计
单机系统也叫直接测控仪器系统。用单片机进行适当扩充和接口，可满足一般智能仪器的 需要。单片机技术的发展在许多方面都展示出它的*性。其*性主要表现在芯片集成度高、 可靠性高、芯片种类多、体积小重量轻。
单片机应用系统中包括单片机系统、信号测量功能模块、信号功能控制模块、人机对话功 能模块和远程通信功能模块。其中单片机系统包括单片机基本系统的扩展部分。单片机系统的 扩展部分包括存储器扩展和接口扩展。
单片机应用系统中的信号测量功能模块是测量对象与单片机相互的*的部分，不 同的传感器输出的信号，经过放大、整形、转换（电流电压转换，模数转换，电压频率转换）后 输入单片机，如果要进行巡回检测，还需在信号检测部分装多路选择开关、多路放大器。若使用 多个放大器，则各放大器应放在多路选择开关之前；若使用单个放大器，放大器应放在多路选择 开关之后。控制信号功能模块是单片机与控制对象相互的重要部分。信号控制功能模块由单 片机输出的数字量、开关量或频率量转换（模数转换或频率电压转换）后，再由各种驱动回路来 驱动相应执行器实现控制功能。人机对话功能模块包括键盘、显示器（LED、LCD或CRT)、打 印机及报警系统等部分。为实现它与单片机的接口，采用接口芯片（如8279)或通用串/并 行接口芯片。远程通信功能模块担负着单片机间信息交换的功能。在具有多个单片机的应用系统 中，各单片机有时相距很远，采用并行通信，投资会急剧增加，技术上也不能实现。采用串行通 信方式时，可以用单片机的串行接口，也可以使用可编程串行接口芯片。距离较远时，还要增加调制解调器等。另外传感器、各功能模块和单片机系统要统一考虑，软、硬件要有几套方案进行 比较，按经济、技术的要求从中选择*方案。各功能块、单片机系统硬件电路要尽可能选用标 准化器件，模块化结构的典型电路要留有余地，以备扩展，尽可能采用集成电路，减少接插件相 互间的连线，降低成本，提高可靠性。此外，要切断来自电源、传感器、测量信号功能模块、控制信号功能模块部分的干扰。硬件、软件设计要合理、可靠、抗千扰、模块化等。
2. 多微处理机系统的结构设计
对于一些大型复杂的测控对象，用一台微机无法实现复杂的任务及对众多的对象进行测控 时，可组成多微机仪器系统或网络化仪器系统。多微机系统具有速度快、性价比高、系统可靠 且宜于扩充和改进等优点。多微机系统从它们相互之间的所达到的目的和要求可以分为两种类型，即计算机局域网络和分布式（或集散式）微机测控系统。二者因地域分散的不同，应用目的不同，导致在结构设计上的差异。
计算机局域网络互连的目的是为了资源共享（包括硬件和软件资源），相互之间能传递一 批信息。各计算机之间的比较松散，独立性很强，主要依靠操作系统对它们的操作进 行管理。这类多机系统更多地适用于办公自动化数字通信的场合。
在分布式计算机或集散式微机系统中，除了资源共享外，各微机是系统的一个功能部件， 它们之间相互协调形成一个整体以完成系统的总体任务。分布式系统从总体结构上分为分级式结构、集散式结构和现场总线式结构。
(1)分级式结构系统
分级或多级仪器系统是一个综合的多机系统。它由多台计算机构成系统中的各个级以完成 多种功能，各级之间通过通信传送信息，相互协调。zui常用的是上、下两级计算机组成的智能 仪器测控系统，包括直接测控级和过程监督级，如图8-2所示。各级主要分工如下。
①过程监督级为生产决策者提供有关信息，根据生产计划做出调度方案，进行各设备间 的协调，使它们处于*运行状态；根据历史数据及当前生产状况进行优化控制或优化生产操 作指导，给直接控制级计算机提供各种控制信息，如*设定值及*控制量等；进行有关性 能指标计算，生成各种生产数据和指标的图形，数据的组织管理，生产过程事故状态判断和记 录，险情预测预报，报表打印等。过程监督级的计算机可以采用标准的工业PC，在有些环境 较好的地方，也可以考虑采用普通PC。
②直接测控级进行数据采集、数据预处理、系统控制、设备单元的监测及故障诊断、事 故报警等。同时它还接收和执行上级计算机（过程监督级）的指令，并向上级计算机传递实时 信息。在许多情况下，直接测控级计算机都是控制器（或者单片机、DSP处理器、PLC 等），它可以安放在生产现场或设备附近，使用十分灵活。
(2)集散式结构系统
集散式（DCS，Distributed Control System)结构系统又称分散式系统。它在体系结构上的特点是层次化，其基本思想是集中操作管理，分散控制。由于控制分散，就可以做到“危险分 散”，从而使整个系统的可靠性大大提高。而且可以将多种监测控制、计划管理功能有机地集 成起来，使整个系统的性能大为提高。分布式系统是计算机监测控制系统一个重要的发展方向。 对于大型、复杂的控制过程，分布式系统成为方案。但集散式系统中的硬件（包括计算机、接口等）和软件（包括操作系统、应用平台、组态软件等）都是从工业应用出发专门设计的， 价格昂贵，这是它推广应用的主要难点所在。
对集散式系统的结构有各种观点，比较一致的一种意见是将集散式系统的层次分为4层， 如图8-3所示。每一层具有一台或多台计算机，各计算机连成网络，相互协调。每一层也称为 一级。各层（级）的功能大体划分如下：
①*层：直接测控级。这一层上有多台微机（工控机或单片机）或者PLC和控制 器直接面对生产现场的各类设备，完成各现场设备的监测、控制，它的功能与多级系统中的直 接测控级类似。
②第二层：过程优化级。这一层上主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视 直接控制级中各站点的所有信息，集中显示，集中操作，进行各控制回路的组态、参数设定和 修改，优化控制过程等。
③第三层：生产管理级。这一层上的管理计算机为决策者提供有关信息，以便其做出关 于生产计划、调度和管理的方案，使计划协调和生产管理处于*状态。这些管理工作主要是 针对车间和工厂的生产，而不涉及市场和营销。
④第四层：经营决策级。这一层的中央计算机担负全厂或全公司的总体协调、计划管理、 市场营销。它与厂里的财务、人事、档案、仓库、经营等各办公自动化系统连接，制定长期发 展规划和近期的发展计划，综合生产的计划、管理、销售、订货，了解与分析市场经营动向和 本部门的财务收支及预算，对全企业进行总决策，向下级下达任务，实现总调度。在现代化的企业系统中，也连接到互联网上，实现电子商务。经营决策级的计算机都是大中型计算机，一 般要求数据处理和科学计算能力强，存储容量大。
(3)现场总线式结构系统
现场总线系统（FCS，Fieldbus Control System)是20世纪90年代兴起的新一代工业测控 技术，它将当今网络通信与管理的概念引入工业控制领域，被称为“21世纪控制系统结构体 系”。计算机技术、通信技术和计算机网络技术的发展推动着智能仪器系统体系结构的变革， 模拟和数字混合的集散式系统逐渐发展为全数字系统，由此产生了工业生产领域应用的现场总 线。按电工委员会IEC 61158标准定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数 字式、双向传播、多分支结构的通信网络。通俗地说，FCS将构成智能仪器系统的各种传感 器、执行器及控制器通过现场控制网络起来，通过网络上的信息传输完成传统仪器系统中 需要硬件连接才能传递的信号，并完成各设备的协调，实现自动化测量与控制。
图8-4所示为FCS的系统结构简图。它是一个开放式的互联网络，既可以与同层网络互 联，也可以与不同层的网络互联；在现场设备中，以微处理器为核心的现场智能设备可方便地 进行设备互联、互操作。从测控的角度看，FCS有两个显著特点：
①传统的4〜20mA模拟信号制被双向数字通信现场总线信号制所代替。FCS把通信线 一直延伸到生产现场中的生产设备，构成用于现场设备和现场仪表互联的现场通信网络。其全 数字化的信号传输极大地提高了信号转换的精度和可靠性，避免了模拟信号在传输过程中的信 号衰减、精度下降、干扰信号易于进入等问题。
②传统的集中在控制器和中央控制系统的控制功能分散下放到现场设备中，实现*的 现场控制。FCS废弃了 DCS的I/O控制站，将这一级的功能分散地分配给现场设备和仪表。 用户可以灵活地选用各种功能块，经过统一组态构成控制回路实现控制。
图8-4中现场总线的节点包括现场设备和现场仪表，如传感器、变送器、执行器和编程器等。但不是传统的单功能现场设备和仪表，而是具有综合功能的智能设备和仪表。例如，温度 变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID (或某种更优良的）控制功能和运算 功能；调节阀除了具有驱动和执行的基本功能外，还内含输出特性的补偿功能，也可以有PID 或其他的控制和运算功能，以及阀门特性的自校正和自诊断功能等。这些功能模块分散在各个 现场设备和仪表中，并可统一进行组态，构成所需的控制系统，从而实现了更*的分散控制。
