基于WORLDFIP的電流—現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)換儀表的設(shè)計(jì)

Design for the Converter of Analog to Fieldbus Based on WORL DFIP

LI Wen, BAIYan, LIANGGeng?

(Automation Department of North Electric Power University, Beijing 10 2206, China)?

　　Keywords: converter; protocol; FF

1硬件設(shè)計(jì)
　　電流/總線轉(zhuǎn)換器(IF)主要由三個(gè)模塊組成：輸入模塊、通訊模塊以及顯示模塊，如圖1所示 。在輸入電路板上，將來(lái)自常規(guī)儀表的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)整，轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn) 換的電壓，經(jīng)信號(hào)隔離后，以數(shù)字量的形式經(jīng)過(guò)通訊板送往現(xiàn)場(chǎng)總線與應(yīng)用層進(jìn)行通 訊，同時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理量的數(shù)值顯示。
1.1輸入模塊
　　如圖2所示，為節(jié)省成本，充分提高IF的轉(zhuǎn)換效率，IF設(shè)計(jì)為具有四路輸入轉(zhuǎn)換通道。在各 輸入端分別接一個(gè)電阻的作用是給輸入信號(hào)乘上一個(gè)正確的增益以適合A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)接 收范圍。輸入的是4～20mA的模擬信號(hào)，經(jīng)一個(gè)R=100Ω的電阻后，進(jìn)入A/ D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)即為0.4～2V的電壓信號(hào)(ADS1110的標(biāo)準(zhǔn)電壓是2.048V)。

　　A/D轉(zhuǎn)換電路的主要作用是對(duì)放大后信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器采用ADS1110。 該芯片主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：分辨率為16位，從而保障了A/D轉(zhuǎn)換具有較高的精度；片載2.048V標(biāo) 準(zhǔn)參考電壓，精度為2.048V±0.05％；具有8位的I2C地址線，串行輸出，減 少光電隔離組件的使用。此外，該A/D轉(zhuǎn)換器還設(shè)有調(diào)零和增益校準(zhǔn)電路。
　　電源隔離和信號(hào)隔離的作用是防止輸入信號(hào)與地形成環(huán)流而引入干擾。來(lái)自主電路板CPU的 控制信號(hào)和來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)通過(guò)光電耦合器 傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)地的隔離。
　　中央處理器CPU是電流—現(xiàn)場(chǎng)總線的核心部件，它控制著整個(gè)儀表各個(gè)部件的協(xié)調(diào)工作、線 性化和通訊。CPU采用AT91M40800。該芯片集成ARM7TDMI內(nèi)核，具有高 性能的32位RISC；片載SRAM和ROM；4G的線性地址空 間，32位可編程I/O線等特點(diǎn)。另外，該系列的單片機(jī)片載JTAG調(diào)試口，可以在線仿真。系 統(tǒng)程序存貯于CPU外部的PROM，運(yùn)算數(shù)據(jù)暫存貯于RAM，一些重要的標(biāo)定、組態(tài)和 辨識(shí)等應(yīng)用程序都存貯于EEPROM。主電路板上的EEPROM存貯器用來(lái)存貯組態(tài)參數(shù)(指功能模 塊的參數(shù))。
1.2WorldFIP通訊模塊
　　在通訊模塊的設(shè)計(jì)中，通訊單元采用ALSTOM公司設(shè)計(jì)的WorldFIP通訊微控制器MICROFIP，通 訊接口部分采用了ALSTOM公司設(shè)計(jì)的WorldFIP總線驅(qū)動(dòng)器FIELDRIVE和WorldFIP隔離變壓器F IELDTR。通訊卡的組成框圖如圖3所示。?

　　MICROFIP提供了數(shù)據(jù)鏈路層和MPS應(yīng)用層的接口，提供的服務(wù)有：
　　1)物理層服務(wù)：在EN10570和FIP標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行選擇； 2)數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)：變量傳送服務(wù)和報(bào)文傳送服務(wù)； 3)網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)：MICROFIP介質(zhì)冗余管理； 4)附加功能：輸入/輸出端口，通過(guò)并行端口獲取站地址。
　　FIELDRIVE元件是一組完全集成的總線驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)提供協(xié)議組件與現(xiàn)場(chǎng)總線隔離變壓器 之間的接口，它集成了一個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)總線接收器、一組傳送錯(cuò)誤檢測(cè)電路、一個(gè)監(jiān) 視接口等。FIELDTR元件提供了FIELDRIVE總線驅(qū)動(dòng)器和現(xiàn)場(chǎng)總線物理介質(zhì)之間的電隔離。
1.3顯示板
　　選用字符型LCD點(diǎn)陣模塊HD44780，它可顯示5×7點(diǎn)字型192種字符，5×10點(diǎn)字型32種字符， 可自編8(5×7點(diǎn))或4(5×10點(diǎn))種字符。該模塊的指令功能強(qiáng)，可組合成各種輸入、顯示、 移位方式以滿足不同的要求。接口帶有8×8bitRAM。?

　　軟件開(kāi)發(fā)采用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境——Enbest IDE for ARM。它能提供高效明晰的圖形化的嵌入式 軟件平臺(tái)，包括一套完備的面向嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具。IF軟件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化 設(shè)計(jì)思想，將軟件設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊：A/D轉(zhuǎn)換模塊，通訊模塊和顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊主 要采集要求通道的輸入信號(hào)(轉(zhuǎn)換成數(shù)字量)。通訊模塊是現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表都必須具有的核 心模塊，完成物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層間的通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)總線之間的通訊 。顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示實(shí)際的物理量，由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，進(jìn)過(guò)標(biāo)度變換后得到顯示 的實(shí)際數(shù)值。主程序框圖如圖4所示。

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　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性是不容置疑的，因此，與電流—現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)換器類似的現(xiàn)場(chǎng)總線 智能儀表具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于類似火力發(fā)電廠的大型的工業(yè)控制系統(tǒng)，目前大多數(shù)還 在采用DCS控制系統(tǒng)的情況下，如果將其改造為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，必然要為常規(guī)儀表與現(xiàn) 場(chǎng)總線之間搭建一座橋梁，即電流—現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場(chǎng)總線—電流轉(zhuǎn)換器的開(kāi)發(fā) ，從而使現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)深入到各控制領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng)一個(gè)工業(yè)控制的新時(shí)代。