基于WORLDFIP的電流—現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換儀表的設(shè)計
基于WORLDFIP的電流—現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換儀表的設(shè)計
論述基于WorldFIP現(xiàn)場總線協(xié)議的電流—現(xiàn)場總線 轉(zhuǎn)換器的開發(fā)。分別從硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩個方面具體介紹了電流—現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器的原 理及具體設(shè)計。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換器；協(xié)議；基金會現(xiàn)場總線
電流/總線轉(zhuǎn)換器(IF)主要由三個模塊組成：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，將來自常規(guī)儀表的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過信號調(diào)整，轉(zhuǎn)換為適合A/D轉(zhuǎn) 換的電壓，經(jīng)信號隔離后，以數(shù)字量的形式經(jīng)過通訊板送往現(xiàn)場總線與應(yīng)用層進行通 訊，同時將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為實際物理量的數(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)計為具有四路輸入轉(zhuǎn)換通道。在各 輸入端分別接一個電阻的作用是給輸入信號乘上一個正確的增益以適合A/D轉(zhuǎn)換器的信號接 收范圍。輸入的是4～20mA的模擬信號，經(jīng)一個R=100Ω的電阻后，進入A/ D轉(zhuǎn)換器的信號即為0.4～2V的電壓信號(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放大后信號進行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：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。
電源隔離和信號隔離的作用是防止輸入信號與地形成環(huán)流而引入干擾。來自主電路板CPU的 控制信號和來自A/D轉(zhuǎn)換器的信號通過光電耦合器 傳輸，從而實現(xiàn)了信號地的隔離。
中央處理器CPU是電流—現(xiàn)場總線的核心部件，它控制著整個儀表各個部件的協(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。另外，該系列的單片機片載JTAG調(diào)試口，可以在線仿真。系 統(tǒng)程序存貯于CPU外部的PROM，運算數(shù)據(jù)暫存貯于RAM，一些重要的標(biāo)定、組態(tài)和 辨識等應(yīng)用程序都存貯于EEPROM。主電路板上的EEPROM存貯器用來存貯組態(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)計中，通訊單元采用ALSTOM公司設(shè)計的WorldFIP通訊微控制器MICROFIP，通 訊接口部分采用了ALSTOM公司設(shè)計的WorldFIP總線驅(qū)動器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)之間進行選擇； 2)數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)：變量傳送服務(wù)和報文傳送服務(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)動電路，用來提供協(xié)議組件與現(xiàn)場總線隔離變壓器 之間的接口，它集成了一個總線驅(qū)動器、一個總線接收器、一組傳送錯誤檢測電路、一個監(jiān) 視接口等。FIELDTR元件提供了FIELDRIVE總線驅(qū)動器和現(xiàn)場總線物理介質(zhì)之間的電隔離。
1.3顯示板
選用字符型LCD點陣模塊HD44780，它可顯示5×7點字型192種字符，5×10點字型32種字符， 可自編8(5×7點)或4(5×10點)種字符。該模塊的指令功能強，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。? 軟件開發(fā)采用集成開發(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，包括一套完備的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工具。IF軟件設(shè)計同樣采用模塊化 設(shè)計思想，將軟件設(shè)計分為三個模塊：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(轉(zhuǎn)換成數(shù)字量)。通訊模塊是現(xiàn)場總線智能儀表都必須具有的核 心模塊，完成物理層和部分數(shù)據(jù)鏈路層間的通訊，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點與現(xiàn)場總線之間的通訊 。顯示模塊主要負責(zé)顯示實際的物理量，由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，進過標(biāo)度變換后得到顯示 的實際數(shù)值。主程序框圖如圖4所示。? 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性是不容置疑的，因此，與電流—現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器類似的現(xiàn)場總線 智能儀表具有廣泛的應(yīng)用前景。對于類似火力發(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)場總線控制系統(tǒng)，必然要為常規(guī)儀表與現(xiàn) 場總線之間搭建一座橋梁，即電流—現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場總線—電流轉(zhuǎn)換器的開發(fā) ，從而使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)深入到各控制領(lǐng)域，開創(chuàng)一個工業(yè)控制的新時代。
下載文檔
