基于WORLDFIP的电流—现场总线转换仪表的设计

摘　要：论述基于WorldFIP现场总线协议的电流—现场总线 转换器的开发。分别从硬件设计和软件开发两个方面具体介绍了电流—现场总线转换器的原 理及具体设计。

　　关键词：转换器；协议；基金会现场总线

1硬件设计

　　电流/总线转换器(IF)主要由三个模块组成：输入模块、通讯模块以及显示模块，如图1所示。在输入电路板上，将来自常规仪表的4～20mA标准信号，经过信号调整，转换为适合A/D转 换的电压，经信号隔离后，以数字量的形式经过通讯板送往现场总线与应用层进行通 讯，同时将数字信号转换为实际物理量的数值显示。

1.1输入模块

　　如图2所示，为节省成本，充分提高IF的转换效率，IF设计为具有四路输入转换通道。在各 输入端分别接一个电阻的作用是给输入信号乘上一个正确的增益以适合A/D转换器的信号接 收范围。输入的是4～20mA的模拟信号，经一个R=100Ω的电阻后，进入A/ D转换器的信号即为0.4～2V的电压信号(ADS1110的标准电压是2.048V)。



　　多路转换器MUX采用八选一芯片CD4051BC。可以从八路模拟量输入中，通过CPU对三个管脚A 、B、C的控制来选择任意一路从管脚COM输出。

　　A/D转换电路的主要作用是对放大后信号进行A/D转换。A/D转换器采用ADS1110。该芯片主要具有如下优点：分辨率为16位，从而保障了A/D转换具有较高的精度；片载2.048V标 准参考电压，精度为2.048V±0.05％；具有8位的I2C地址线，串行输出，减 少光电隔离组件的使用。此外，该A/D转换器还设有调零和增益校准电路。

　　电源隔离和信号隔离的作用是防止输入信号与地形成环流而引入干扰。来自主电路板CPU的 控制信号和来自A/D转换器的信号通过光电耦合器 传输，从而实现了信号地的隔离。

　　中央处理器CPU是电流—现场总线的核心部件，它控制着整个仪表各个部件的协调工作、线 性化和通讯。CPU采用AT91M40800。该芯片集成ARM7TDMI内核，具有高 性能的32位RISC；片载SRAM和ROM；4G的线性地址空 间，32位可编程I/O线等特点。另外，该系列的单片机片载JTAG调试口，可以在线仿真。系 统程序存贮于CPU外部的PROM，运算数据暂存贮于RAM，一些重要的标定、组态和 辨识等应用程序都存贮于EEPROM。主电路板上的EEPROM存贮器用来存贮组态参数(指功能模 块的参数)。

1.2WorldFIP通讯模块

　　在通讯模块的设计中，通讯单元采用ALSTOM公司设计的WorldFIP通讯微控制器MICROFIP，通 讯接口部分采用了ALSTOM公司设计的WorldFIP总线驱动器FIELDRIVE和WorldFIP隔离变压器F IELDTR。通讯卡的组成框图如图3所示。



　　MICROFIP内置的通讯协议与WorldFIP标准兼容，它专为小型现场设备设计，适合不需要支持 总线仲裁功能的小型现场设备，MICROFIP提供周期性缓冲传输和数据链路层报文服务，也支 持应用层更新和提示机制。MICROFIP还集成了一组适合小型现场设备的网络管理服务，如存 在、标识、调用SM-MPS变量等。MICROFIP能支持和管理介质冗余，无需另外的芯片。

　　MICROFIP提供了数据链路层和MPS应用层的接口，提供的服务有：

　　1)物理层服务：在EN10570和FIP标准之间进行选择； 2)数据链路层服务：变量传送服务和报文传送服务； 3)网络管理服务：MICROFIP介质冗余管理； 4)附加功能：输入/输出端口，通过并行端口获取站地址。

　　FIELDRIVE元件是一组完全集成的总线驱动电路，用来提供协议组件与现场总线隔离变压器 之间的接口，它集成了一个总线驱动器、一个总线接收器、一组传送错误检测电路、一个监 视接口等。FIELDTR元件提供了FIELDRIVE总线驱动器和现场总线物理介质之间的电隔离。

1.3显示板

　　选用字符型LCD点阵模块HD44780，它可显示5×7点字型192种字符，5×10点字型32种字符， 可自编8(5×7点)或4(5×10点)种字符。该模块的指令功能强，可组合成各种输入、显示、 移位方式以满足不同的要求。接口带有8×8bitRAM。

2IF软件设计

　　软件开发采用集成开发环境——Enbest IDE for ARM。它能提供高效明晰的图形化的嵌入式 软件平台，包括一套完备的面向嵌入式系统的开发和调试工具。IF软件设计同样采用模块化 设计思想，将软件设计分为三个模块：A/D转换模块，通讯模块和显示模块。A/D转换模块主 要采集要求通道的输入信号(转换成数字量)。通讯模块是现场总线智能仪表都必须具有的核 心模块，完成物理层和部分数据链路层间的通讯，实现现场设备节点与现场总线之间的通讯 。显示模块主要负责显示实际的物理量，由A/D转换后的数字量，进过标度变换后得到显示 的实际数值。主程序框图如图4所示。



3结束语

　　现场总线控制系统的优越性是不容置疑的，因此，与电流—现场总线转换器类似的现场总线 智能仪表具有广泛的应用前景。对于类似火力发电厂的大型的工业控制系统，目前大多数还 在采用DCS控制系统的情况下，如果将其改造为现场总线控制系统，必然要为常规仪表与现 场总线之间搭建一座桥梁，即电流—现场总线转换器和现场总线—电流转换器的开发 ，从而使现场总线控制系统深入到各控制领域，开创一个工业控制的新时代。

参考文献

［1］吕秋霞，等.现场总线控制系统与常规仪表的兼容性及现场总线—电流转换器 的研发［J］.现代电力，2003，(1).
［2］白焰.计算机控制系统［M］.中国电力出版社，1998.
［3］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.清华大学出版社，1999.
作者：李文，白焰，梁庚(华北电力大学(北京)自动化系，102206)    来源：仪表技术