CN101729339B

CN101729339B - 现场总线通信卡

Info

Publication number: CN101729339B
Application number: CN2008102284816A
Authority: CN
Inventors: 于海斌; 王宏; 赵海燕; 林跃; 康凯
Original assignee: Shenyang Zhongke Bowei Automation Technology Co Ltd
Current assignee: Shenyang Bowei Polytron Technologies Inc
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: CN101729339A

Abstract

本发明涉及自动控制领域，具体公开一种现场总线通信卡，它基于FBC0409现场总线控制器，用于对现场总线数据进行编码和解码，还包括：接收总线信号的总线信号滤波电路；将编码后数字信号转换为与总线信号波形相应的电压信号的总线电压信号调制电路；与现场总线通信控制器及其他外部设备通讯的主控电路；及总线供电/电流调制电路。本发明解决了目前国内无法开发Foundation Fieldbus及PROFIBUS PA现场总线通信卡的现状，摆脱了对进口现场总线仪表的依赖，具有基于同一硬件可运行Foundation Fieldbus和Profibus PA两种总线协议、低成本等的特点。

Description

现场总线通信卡

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体地说是一种基于FBC0409的现场总线通信卡。该通信卡支持总线供电，符合IEC61158-2物理层标准。作为智能传感器、控制器的核心设备，通信卡提供工业现场仪表、传感器所必需的控制、采集和显示接口。现场总线通信卡与传统的仪器仪表相结合构成现场总线设备。

背景技术

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备到控制、管理的各个层次。信息技术的发展对自动化系统结构产生了深远的影响，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线(Fieldbus)技术就是顺应这一形势发展起来的，成为当今自动化领域技术发展的热点。

现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化、双向传输、多分支结构的串行通信网络。现场总线的关键标志是能够支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它一方面将现场的测量、控制设备互连为通信网络，实现不同网段和现场通信设备之间的信息共享，另一方面又将现场运行的各种信息传到远离现场的控制室，进一步与上层管理控制网络连接和信息共享，建立了生产过程现场级测控设备与控制管理层之间的联系。

现场总线技术改变了传统的模拟信号采集和控制方式，以数字化、智能化、网络化技术提升和完善了工业测控设备及控制软件功能，彻底地改变了控制系统的体系结构。现场总线技术将现场的采集、显示、控制、执行等设备和装置以网络化形式连接起来，减少了现场的连接电缆，方便了设备的诊断和维护工作；以数字化通信技术建立了设备间的信息交互渠道，增加了信息容量，提高了通信的实时性、可靠性和准确性；以智能化技术赋予了现场设备更加完善的计算、控制和诊断功能，将系统控制功能进一步分散，进一步提高了控制系统的性能和安全性。

与传统控制系统相比，现场总线控制系统优势明显：

◆现场设备在本地完成控制、诊断等功能，实现控制功能的彻底分散；

◆现场设备以数字化传输方式替代了传统的4～20mA模拟信号，在传输信号幅值信息的同时，提供了信号质量、时间标签等丰富的现场信息；

◆现场设备间的网络化拓扑结构，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本；

◆现场设备具备互操作性、互换性，降低了用户的维护和采购成本；

◆规范化、开放化的现场总线标准，不再造成工业控制系统的信息孤岛，满足企业管控一体化的应用需要。

由于现场总线技术具有开放性、高准确性、低成本和易于维护等优点，因此在制造业、石化、冶金、电力、交通和楼宇管理等自动化领域得到了广泛的应用。

伴随多种现场总线标准的出现，新一代的控制系统、仪表等设备渐成主流。同时，支持多种现场总线的网络技术也随之发展，网关类产品也不断涌现。尽管多种总线在市场上取得了很大的成功，但Foundation Fieldbus和PROFIBUS PA是公认的过程控制总线的代表和技术领先者，过程控制级绝大部分采用Foundation Fieldbus或PROFIBUS PA总线标准。因此，Foundation Fieldbus和PROFIBUS PA是过程控制总线的绝对主流，也是国内自动化厂商所普遍遵循的现场总线标准。

但由于Foundation Fieldbus及PROFIBUS PA通信卡功能多、技术难度高、开发周期长，需要投入大量的人力、物力、资金，国内厂家大多没有能力从事Foundation Fieldbus及PROFIBUS PA通信卡的开发。目前的现场总线仪表的应用主要以进口为主，造成现场总线仪表成本居高不下。

发明内容

为了解决目前国内无法开发Foundation Fieldbus及PROFIBUS PA现场总线通信卡的现状，摆脱对进口现场总线仪表的依赖，本发明的目的是提供一种基于同一硬件既可以运行Foundation Fieldbus协议又可以运行Profibus PA协议、低成本的现场总线通信卡。当需要运行不同的协议时，只需对本发明重新编程即可，不需改动硬件。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

本发明基于FBC0409现场总线控制器，用于接收滤波和整形后的数字信号，输出解码后数字信号，及对发送的数据进行编码，还包括：

-总线信号滤波电路，接收总线上的信号，输出滤波和整形后的数字信号；

-总线电压信号调制电路，接收现场总线通信控制器输出的编码后数字信号，转换为与总线信号波形相对应的电压信号；

-主控电路，与现场总线通信控制器通讯，并采用通用异步收发器UART、串行外设接口SPI、集成电路互连总线I2C等方式与其他外部传感器、执行器配套的仪表卡进行通信，从而实现传感器的数据采集或控制执行器的动作以及更复杂的数据交换；

-总线供电/电流调制电路，从总线取电并为总线信号滤波电路、主控电路、现场总线通信控制器和总线电压信号调制电路供电，同时接收总线电压信号调制电路的电压信号，将电压信号转换为电流信号。

本发明所述总线信号滤波电路为一阶带通滤波器与施密特迟滞比较器串联结构，其中：迟滞比较器的输出经过滤波和整形的数字信号至现场总线通信控制器；

所述总线电压信号调制电路由电平迁移、三态变换、整形电路组成，电平迁移采用具有变压器隔离技术的数字隔离器实现，将现场总线通信控制器输出的数字信号迁移到总线供电-电流调制电路的前级稳压器的地电位；然后由三态变换电路将数字信号转换为与总线信号相应的三态信号；整形电路接收三态变换电路输出信号，对三态信号进行整形，使信号的边沿斜率满足总线信号的要求输出信号送至电流调制电路；

所述三态信号包括高电平、低电平和中间电平三种状态；所述三态变换电路采用2选1模拟开关；所述整形电路工作在反向器模式；

所述主控电路包括：微处理器(CPU)，内含程序存储器(FLASH)；静态数据存储器(SRAM)，与微处理器(CPU)通讯，存储运行的临时数据；非易失性数据存储器(EEROM)，与微处理器(CPU)通讯，存放设定的信息参数；

所述总线供电/电流调制电路包括：前级稳压器，输入总线上的电压信号，前级稳压器的输出用于对总线电压信号调制电路和电流调制电路供电，采用线性低压差类型；电流调制电路，通过电流计算公式，对二级稳压器供电；二级和三级稳压器，由并联稳压电路和串联稳压电路组合而成；其中：二级稳压器为并联稳压器类型稳压器，其输出提供给三级稳压器进行稳压，还用于吸收掉电流调制电路多余的输出电流；三级稳压器为串联型，采用线性低压差类型稳压器，用于去除二级并联稳压电路由于电流变化造成的电压波动的影响；三级稳压器输出给主控电路、总线信号滤波电路、现场总线通信控制器供电；

所述总线供电/电流调制电路在不减少内部电路可用的供电电流情况下，为仪表卡提供独立供电电源。

本发明的优点：

1.低功耗：本发明在整机功耗<14mA的情况下，可以同时对仪表卡供电。输出功率可以达到15mW以上(3.3V，5mA)。

2.接口方式灵活：本发明可以与仪表卡采用多种通信方式进行通信，如通用异步收发器、串行外设接口、集成电路互连总线等等。

3.适用性强：本发明采用FBC0409现场总线通信控制器，可以基于同一硬件运行两种总线协议。

4.高性能：本发明采用32位微处理器，在运行速度上比国外同类产品高30％以上。

5.低成本：由于本发明采用自行设计的现场总线通信控制器，彻底解决了对国外厂商的依赖。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图。

图2是图1中总线信号滤波电路原理图。

图3是图1中总线电压信号调制电路原理图。

图4是图1中总线供电/电流调制电路的前级稳压器原理图。

图5是图1中总线供电/电流调制电路的电流调制电路原理图。

图6是图1中总线供电/电流调制电路的二级和三级稳压器原理图。

图7是图1中微处理器及外围电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括：总线信号滤波电路、总线供电/电流调制电路、总线电压信号调制电路、现场总线通信控制器、主控电路。对外接口有总线接口、电源输出、仪表卡通信接口、显示接口。其连接关系：总线信号滤波电路、总线电压信号调制电路、现场总线通信控制器和主控电路由总线供电/电流调制电路供电，总线信号滤波电路的输入端通过总线接口接收总线上的信号，输出信号为经过滤波和整形的数字信号，经现场总线通信控制器解码后给主控电路；同时主控电路的输出经现场总线通信控制器编码后输出到总线电压信号调制电路。所述主控电路配有通讯用仪表卡通信接口、显示接口。

参见图2，总线信号滤波电路为一阶带通滤波器与施密特迟滞比较器串联结构，其中：第四运算放大器U4A与第11电阻R11、第13电阻R13、第21电容C21、第25电容C25构成的一阶带通滤波器，总线信号FFVin+从第13电阻R13输入，从第四运算放大器U4A的1脚输出(采用AD8542，工作在反向放大模式)。第七运算放大器U7与第9-10电阻R9-R10、第22电容C22构成施密特迟滞比较器，迟滞比较器的门限电压为50mV。第七运算放大器U7采用TLV2371，工作在迟滞比较器模式。迟滞比较器的输出是经过滤波和整形的数字信号，由现场总线通信控制器进行解码。

参见图3，总线电压信号调制电路由电平迁移、三态变换、整形电路组成。电平迁移采用数字隔离器U1实现，数字隔离器U1采用ADUM1200，该芯片采用片内为变压器隔离技术，可以在很低的功耗下达到很高的传输速度，同时也不需要使用电阻调节，简化了电路。数字隔离器U1将现场总线通信控制器输出的2个数字信号PO-TACT、PO-PHPDU迁移到总线供电/电流调制电路的前级稳压器的地电位。三态变换电路由2选1模拟开关U2实现。模拟开关U2采用LVC1G3157，当PO-TACT为低电平时，模拟开关U2的第4脚输出电压为1.65V，即电源电压的1/2，该电压由第4、5电阻R4、R5分压产生。当PO-TACT为低电平时，模拟开关U2的第4脚输出电压由PO-PHPDU决定。PO-PHPDU为高电平(3.3V)，模拟开关U2输出为高电平(3.3V)，PO-PHPDU为低电平(0V)，模拟开关U2输出为低电平(0V)。最后由整形电路对模拟开关U2输出的三态信号进行整形，使信号的边沿斜率满足总线信号的要求。整形电路由第三运算放大器U3B、第1、2电阻R1、R2及第1电容C1组成，第三运算放大器U3B采用AD8542，工作在反向器模式，对模拟开关U2的输出信号进行反向，第1电容C1用于调节波形的边沿速率。整形后的信号由第三运算放大器U3B的7脚输出给电流调制电路。

总线供电/电流调制电路由前级稳压器，电流调制电路和二级和三级稳压器构成，其中：

参见图4，总线供电/电流调制电路的前级稳压器由低压差三端稳压器U5构成，总线上的电压信号经过第12电阻R12、第15电容C15滤波，给低压差三端稳压器U5(采用SPX1121M3-3.3)供电，低压差三端稳压器U5将电压稳压成3.3V，供总线电压信号调制电路和电流调制电路使用。

参见图5，总线供电-电流调制电路的电流调制电路由第三运算放大器UA3和第一晶体管Q1、第一稳压二极管D1及阻容元件组成，电流调制电路的输出电流为第14电阻R14和第6电阻R6的电流之和。由于第14电阻R14和第6电阻R6两端的电压相等，而第6电阻R6远远大于第14电阻R14，所以电流调制电路的输出电流主要由第14电阻R14的电流决定，流过第6电阻R6的电流可以忽略不计。

电流调制电路输出电流的计算公式为：

I＝(3.3×R6/R8+VCON×R6/R3)/R14

其中：VCON为总线电压信号调制电路中整形电路输出的电压信号；

当总线处于接收状态时，VCON＝1.65V，总线的静态电流为：

Iq＝(3.3×R6/R8+1.65×R6/R3)/R14＝13.9mA；

当总线处于发送状态时，VCON变化范围为0～3.3V，所以总线电流的变化范围为：

Id＝3.3×R6/R3/R14＝16.5mA。

另外，第一稳压二极管D1(采用3.3V稳压管，位于第一晶体管Q1集电极与电源FFVin之间)还可以对第一晶体管Q1的集电极输出电流稳压后给仪表卡供电。

参见图6，总线供电-电流调制电路的二级和三级稳压器由并联稳压电路和串联稳压电路组合而成。二级稳压电路为并联型，采用并联稳压芯片稳压，稳压电路由稳压模块U9、第17、20电阻R17、R20组成。稳压模块U9采用TLV431，电路的稳压值为3.6V。并联稳压电路除了稳压功能外，还可以吸收掉电流调制电路多余的输出电流。三级稳压器为串联型，稳压电路由U6完成，U6采用S818，稳压值为3.3V。三级稳压器U6主要作用是去除二级并联稳压电路由于电流调制电路的电流变化造成的电压波动的影响。二级和三级稳压器接收电流调制电路的输出电流，稳压后输出至主控制电路。

参见图7，主控电路由微处理器CPU，静态数据存储器SRAM，非易失性数据存储器EEROM组成。

微处理器CPU采用AT91SAM7SE512，ARM7内核。该微处理器CPU内部含有丰富的资源，包括512k程序存储器FLASH，16k静态数据存储器SRAM(容量较小，所以需外部扩充)、定时器、通用I/O口、调试接口JTAG、通用异步收发器UART、串行外设接口SPI、集成电路互连总线I2C等丰富的硬件资源，只需要少量的外围硬件就可以实现丰富的功能。内部程序存储器FLASH用来存放通信控制程序(为现有技术，不是本发明要点)；微处理器CPU通过调试接口JTAG进行调试、编程，无需昂贵的仿真器。微处理器CPU与仪表卡可以采用多种方式进行通信。比如：根据仪表卡的不同，可以采用异步收发器UART、串行外设接口SPI、集成电路互连总线I2C、自定义协议(采用通用I/O口仿真)等，只需要修改软件(现有技术)就可以了。

本发明中，仅扩充了一片静态数据存储器SRAM和一片非易失性数据存储器EEPROM，分别用于临时数据的存储和掉电非易失性数据的存储。静态数据存储器SRAM与CPU通过微处理器CPU的内存接口连接，静态数据存储器SRAM采用CY62146，容量为512k字节，16位数据总线。非易失性数据存储器EEPROM采用24AA256，容量为32k字节，通过集成电路互连总线I2C方式与微处理器CPU通信。

所述现场总线通信控制器，具有基金会现场总线物理层和部分链路层功能，符合IEC 61158-2规范的中现场总线物理层标准。所述现场总线通信控制器内部集成了1个4k SRAM。

采用本发明可以实现基于同一硬件(即本发明本身)就可以运行Foundation Fieldbus协议又可以运行Profibus PA协议之目的，特别是具有低成本的特点。

Claims

1.一种现场总线通信卡，其特征在于：包括

-基于FBC0409现场总线通信控制器，用于接收滤波和整形后的数字信号，输出解码后数字信号，及对发送的数据进行编码；

-主控电路，与现场总线通信控制器通讯，并采用通用异步收发器UART、串行外设接口SPI、集成电路互连总线I2C方式与其他外部传感器、执行器配套的仪表卡进行通信，从而实现传感器的数据采集或控制执行器的动作以及数据交换；

2.按照权利要求1所述现场总线通信卡，其特征在于：所述总线信号滤波电路为一阶带通滤波器与施密特迟滞比较器串联结构，其中：迟滞比较器的输出是经过滤波和整形的数字信号，由现场总线通信控制器进行解码。

3.按照权利要求1所述现场总线通信卡，其特征在于：所述总线电压信号调制电路由电平迁移、三态变换、整形电路组成，电平迁移采用具有变压器隔离技术的数字隔离器实现，将现场总线通信控制器输出的数字信号迁移到总线供电/电流调制电路的前级稳压器的地电位；然后由三态变换电路将数字信号转换为与总线信号相应的三态信号；整形电路接收三态变换电路输出信号，对三态信号进行整形，使信号的边沿斜率满足总线信号的要求输出信号送至总线供电/电流调制电路。

4.按照权利要求3所述现场总线通信卡，其特征在于：所述三态信号包括高电平、低电平和中间电平三种状态；所述三态变换电路采用2选1模拟开关。

5.按照权利要求3所述现场总线通信卡，其特征在于：所述整形电路工作在反向器模式。

6.按照权利要求1所述现场总线通信卡，其特征在于：所述主控电路包括：

-微处理器CPU，内含程序存储器；

-静态数据存储器SRAM，与微处理器CPU通讯，存储运行的临时数据；

-非易失性数据存储器，与微处理器CPU通讯，存放设定的信息参数。

7.按照权利要求1所述现场总线通信卡，其特征在于：所述总线供电/电流调制电路包括：

前级稳压器，采用线性低压差类型，输入总线上的电压信号，前级稳压器的输出用于对总线电压信号调制电路和电流调制电路供电；

电流调制电路，通过电流计算公式，对二级稳压器供电；

二级和三级稳压器，由并联稳压电路和串联稳压电路组合而成；其中：二级稳压器为并联稳压器类型稳压器，其输出提供给三级稳压器进行稳压，还用于吸收掉电流调制电路多余的输出电流；三级稳压器为串联型，采用线性低压差类型稳压器，用于去除二级并联稳压电路由于电流变化造成的电压波动的影响；三级稳压器输出给主控电路、总线信号滤波电路、现场总线通信控制器供电。

8.按照权利要求7所述现场总线通信卡，其特征在于：所述总线供电/电流调制电路在不减少内部电路可用的供电电流情况下，为仪表卡提供独立供电电源。