CN102075175A - 一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于工业自动化领域，涉及现场总线技术在产品上开发应用的一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统。该装置包括转换模块、主模块、显示模块及其软件配置；主模块分别与转换模块、显示模块连接；其中主模块包含微处理器、通信模块及通信接口单元；通信模块的地址总线和数据地址复用总线分别连接微处理器的地址总线及与微处理器内部存储器片选线接地。该装置具有智能化，具有输入信号自动校正、非线性补偿、数字滤波等功能，修正和克服了所连接的各类模拟电流设备引进的误差和干扰，从而提高了装置的测量转换精度；具有自测试和自诊断功能，通过现场总线网络可为用户提供诊断信息，提高了装置自身的信息化程度。

Description

一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统 

技术领域

本发明属于工业自动化领域，特别涉及现场总线技术在产品上开发应用的一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统。 

背景技术

现场总线技术在产品上开发应用还没有形成一个品种齐全、功能完善的产品系列；由于目前存在多种现场总线标准，使得现有的产品还不能完全满足用户的需要，因此一些暂时市场上还没有的现场总线规格的仪表只能使用常规4～20mA信号设备。另外一个重要的原因是，对于用户来说，尽管现场总线系统有着这么多的优点，但工程费用也是他们是否采纳该产品的考虑因素之一。现场总线智能仪表目前较常规仪表价格高出15％左右，在相对于可以使用非智能仪表的分散控制系统(DCS)中，即使考虑到接口卡等元件和电缆的节省后，现场总线系统硬件开支仍可能比使用非智能仪表的DCS有所增加，所以一些用户在不重要的位置还愿意使用非智能仪表来节省投资。第三，对于项目改造，许多常规4～20mA信号设备还不能一概废弃，必须利用部分原有的常规4～20mA信号设备，于是一种“混合型”方案在现阶段是一种极为经济、合理的系统数字化改造的解决方案。对此，一个很好的解决的办法是通过一种转换装置将传统的模拟信号仪表“转接”到现场总线上来，这样，既发挥了现场总线技术的各种优势，同时又大大节省了成本，特别是对于系统改造用户来说，可以很好地利用现有的模拟信号仪表。 

本申请人取得的实用新型专利“模拟电流与现场总线信号的智能转换装置(ZL200920109922.0)”通过一种转换装置将传统的模拟信号仪表“转接”到现场总线上来，既发挥了现场总线技术的各种优势，同时又大大节省了成本，特别 是对于系统改造用户来说，提供了一种极为经济、合理的系统数字化改造的解决方案。上述专利(ZL200920109922.0)使用MICRIOFIP芯片作为通信控制器，仅能实现总线“基本站”的功能，不具备总线仲裁器的功能；同时由于芯片存储容量小，使其能够处理的由于网络节点数据交换的变量数目较少，变量交换的处理能力有限，当基于变量交换的网络数据传输量较大时，处理效率较低，在实现基于现场多设备的全分布式控制和大容量的设备间远程数据交换时受到一定的限制。本发明专利不但具有上述专利(ZL200920109922.0)的优点，而且解决了其中存在的以上几个主要问题，使该装置不但可作为基本节点，而且还可作为总线仲裁器使用，实现了整个总线网络中仲裁设备的多主冗余热备用，大大提高了网络通信的可靠性；同时，为已较大变量数目的设备间通信为基础的全分布式控制的实现提供了支持。 

发明内容

本发明型的目的是提供一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统，其特征在于，所述智能转换装置包括转换模块、主模块、显示模块及其软件配置；主模块分别与转换模块、显示模块连接；其中主模块包含微处理器、通信模块及通信接口单元；通信模块的地址总线A[0:8]和数据地址复用总线AD[0:7]分别连接微处理器的地址总线A[0:8]和D[0:7]，及与微处理器内部存储器片选线接地。 

所述转换模块包括多路开关、信号调理、A/D转换器及信号隔离串联构成。 

所述显示模块选用字符型LCD点阵模块作显示器件；通过并行接口与微处理器总线连接。 

本发明的有益效果，该智能转换装置是一种将4～20mA标准电流信号转换为WorldFIP现场总线数字信号的转换装置，同时具有较大数量的网络变量处理能力 和总线仲裁功能，使传统的模拟信号设备融入到网络化的数字控制系统中，充分利用现有的设备实现了系统的改造，大大降低了成本和投资；同时，该装置不但可作为基本节点，而且还可作为总线仲裁器使用，实现了整个总线网络中仲裁设备的多主冗余热备用，从而提高了网络通信的可靠性；能够处理更大数量的网络变量，为基于现场智能设备的较大规模的全分布式控制的实现提供了有力的支持。本系统具有如下特点： 

1)具有智能化，具有输入信号自动校正、非线性补偿、数字滤波等功能，修正和克服了所连接的各类模拟电流设备引进的误差和干扰，从而提高了装置的的测量转换精度； 

2)置具有自测试和自诊断功能，通过现场总线网络可为用户提供诊断信息，提高了装置自身的信息化程度； 

3)采用FULLFIP2通信控制器，可实现WorldFIP现场总线数据链路层和应用层的大部分功能，与FIPDUAL芯片连用实现介质冗余管理，能同时实现WorldFIP网络基本站功能和总线仲裁器功能，实现了整个总线网络中仲裁设备的多主冗余热备用，大大提高了网络通信的可靠性；同时具有很强的变量交换处理能力，可处理网络上4096个变量标识符，从而为实现基于现场多设备的全分布式控制和大容量的设备间远程数据交换提供了支持； 

4)具有可扩展的就地控制功能，装置内设计了基于功能块组态技术的功能块应用软件，为基于现场总线技术的全分布式控制的实现创造了条件。 

附图说明

图1为智能转换系统的结构示意图。 

图2为转换模块结构示意图。 

图3模拟/数字转换器ADS1110。 

图4为AT91M40800结构。 

图5为主模块的微处理器子模块设计图。 

图6为通信微控制器FULLFIP2(PLCC84封装)外部引脚信号端图。 

图7为通信子模块中双总线介质冗余管理功能实现的连接电路。 

图8为通信子模块中通信微控制器FULLFIP2与外部存储器的连接电路 

图9为微处理器模件与通信子模件FULLFIP2的连接电路。 

图10为通信接口单元中总线驱动器与隔离变压器间的连接电路 

图11为显示模块与主模块的微处理器子模块的连接电路。 

具体实施方式

本发明为模拟电流与现场总线信号的智能转换系统。下面结合附图对本发明予以说明。 

图1所示为智能转换系统的结构。所述智能转换装置包括转换模块、主模块、显示模块。主模块分别与转换模块、显示模块连接，并且主模块将传统的模拟信号仪表“转接”到WorldFIP现场总线上，即把采集来的4～20mA的模拟电流信号转换为符合WorldFIP现场总线协议的数字信号，完成与现场总线之间的通信；同时完成实时计算，就地控制的基本任务。下面分别对转换模块、主模块、显示模块予以描述。 

1.转换模块 

图2所示为转换模块结构。包括多路开关、信号调理、A/D转换器及信号隔离串联构成，转换模块的主要功能是将来自常规仪表的4～20mA标准信号，经过信号调理，转换为适合A/D转换器转换的电压，经信号隔离后，以数字量的形式送往主模块处理。其中多路开关的功能是将多个通道的信号传送道公共数据线上。本设计选用的多路转换器MUX采用Fairchild公司生产的八选一芯片CD4051BC， 可以从八路模拟量输入中，通过CPU对三个控制管脚A、B、C以及使能信号的控制来选择任意一路从管脚COM端输出。A/D转换器在选择时应考虑的主要指标为分辨率、量化误差、线性误差、零位误差、转换时间等。综合以上各种指标，在装置中采用了16位的模拟/数字转换器ADS1110，可充分保证转换精度。如图3所示。 

2.主模块 

主模块包含微处理器模块、通信模块及通信接口单元串联构成。 

(1)微处理器模块 

在用户微处理器的选择上，选用ATMEL公司的AT91M40800，集成了ARM7TDMI核、嵌入式ICE接口，存储器以及外围部件(如图4所示)，AT91M40800内部主要有两条总线：先进系统总线(Advanced System Bus)和先进外围总线APB(Advanced Peripheral Bus)。ARM7TDMI通过ASB接口实现与片内32位存储器、外边总线接口EBI以及AMBA桥的互连。 

在设计时充分考虑了用户微处理器的通用性以及功能的可扩展性。在主模块的微控制单元板上扩展了256KB×16bit Flash、256KB×16bit SRAM和16KBEEPROM。扩展了20个并行接口，其隔离中有四个并行接口用高速光耦6N137隔离，三个作为微处理器的隔离输出，一个作为微处理器的输入，这4个并行接口用作与D/A或A/D的接口(实现SPI功能)。并且在微处理器板上设计了一个隔离的+5V和-5V电源，用来给输入输出板需要隔离供电的器件供电。主模块的微处理器设计图如图5所示。 

(2)通信模块 

通信子模块的设计主要是WorldFIP现场总线通信器的选择和与介质冗余管理器件以及与外部存储器的连接。针对不同的现场需要，有多种类型的WorldFIP 现场总线通信控制器可供选择，对于功能较为简单、通信数据量较小的远程智能I/O设备，可以选择低成本并且易于使用的MICROFIP芯片；对于需要功能完善、通信数据量较大的现场级智能装置，则可以选择FULLFIP2芯片。本专利所设计的智能转换装置在连入WorldFIP现场总线网络后既可作为总线仲裁设备使用也可作为基本站使用，同时考虑到本装置分布式控制和故障诊断功能的实现，在装置间需要有较大容量的远程数据交换，因此需要通信控制器能够处理较多数量的网络变量标识符，故通信控制器采用FULLFIP2芯片作为通信控制器，如图6所示。FULLFIP2可实现WorldFIP现场总线数据链路层和应用层的大部分功能，与FIPDUAL芯片连用实现介质冗余管理，能同时实现WorldFIP网络基本站功能和总线仲裁器功能；同时具有很强的变量交换处理能力，可处理网络上4096个变量标识符，完全可以满足基于现场智能装置的分布式控制的需要。我们在设计中采用了1M的通信配置。通信子模块主要包括WorldFIP现场总线通信控制器FULLFIP2、介质冗余管理器件FIPDUAL和总线收发器FIELDRIVE，其组成和连接如图7所示。FULLFIP2外部私有存储单元由RAM存储器芯片单独构成，所连接的外部存储空间大小为32K～1M，数据线16位，地址线20位，可存储的数据包括： 

●生产变量和使用变量的缓冲区 

●等待接收和发送的报文的队列 

●总线仲裁表 

●通信程序FIPCODE微码 

在本装置中，选用静态RAM存储器芯片CYC71021作为FULLFIP2外部私有存储单元，与动态RAM相比，静态RAM不存在等待状态，从而可保证其中所存储的FIPCODE微码的顺利执行。使用了一个16位地址锁存器74ABT16373锁存 FULLFIP2对CYC71021内部存储单元的寻址信号，使用FULLFIP2的一个地址信号PA[16]作为CYC71021的片选信号。通信微控制器FULLFIP2与外部存储器的连接电路如图8所示。 

(3)微处理器与通信模块的连接 

FULLFIP2的内部地址总线UA[0:2]和数据总线UDAT[0:7]分别与AT91M40800的地址总线A[0:2]和D[0:7]相连；AT91M40800使用片选信号CS1与FULLFIP2内部存储器的片选信号连接。FULLFIP2通过中断请求信号线IRQn向AT91M40800发送中断信号，AT91M40800使用IRQ1接收该中断请求，当FULLFIP2在WorldFIP网络上接收使用变量、发送生产变量、传输消息及收到同步标识时均会触发中断。FULLFIP2与AT91M40800的连接电路如图9所示。 

(4)通信接口单元的内部连接 

通信接口单元采用总线隔离变压器FIELDTR，可在通信子模块与物理层总线介质间提供电气隔离。通信子模块与通信接口单元的连接主要是通信子模块中的总线收发器FIELDRIVE与FIELDTR的连接，如图10所示。 

3.显示模块 

所述显示模块选用字符型LCD点阵模块作显示器件；显示模块的引脚包括8位数据信号DB[7:0]和三路控制信号：读写信号R/W，片选信号E，寄存器选择信号RS。显示模块与主模块的微处理器子模块的连接电路如图11所示。通过并行接口与微处理器总线连接。LCD模块根据来自主模块的信号，根据需要，可以显示各种可能的数据，同时还可以显示各种故障信息等。在本装置中采用了一种字符型LCD点阵模块HD44780，可提供LCD显示屏的驱动信号和一个简单的并行接口与微处理器总线连接，它的体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。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，显示的形式也很灵活，有许多不同规格，可以显示不同行，每行可以显示不同个字符数。本装置选用可以显示2行，每行可以显示8个字符的模块，其中每个字符使用5×7点阵的象素显示。显示模块接口电路简单，带有8×8bitRAM，工作温度宽，在0-50℃范围内。LCD显示模件由液晶板、LCD驱动器HD44100和控制器组成。驱动器HD44100是低功耗CMOS技术的LCD驱动芯片，它即可以当行驱动用，也可以作为列驱动使用，由20×2bit数据锁存器和20×2bit驱动器组成。 

Claims (3)

1.一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统，其特征在于，所述智能转换系统包括转换模块、主模块、显示模块及其软件配置；主模块分别与转换模块、显示模块连接；其中主模块包含微处理器、通信模块及通信接口单元；通信模块的地址总线A[0:8]和数据地址复用总线AD[0:7]分别连接微处理器的地址总线A[0:8]和D[0:7]，及与微处理器内部存储器片选线接地。

2.根据权利要求1所述一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统，其特征在于，所述转换模块包括多路开关、信号调理、A/D转换器及信号隔离串联构成。

3.根据权利要求1所述一种总线仲裁的模拟电流与现场总线信号的智能转换系统，其特征在于，所述显示模块选用字符型LCD点阵模块作显示器件；通过并行接口与微处理器总线连接。

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