CN102183924A

CN102183924A - 现场总线压力变送装置

Info

Publication number: CN102183924A
Application number: CN2010106059693A
Authority: CN
Inventors: 梁庚; 李文; 白焰; 李志军; 史运涛
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了工业自动化技术领域中的一种现场总线压力变送装置。包括变送模块、主控模块和显示模块；变送模块包括顺序相连的传感器单元、信号调理单元、数字信号与模拟信号转换单元、信号隔离单元；主控模块包括顺序相连的微处理器单元、通信单元和通信接口单元；显示模块包括顺序连接的显示控制单元和数据显示单元；微处理器单元分别与显示控制单元和信号隔离单元相连；通信接口单元与现场总线相连；通信单元包括顺序连接的具有总线仲裁功能的通信控制器、介质冗余管理器和总线收发器。本发明提供的现场总线压力变送装置具有总线仲裁的功能和介质冗余管理功能，具有WorldFIP现场总线技术高可靠性的特点。

Description

现场总线压力变送装置

技术领域

本发明属于工业自动化技术领域，尤其涉及一种现场总线压力变送装置。

背景技术

压力变送装置是一种用来检测压力、差压、流量、液位、温度等信号的现场级设备，在电力、石化、冶金等行业有着十分广泛的应用。基于现场总线技术的压力变送装置具有可远距离传输信号、智能化程度高、测量精度高以及调整方便等特点。近年来，随着生产设备的大型化、复杂化和工业生产“节能、减排、降耗”工作的不断推进，对分布式数字控制系统的可靠性有了更高的要求。大部分适用于过程控制的现场总线技术的压力变送装置缺乏冗余功能，这成为限制控制系统现场级可靠性提高的主要障碍。同时，工业以太网技术也不是解决过程测控可靠通信的最优方案，分布式智能控制网络中的现场智能装置不宜直接接入Internet/Intranet。WorldFIP是国际现场总线标准之一，是一种面向工业控制的现场总线，其物理层独特的双总线冗余体系使其非常适用于高可靠性的过程控制领域，任何一条总线故障，均可以自动切换至另一条总线，从而可保证生产过程的正常运行。基于WorldFIP现场总线的智能测量、变送装置在控制的确定性、可靠性等方面较其他类型的现场总线智能装置具有明显的优势，在过程控制领域得到日益广泛的应用。该类现场级智能装置目前均为WorldFIP现场总线基本设备，不具有总线仲裁的功能，且数据容量小、通信能力有限，在很大程度上限制了该类设备在大型、复杂的生产过程上的应用。本发明针对这一实际问题，设计了一种基于WorldFIP现场总线的、具有总线仲裁功能的智能信号变送装置，不但具有WorldFIP现场总线技术高可靠性的特点，而且具有总线仲裁功能，不但可作为基本设备使用，还能作为总线仲裁器使用，且其数据容量大、通信能力强，大大提高了装置在各类型生产过程中的实用性和应用上的灵活性。

发明内容

本发明的目的是，针对现有的WorldFIP现场总线现场级智能装置不具有总线仲裁的功能、数据容量小、通信能力有限，从而限制了该类设备在大型、复杂的生产过程上的应用这一实际问题，提供一种现场总线压力变送装置。

技术方案是，一种现场总线压力变送装置，其特征是所述装置包括变送模块、主控模块和显示模块；

所述变送模块包括顺序相连的传感器单元、信号调理单元、数字信号与模拟信号转换单元、信号隔离单元；

所述主控模块包括顺序相连的微处理器单元、通信单元和通信接口单元；

所述显示模块包括顺序连接的显示控制单元和数据显示单元；

所述微处理器单元分别与显示控制单元和信号隔离单元相连；

所述通信接口单元与现场总线相连；

所述微处理器单元包括微处理器、组态存储器、程序存储器和数据存储器，微处理器分别与组态存储器、程序存储器和数据存储器相连，组态存储器和数据存储器相连；

所述通信单元包括顺序连接的具有总线仲裁功能的通信控制器、介质冗余管理器和总线收发器。

所述传感器单元包括压力传感器和/或温度传感器。

所述微处理器单元还包括隔离电源。

所述具有总线仲裁功能的通信控制器包括使用静态RAM存储器芯片的外部存储器。

所述通信接口单元采用总线隔离变压器FIELDTR。

所述数据显示单元采用字符型LCD点阵模块作显示器。

本发明提供的现场总线压力变送装置具有总线仲裁的功能和介质冗余管理功能，具有WorldFIP现场总线技术高可靠性的特点。

附图说明

图1是现场总线压力变送装置结构图；

图2是包括压力传感器和温度传感器的现场总线压力变送装置结构图；

图3是压力传感器电路图；

图4是单通道光耦单元电路图；

图5是20通道信号隔离器电路图；

图6是4通道信号隔离器电路图；

图7是微处理器单元结构图；

图8是微处理器电路图；

图9是A/D转换器5016RP-ADC与微处理器AT91M40800的连接电路图；

图10是通信单元结构图；

图11是具有总线仲裁功能的通信控制器FULLFIP2与外部存储器的连接示意图；

图12是具有总线仲裁功能的通信控制器FULLFIP2与微处理器AT91M40800连接示意图；

图13是通信单元与通信接口单元的连接电路图；

图14是显示控制单元与微处理器单元的连接电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是现场总线压力变送装置结构图。图1中，现场总线压力变送装置包括变送模块、主控模块和显示模块。变送模块包括顺序相连的传感器单元、信号调理单元、数字信号与模拟信号转换单元、信号隔离单元。主控模块包括顺序相连的微处理器单元、通信单元和通信接口单元。显示模块包括顺序连接的显示控制单元和数据显示单元。微处理器单元分别与显示控制单元和信号隔离单元相连。通信接口单元与现场总线相连。

图2是包括压力传感器和温度传感器的现场总线压力变送装置结构图。图2中，现场总线压力变送装置的传感器单元可以包括压力传感器、温度传感器。传感器单元用于获取压力、差压、流量、液位、温度等信号。

图3是压力传感器电路图。目前常用的压力传感器有电容式、扩散硅式和硅谐振式等。其中扩散硅压力传感器具有灵敏度高、性能稳定、量程范围广、滞后和蠕动小的优点。本设计采用的传感器MPX5010即是一种扩散硅压阻式传感器，压力范围为0～10kPa，供电电压为4.75～5.25V，工作温度为0～85℃，灵敏度达450mV/kPa。MPX5010内带温度和非线性补偿回路，输出为4.475～4.925V的电压信号。

由于数字信号与模拟信号转换单元(图1和图2中为A/D转换单元)只能接收一定范围的模拟信号，而传感器把非电物理量变换成电信号后，并不一定在其能够接收的范围内。为此，本装置提供信号调理单元，用于对传感器输出的信号进行放大、滤波、线性化补偿，之后输送到A/D转换单元。

A/D转换单元选用型号为5016RP-ADC的16位A/D转换器，其转换精度高，转换数据的位数的控制可通过软件实现，简化了电路设计。

为了确保主控模块和变送模块之间的信号互不干扰，提高装置的抗干扰能力和电气安全性能，本装置提供了两个信号隔离器作为信号隔离单元与A/D转换器5016RP-ADC连接，一个信号隔离器为20通道信号隔离器，另一个信号隔离器为4通道信号隔离器，信号隔离器内部采用多个单通道光耦单元构成。图4是单通道光耦单元电路图，单通道光耦单元以高速光耦元件6N137为核心，采用同向逻辑输出设计。图5是20通道信号隔离器电路图，图6是4通道信号隔离器电路图。

主控模块包括顺序连接的微处理器单元、通信单元和通信接口单元。图7是微处理器单元结构图，图7中，微处理器单元又包括微处理器、组态存储器、程序存储器和数据存储器，微处理器分别与组态存储器、程序存储器和数据存储器相连，组态存储器和数据存储器相连。为了给输入输出板需要隔离供电的器件供电，可以在微处理器单元上设计了一个隔离的+5V和-5V电源。

在本实施例中，选用ATMEL公司的AT91M40800作为微处理器，图8是微处理器电路图。其集成了ARM7TDMI核、嵌入式ICE接口，存储器以及外围部件，微处理器AT91M40800内部主要有两条总线：先进系统总线ASB(Advanced System Bus)和先进外围总线APB(Advanced Peripheral Bus)。微处理器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。

以微处理器AT91M40800为核心构成的微处理器单元，在设计时充分考虑了微处理器的通用性以及功能的可扩展性。在输入输出板上扩展了256KB×16bit组态存储器Flash、256KB×16bit数据存储器SRAM和16KB程序存储器EEPROM。

图9是A/D转换器5016RP-ADC与微处理器AT91M40800的连接电路图。5016RP-ADC的EOC信号端和16位数据总线D[0:15]通过20通道信号隔离模块分别与微处理器AT91M40800的IRQ0和D[0:15]连接，实现A/D转换中断信号的引入和转换数据的传输；；A/D转换器5016RP-ADC片选信号CS和读信号RD通过4通道信号隔离模块分别与AT91M40800的片选输出信号NCS0和读输出信号NRd相连，实现微处理器对A/D转换的控制。

通信单元的设计主要是WorldFIP现场总线通信器的选择以及其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。本发明所设计的变送装置在连入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。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。在设计中还采用了1M的通信配置。通信单元主要包括具有总线仲裁功能的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。图10是通信单元结构图。图10中，具有总线仲裁功能的通信控制器FULLFIP2、介质冗余管理器FIPDUAL和总线收发器FIELDRIVE顺序连接。具有总线仲裁功能的通信控制器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。图11是具有总线仲裁功能的通信控制器FULLFIP2与外部存储器的连接示意图。图11中，具有总线仲裁功能的通信控制器FULLFIP2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。

另外，通信单元通过具有总线仲裁功能的通信控制器FULLFIP2与微处理器单元的微处理器AT91M40800相连。图12是具有总线仲裁功能的通信控制器FULLFIP2与微处理器AT91M40800连接示意图。图12中，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。

图13是通信单元与通信接口单元的连接电路图，图13中，通信接口单元采用总线隔离变压器FIELDTR，可在通信单元与物理层总线介质间提供电气隔离。通信单元与通信接口单元的连接通过通信单元的总线收发器FIELDRIVE与总线隔离变压器FIELDTR的连接实现。

显示模块包括显示控制单元和数据显示单元。其中，数据显示单元选用字符型LCD点阵模块作显示器。图14是显示控制单元与微处理器单元的连接电路图。图14中，显示控制单元的引脚包括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。显示控制单元通过并行接口与微处理器总线连接。

LCD点阵模块作显示器按照来自主控模块的信号，根据需要，可以显示各种类型的数据，同时还可以显示各种故障信息。在本装置中，显示模块采用了一种字符型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。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8×8bit RAM，工作温度宽，在0～50℃范围内。LCD点阵模块由液晶板、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。

本发明提供的现场总线压力变送装置能够将现场设备的压力、差压、流量、液位、温度等信号转换为现场总线信号，同时具有总线仲裁的功能和介质冗余管理功能，具有WorldFIP现场总线技术高可靠性的特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种现场总线压力变送装置，其特征是所述装置包括变送模块、主控模块和显示模块；

所述通信接口单元与现场总线相连；

2.根据权利要求1所述的一种现场总线压力变送装置，其特征是所述装置所述传感器单元包括压力传感器和/或温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种现场总线压力变送装置，其特征是所述微处理器单元还包括隔离电源。

4.根据权利要求1所述的一种现场总线压力变送装置，其特征是所述具有总线仲裁功能的通信控制器包括使用静态RAM存储器芯片的外部存储器。

5.根据权利要求1所述的一种现场总线压力变送装置，其特征是所述通信接口单元采用总线隔离变压器FIELDTR。

6.根据权利要求1所述的一种现场总线压力变送装置，其特征是所述数据显示单元采用字符型LCD点阵模块作显示器。