CN1604582A - 支持工业通信协议的现场智能单元及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持工业通信网络协议的现场智能单元及其操作方法。本现场智能单元包括控制单元和通信接口模块，通信接口模块选择采用工业以太网接口模块、或者DeviceNet从站接口模块、或者DeviceNet从站接口模块，实现MODBUS/TCP工业以太网协议、或者DeviceNet现场总线协议、或者Profibus－DP现场总线协议。控制单元是由微处理器通过光耦合器件与A/D转换器(16)、D/A转换器相连接，其开关量输入、开关量输出和A/D转换器、D/A转换器与控制对象相连接，微处理器还与液晶显示器、键盘、看门狗电路和片带电池存储器相连。本现场智能单元的操作方法是对其控制单元中的微处理器植入软件，实现智能化操作。

Description

支持工业通信协议的现场智能单元及其操作方法

技术领域

本发明涉及到支持工业通信网络协议的测控仪表及其操作方法，特别是一种可选择包括MODBUS/TCP工业以太网、DeviceNet和Profibus-DP在内的三种不同的通信接口的现场智能单元及其操作方法。

背景技术

现场总线是在自动化领域中出现的一种崭新的控制技术。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。鉴于现场总线技术为业界一致看好，国际上各大公司纷纷推出各自的现场总线协议和相应的软、硬件产品，因此形成了多种多样的现场总线协议标准，国际电工委员会(IEC)于2003年4月制定了现场总线国际标准的第三版(IEC61158 Ed.3)，采用了10种类型现场总线，容纳了10种互不兼容的控制层协议和三种设备级现场总线标准。

现场总线大大地改变了传统控制系统的结构，形成了崭新的网络集成式全分布控制系统。现场总线控制系统的逐步推广和发展，对底层的测量仪表也提出了很多新的要求。新一代总线型仪表安装在现场，除了完成基本的测量功能外，为了实现分散化的控制系统，把基本调节控制功能下放到现场，还具备了双向通信能力。现场智能单元就是一款网络化智能仪表，它继承了传统智能仪表的优点，同时增加了总线通信功能。它的使用可大大减少信号连接电缆费用，而且安装维护方便，具有独立性强，可靠性高，响应动作速度快，抗干扰能力强等优点。

但是，工业通信网络协议种类繁多，各种不同标准的协议之间还存在着兼容性的问题。对于用户而言，如果采用的现场设备配有针对某种协议的专用通信卡或通信控制器，会造成其智能化和灵活性差，如果需要采用或兼容其他通信协议时，将不得不采用改造或研制新产品的办法，这不仅麻烦而且还将花费用户很多时间和费用。

国内用户在选用工业控制类产品和构建系统时往往盲目性很大，面对不同协议标准无所适从。若能实现同类现场智能单元支持不同协议标准的工业以太网和现场总线通信网络协议，既能提高系统的灵活性和可拓展性，又能降低维护系统的复杂度，还有助于解决不同协议标准的通信网络的兼容性问题，是一个有益和可行的方案。

刘东等人在2001年7月12日提交的发明专利“一种光纤以太网络型馈线自动化终端装置”(申请号：01229974)中给出了一种光纤以太网络型馈线自动化终端装置。张振华等人在2001年2月15日提交的发明专利“测控装置内部传输网络通信的方法”(申请号：01103933)中给出了一种测控单元通信管理方法。但在已公布的专利文献中尚未有涉及到支持不同协议标准的工业以太网和现场总线的测控仪表的内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种支持工业通信协议的现场智能单元及其操作方法，通过选择不同的通信协议接口，实现支持不同的工业通信协议的智能通信。

本发明涉及的MODBUS/TCP工业以太网协议是法国施耐德公司于1998年推出的。该协议是一种应用层协议，其物理层和数据链路层基于以太网，其应用层的定义与MODBUS协议家族的其它协议通用。DeviceNet现场总线是在1994年由美国的Allen-Bradly公司开发的，它属于一种基于CAN总线技术的开放型通信网络，它的物理层和数据链路层基于CAN总线规范，并加入了自己的应用层协议。Profibus现场总线是作为德国国家标准和欧洲标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。分散化的外围设备DP型隐去了第3层至第7层，而增加了直接数据链路映象(DDLM，direct data link mapper)作为用户接口。MODBUS/TCP工业以太网协议、DeviceNet现场总线协议和Profibus-DP现场总线协议在物理层采用不同的规范，在数据链路层采用不同的介质访问方式。在应用层上，MODBUS/TCP工业以太网协议基于功能码实现命令，DeviceNet协议采用基于对象模型的描述，而Profibus-DP协议以直接数据链路映象为用户接口提供第二层功能的映象。为了实现现场智能单元的通用的多通讯协议的通信接口，既要满足物理接口不变的情况下，根据需求支持不同的通信协议的要求，又要能够使软件系统在不同的通信协议中通用，这也是本发明要解决的主要技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种支持工业通信网络协议的现场智能单元，包括控制单元和通信接口模块，其特征在于：

控制单元中的微处理器通过内部总线与工业以太网接口模块相连接，工业以太网接口模块通过其以太网接口连接以太网，实现MODBUS/TCP工业以太网协议；

或者，控制单元中的微处理器通过内部总线与DeviceNet从站接口模块相连接，DeviceNet从站接口模块通过其现场总线接口连接现场总线，实现DeviceNet现场总线协议；

或者，控制单元中的微处理器通过内部总线与Profibus-DP从站接口模块相连接，Profibus-DP从站接口模块通过其现场总线接口连接现场总线，实现Profibus-DP现场总线协议；

控制单元的结构是：微处理器通过光耦器件与A/D转换器、D/A转换器相连接，微处理器的开关量输入、开关量输出和A/D转换器、D/A转换器与控制对象相连接，微处理器与液晶显示器、键盘、看门狗电路和片带电池存储器相连。

控制单元板包括主机电路，ADC通道，DAC通道，扩展并行的I/O接口(8255)、液晶显示器接口，键盘接口，电源电路，光电隔离电路，掉电保护以及“看门狗”电路。控制单元板可以实现基本测控功能，具有8路模拟量输入通道，1路模拟量输出通道，8路开关量输出通道和4路开关量输入通道。

通信接口模块选用瑞典HMS公司的Anybus-S Ethernet工业以太网接口模块、DeviceNet从站接口模块和Profibus-DP从站接口模块，由这些模块提供了控制单元板与通信网络的连接，由工业以太网接口模块实现MODBUS/TCP工业以太网协议，由DeviceNet从站接口模块实现DeviceNet现场总线协议，由Profibus-DP从站接口模块实现Profibus-DP协议。其特征在于控制单元板配置了一个通用的物理接口，接口为一个34芯孔的连接插座，可直接与AnyBus接口模块连接，由微处理器中的软件系统建立通信接口模块的通用的初始化过程、数据写入过程和数据读取过程，这样使控制单元板可连接任何一种通信接口模块，连接哪一种通信接口模块就可以实现哪一种通信协议，而无需改变硬件电路和软件系统。

上述的控制单元具有下述特点：

①具有8路模拟量(4-20mA DC)输入，12位A/D转换器将模拟信号转换成数字信号供微处理器进行数据处理。

②16位D/A转换器输出模拟信号(4-20mA DC)驱动执行机构。

③液晶显示器报告运行状态及运行结果，并显示系统设置情况和其它辅助信号。

④具有8个键的轻触式键盘接收用户的输入。

⑤非易失存储器具有掉电保护功能，可保存用户输入的参数，使用户在系统重启后无需再次输入这些参数。

⑥具有看门狗电路，在系统故障、程序跑飞时进行复位。

⑦输入、输出通道采用光电隔离保护。

⑧具有34芯孔的连接插座，可直接与通讯接口模块连接。

上述的Anybus-S通信接口模块采用并行开发的模式，并行接口基于由Anybus-S模块本身提供一个并行的2K字节的双端口存储器作为公共数据缓冲区，它使用户端和模块端通过共享存储区交换数据，双端口存储器接口保证了两端数据可以同时访问各内存区域，为此必须遵守一套访问方式的协议以实现数据交互的互斥、双边独立寻址及异步数据区域操作。双端口存储器的2K字节在初始化时分配为7个区。其中输入区(模块地址为000H-1FFH)、输出区(模块地址为200H-3FFH)用于I/O数据的交互，邮箱输入区(模块地址为400H-51FH)、邮箱输出区(模块地址为520H-63FH)用于模块参数的交互，总线特征数据区(模块地址为640H-7BFH)与控制寄存器区(模块地址为7COH-7FDH)包含了总线及模块生产厂商的相关信息。(模块地址为7FEH-7FFH)可以产生和清除中断并提供标志以确认当前模块双边的状态。读写握手寄存器区可分为应用程序指示寄存器(模块地址为7FEH)和Anybus指示寄存器(模块地址为7FFH)。

上述的工业以太网接口模块通过以太网接口连接以太网，该模块内双端口存储器分为三部分—输入区、输出区和邮箱区，经双端口存储器连接内部总线；DeviceNet从站接口模块通过现场总线接口连接DeviceNet现场总线，该模块双端口存储器分为三部分—输入区、输出区和邮箱区，经双端口存储器连接内部总线。Profibus-DP从站接口模块通过现场总线接口连接Profibus-DP现场总线，该模块双端口存储器分为三部分—输入区、输出区和邮箱区，经双端口存储器连接内部总线。

一种支持工业通信网络协议的现场智能单元的操作方法，采用上述的支持工业通信网络协议的现场智能单元，对其控制单元中的微处理器植入软件，实现智能化操作，其特征在于植入的软件包括系统控制程序、初始化子程序、液晶显示子程序、键功能子程序、现场总线通信子程序和中断服务程序，综合实现智能化操作，各程序实现如下操作：

(1)系统控制程序

系统控制程序为循环结构。系统运行时，微处理器循环采样，启动多个通道的信号进行A/D转换，将信号数字化后，再进行数据处理，如数字滤波、标度变换、数制转换、数据保存、越限报警等，将该数据处理后，根据采样值与用户设定值计算系统的输出控制量，返回合适的输出控制量，再经D/A转换成相应的模拟量后传给执行机构。

(2)初始化子程序

开机或复位后，仪表首先进行初始化操作。初始化子程序完成微处理器和通信接口模块的初始化和软件的初态设置，并把仪表的初始状态设置成：本地控制方式、液晶显示器的状态为“数据采样屏”。若片带电池存储器中存放用户修改的参数，则初始化过程中读取这些参数。初始化完成后，仪表进入主程序进行测控。

(3)液晶显示子程序

液晶显示子程序的主要功能是根据预先的配置以特定的格式显示采样值的转换结果，显示当前键盘操作的效果和各类功能界面。

(4)键功能子程序

主机系统监测来自键盘的中断信号，当判断有键闭合时，对此键闭合的有效性进行判断。如果按键有效则进入相应的键功能子程序，使系统能及时地响应来自键盘的各种服务请求。

(5)总线通信子程序

总线通信子程序将需要发送的信息写入通信模块中，同时也可以将上位机发来的信息从通信模块中读出。从而实现上位机通过通信接口与现场智能单元远程实时数据交互。

(6)中断服务程序。

系统通过定时器或串口引起的中断信号实现中断，单片机区分其优先级，并转入相应的实时测量程序或键功能子程序。在本系统中，来自串口的中断的优先级高于来自定时器的中断的优先级。

上述的软件系统采用模块化结构和菜单式界面的设计方法，其主要功能如下：

①采用定时中断，每10ms中断一次，每次中断时对8个通道进行数据采集。采集到的数据，按先进先出队列，放入指定存储单元，每通道采样16次；

②根据采集数据，采用抑制脉冲算术平均法，去除2个最大值，2个最小值，求取平均值可增加数据的稳定性，再增加一阶惯性滤波算法对数据进行滤波；

③对数据进行超限报警处理，再进行标度变换，转化为显示代码，送液晶显示器显示；

④根据采样值与给定值的偏差，采用PID调节的方法，计算并控制D/A转换器输出模拟信号，驱动控制对象的执行机构；

⑤因为A/D转换器是12位的，D/A转换器是16位的，为了符合系统测量精度的要求，以4字节形式存贮数据，高两个字节存放整数，低两个字节存放小数。

⑥智能单元必须在一定的信号范围内工作。因此必须进行采样信号和控制信号的越限判别，即判断这些信号是否在其指定的范围内。如采样值超出设定限制范围，则会产生报警信息。

⑦人机交互模块完成人机对话功能功能，通过按键操作，并结合查看液晶显示屏的菜单式显示，就可完成包括对系统的工作状态切换，如参数显示、修改和现场调试，以及系统向用户报告运行状态和运行结果等。

⑧系统运行中，用户设置的参数在片带电池存储器中保存下来，下次使用时，从片带电池存储器中读出这些数据，这样就可直接按照上次设置的参数运行，从而避免用户再次输入这些参数。

在本地运行状态下，上述的软件系统可在线完成如下功能：

①传感器参数设置：可设置每个采样通道的量程范围和报警上、下限值；

②控制参数设置：可设置控制周期、PID控制参数和滤波参数；

③安全功能设置：可选择是否激活主菜单密码保护功能，并可修改密码；

④参数存储功能：参数修改后须按存储选项确认后，方可存储已修改的参数，否则参数修改无效。

⑤设置测试参数功能：测试系统的模拟输入和模拟输出；

⑥备份功能：恢复系统的缺省设置；

上述的通信接口模块的初始化过程主要实现为模块分配和设置模块参数。可设置的数据缓冲区和模块的信息有：①I/O数据输入区的长度；②双端口存储器输入区的长度；③输入区总长度；④I/O数据输出区的长度；⑤双端口存储器输出区的长度；⑥输出区总长度；⑦模块状态；⑧中断提示信息；⑨看门狗计数值。

上述的通信接口模块的数据写入和读取过程实现了现场智能单元与总线交换数据，大体分为3个步骤：①向Anybus-S模块的公共数据缓冲区提出访问请求；②访问请求得到允许后，向数据缓冲区读、写数据；③释放公共数据缓冲区。接收和发送的两个过程分别在不同的I/O数据缓冲区进行操作。

现场智能单元通过通信接口模块可实现的功能有：

①上传采样值、设定值、控制状态和其他参数；

②可接受总线控制命令，由上位机决定现场智能单元是处于远程控制状态还是处于本地运行状态，在远程控制状态下，上位机可下传设定值和其他参数，在本地运行状态下，现场智能单元根据本地存储的设定值运行。

本发明与现有的技术相比，具有如下显而易见的特点和进步：

(1)采用Anybus-S Ethernet工业以太网接口模块，实现了工业以太网协议。

(2)采用Anybus-S Profibus-DP从站接口模块，实现了Profibus-DP协议。

(3)采用Anybus-S DeviceNet从站接口模块，实现了DeviceNet协议。

(4)建立了通用的通信接口模块的初始化过程和数据写入、读取过程，在以上三种模块的支持下，实现了支持三种不同的工业通信网络协议的接口。

(5)实现了双向通信能力和基本的控制功能的测控仪表。

本发明既是一款网络化智能仪表，既满足了基本的测控功能，又实现了可选择地支持三种不同的工业通信网络协议，提高了控制系统的灵活性和兼容性。

附图说明

图1是本发明实施例的硬件系统结构示意图。

图2是本发明实施例的主程序流程图。

图3是本发明实施例的通信接口模块的初始化操作的流程图。

图4是本发明实施例的通信接口模块的写入操作的流程图。

图5是本发明实施例的通信接口模块的读出操作的流程图。

图6是本发明实施例的外部中断1处理子程序的流程图。

图7是本发明实施例的定时器中断处理子程序的流程图。

图8是本发明实施例的液晶显示屏显示的主要内容。

图9是本发明实施例的键功能子程序的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个优选实施方式进行说明：

参见图1，本支持工业通信网络协议的现场智能单元，包括控制单元和通信接口模块，其特征在于：

1)控制单元中的微处理器(10)通过内部总线(17)与工业以太网接口模块(19)相连接，工业以太网接口模块(19)通过其以太网接口(1)连接以太网(21)，实现MODBUS/TCP工业以太网协议；

或者，控制单元中的微处理器(10)通过内部总线(17)与DeviceNet从站接口模块相连接，DeviceNet从站接口模块通过其现场总线接口连接现场总线，实现DeviceNet现场总线协议；

或者，控制单元中的微处理器(10)通过内部总线(17)与Profibus-DP从站接口模块相连接，Profibus-DP从站接口模块通过其现场总线接口连接现场总线，实现Profibus-DP现场总线协议；

2)控制单元的结构是：微处理器(10)通过光耦器件(11)与A/D转换器(16)、D/A转换器(15)相连接，微处理器(10)的开关量输入(13)、开关量输出(12)和A/D转换器(16)、D/A转换器(15)与控制对象(14)相连接，微处理器(10)与液晶显示器(6)、键盘(7)、看门狗电路(8)和片带电池存储器(9)相连。

本支持工业通信网络协议的现场智能单元的操作方法是：采用上述的现场智能单元，对其控制单元中的微处理器(10)植入软件，实现智能化操作，其特征在于植入的软件包括系统程序、初始化子程序、液晶显示子程序、键功能子程序、现场总线通信子程序和中断服务程序，综合实现智能化操作。各程序实现如下操作：

①系统控制程序

系统控制程序为循环结构。系统运行时，微处理器循环采样，启动多个通道的信号进行A/D转换，将信号数字化后，再进行数据处理，如数字滤波、标度变换、数制转换、数据保存、越限报警等，将该数据处理后，根据采样值与用户设定值计算系统的输出控制量，返回合适的输出控制量，再经D/A转换成相应的模拟量后传给执行机构；

②初始化子程序

开机或复位后，仪表首先进行初始化操作。初始化子程序完成微处理器和通信接口模块的初始化和软件的初态设置，并把仪表的初始状态设置成：本地控制方式、液晶显示器的状态为“数据采样屏”。若片带电池存储器中存放用户修改的参数，则初始化过程中读取这些参数。初始化完成后，仪表进入主程序进行测控；

③液晶显示子程序

液晶显示子程序的主要功能是根据预先的配置以特定的格式显示采样值的转换结果，显示当前键盘操作的效果和各类功能界面；

④键功能子程序

主机系统监测来自键盘的中断信号，当判断有键闭合时，对此键闭合的有效性进行判断。如果按键有效则进入相应的键功能子程序，使系统能及时地响应来自键盘的各种服务请求；

⑤总线通信子程序

总线通信子程序将需要发送的信息写入通信模块中，同时也可以将上位机发来的信息从通信模块中读出。从而实现上位机通过通信接口与现场智能单元远程实时数据交互；

⑥中断服务程序

系统通过定时器或串口引起的中断信号实现中断，单片机区分其优先级，并转入相应的实时测量程序或键功能子程序。在本系统中，来自串口的中断的优先级高于来自定时器的中断的优先级。

参见图2和图1，本实施例的主程序的执行步骤是：

(1)系统初始化。

(2)通信接口模块19初始化。

(3)判断系统是否是第一次启动。

    (a)若是，则将初始数据存入片带电池存储器9后，继续执行。

    (b)若否，则读取片带电池存储器9中保存的数据后，继续执行。

(4)液晶显示器6刷新显示。

(5)判断是否有键按下。

    (a)若是，则执行键功能子程序后，继续执行。

    (b)若否，则跳过键功能子程序，继续执行。

(6)根据采集到的数据，采用抑制脉冲算术平均法，去除2个最大值，2个最小值，求取平均值后，再增加一阶惯性滤波算法对数据进行滤波。

(7)再对数据标度变换。

(8)判断每路信号的是否大于上限值或小于下限值，若信号越限，则发出报警信号。

(9)对处理后的数据进行数制换算。

(10)根据采样值与给定值的偏差，采用PID调节的方法，计算D/A转换器15输出模拟信号。

(11)控制D/A转换器15输出模拟信号，驱动控制对象14的执行机构；

(12)通过通信接口模块19实现数据交互。

(13)跳回(3)，循环运行。

参见图3和图1，本实施例的通信接口模块的初始化操作的步骤如下：

(1)读取通信接口模块19的Anybus指示寄存器，以清除上电或复位过程中产生的中断。

(2)向邮箱区4中写入开始初始化指令。

(3)翻转应用程序指示寄存器的第7位，通知模块有新的信息要写入邮箱区4。

(4)判断Anybus指示寄存器是否等于#OCOH，查看通信接口模块19是否作出响应。

    (a)是，则通信接口模块19已作出响应，程序继续执行。

    (b)否，则通信接口模块19没有否作出响应，重复执行(2)。

(5)判断地址0524H的单元的值是否等于#OOH，查看通信接口模块19接受到的指令是否正确。

    (a)是，则通信接口模块19接受到的指令正确，程序继续执行。

    (b)否，则通信接口模块19接受到的指令不正确，重复执行(2)。

(6)翻转应用程序指示寄存器的第6位，通知通信接口模块19已收到响应。

(7)向邮箱区4中写入ANYBUS初始化指令。

(8)翻转Anybus指示寄存器的第7位，通知模块有新的信息要写入邮箱区4。

(9)判断Anybus指示寄存器是否等于#OCOH，查看通信接口模块19是否作出响应。

    (a)是，则通信接口模块19已作出响应，程序继续执行。

    (b)否，则通信接口模块19没有否作出响应，重复执行(7)。

(10)判断地址为0525H的单元的值是否等于#OOH，查看通信接口模块19接受到的指令是否正确。

    (a)是，则通信接口模块19接受到的指令正确，程序继续执行。

    (b)否，则通信接口模块19接受到的指令不正确，重复执行(7)。

(11)翻转应用程序指示寄存器的第7位，通知通信接口模块19已收到响应。

(12)向邮箱区4中写入结束初始化指令。

(13)翻转Anybus指示寄存器的第7位，通知模块有新的信息要写入邮箱区4。

    (a)是，则通信接口模块19已作出响应，程序继续执行。

    (b)否，则通信接口模块19没有否作出响应，重复执行(12)。

(14)判断地址0524H的单元的值是否等于#OOH，查看通信接口模块19接受到的指令是否正确。

    (a)是，则通信接口模块19接受到的指令正确，程序继续执行。

    (b)否，则通信接口模块19接受到的指令不正确，重复执行(12)。

(15)翻转应用程序指示寄存器的第7位，通知通信接口模块19已收到响应。

参见图4，本实施例的通信接口模块的写入操作的步骤如下：

(1)读应用程序指示寄存器。

(2)置应用程序指示寄存器的第2位和第4位为1

(3)判断Anybus指示寄存器的第2位是否为1，查看申请输入区18是否成功。

    (a)是，则申请输入区18成功，程序继续执行。

    (b)否，则申请输入区18不成功，重复执行(1)。

(4)向输入区18中写入数据。

(5)置应用程序指示寄存器的第2位和第4位为0，发送释放输入区18的请求。

参见图5，本实施例的通信接口模块的读取操作的步骤如下：

(1)读应用程序指示寄存器。

(2)置应用程序指示寄存器的第1和第4位为1，发送使用输出区2的请求。

(3)判断Anybus指示寄存器的第1位是否为1，查看申请输出区2是否成功。

    (a)是，则申请输出区2成功，程序继续执行。

    (b)否，则申请输出区2不成功，则重复执行(1)。

(4)读取输出区2的数据。

(5)置应用程序指示寄存器的第1位和第4位为0，发送释放输出区2的请求。

参见图6和图1，本实施例的处理外部中断的步骤如下：如果有键按下，则引起微处理器10的外部中断，进入外部中断处理程序后，先保护寄存器，在执行一个10ms的延时程序后，确认该键是否仍保持，如保持闭合状态则确认为按键有效，否则跳出程序，若是按键有效，则扫描键盘并分析键值，然后延时10ms并恢复寄存器，最后跳出中断程序。

参见图7和图1，本实施例的处理定时器中断的步骤如下：微处理器10每隔一个10ms触发定时器中断，进入定时器中断处理程序后，先保护寄存器，重置定时器计数初值，然后对8个通道进行数据采集，采集完毕后恢复寄存器，最后跳出中断程序。

参见图8，本实施例的液晶显示器显示的主要内容如下：

图(a)为系统启动屏：系统上电或复位，执行延时程序和初始化程序时，显示“系统正在初始化，请稍后”字样，提醒用户等待。

图(b)为数据采样屏：显示多路采样数据值、控制量值、输出开度值、设定值，同时显示控制方式、运行状态的信息。

图(c)为参数设置屏：显示参数设置菜单，可改变Selection后的参数，按确认键后进入相应的设置屏。Selection后的参数为0：不保存修改过的参数直接返回数据采样屏；为1：进入参数显示屏；为2：进入控制参数屏；为3：进入输入测试屏；为4：进入密码使能屏；为5：进入修改密码屏；为6：进入PID参数设置屏；为7：进入默认参数屏；为8：备用；为9：保存修改过的参数后返回数据采样屏。

图(d)为参数显示屏：显示该路采样值的量程范围和上下限。

图(e)为密码使能屏：显示并可修改是否使用密码保护功能，“1”表示使用，“0”表示不使用。

图(f)为修改密码屏：提示修改密码，需要再次输入以确认。

图(g)为密码输入屏：提示输入密码，若密码正确，则进入参数设置屏；若连续三次输入错误，则退出。

图(h)为默认参数屏：显示警告信息，按确认后键，用默认数据改写参数。

图(i)为输入测试屏：以百分比的形式显示8路模拟输入(4~20mA DC)的大小，0％~100％对应4~20mA DC模拟信号。

图(j)为输出测试屏：以百分比的形式设定D/A输出，0％~100％对应4~20mA DC模拟信号。

图(k)为PID参数设置屏：显示并可修改PID参数。

图(l)为控制参数屏：显示并可修改采样周期、PID设定值、滤波参数。

参见图9，本实施例的包括8个功能按键，每个键功能子程序都由若干子程序构成。按用户键入的命令转入相应的键功能子程序。

①翻屏键：相同类型的参数用连续多个屏幕显示，按动翻屏键可在多个屏幕之间切换。

②移位键：指向该参数表中后一个数据，即将地址指针加1；当地址指针指向表尾时，返回该行首位。

③确认键：确认操作执行；设置参数时作为换行键。

④增量键：将地址指针所指的地址单元中的数据加1，地址指针不变。

⑤设置键：进入设置菜单，选择需要设置的参数项。

⑥切换键：可在本地控制和远程控制之间切换。切换为本地控制时，数据采样屏右下脚显示“Local”，按设置键，可进入参数设置屏，系统参数可由本地设置；切换为远程控制时，数据采样屏右下脚显示“Remote”，按设置键，无法进入参数设置屏，系统只接受远程控制。设置参数时切换键可作为减量键，即将地址指针所指的地址单元中的数据减1，地址指针不变。

⑦运行键：系统开始运行。

⑧停止键：系统停止运行。

参见图1，上述的工业以太网接口模块19通过以太网接口1连接以太网21，双端口存储器5分为三部分—输入区18、输出区2和邮箱区4，经双端口存储器5连接内部总线17；DeviceNet从站接口模块通过现场总线接口连接DeviceNet现场总线，双端口存储器5分为三部分—输入区18、输出区2和邮箱区4，经双端口存储器5连接内部总线17；Profibus-DP从站接口模块通过现场总线接口连接Profibus-DP现场总线，双端口存储器5分为三部分—输入区18、输出区2和邮箱区4，经双端口存储器5连接内部总线17。

参见图1，下面对现场智能单元20的各组成器件进行介绍：

(1)采用台湾华邦公司生产的W78E58微处理器作为微处理器10，内部带有程序存储区和数据存储区。

(2)采用瑞典HMS公司生产的Anybus-S Ethernet工业以太网接口模块实现MODBUS/TCP协议功能。该模块提供标准以太网接口，现场智能单元20可通过该接口与以太网连接。模块内部的工业以太网协议处理单元可实现MODBUS/TCP工业以太网协议。模块提供了双端口存储器5与CPU接口，双端口存储器被分成输入区18、输出区2和邮箱区4，CPU可通过输入区18向接口模块写入需要上传的数据，可通过输出区2获得以太网信息层向下发送的数据，可通过邮箱区4设置接口模块运行参数，读取其运行状态。

或者采用瑞典HMS公司生产的Anybus-S DeviceNet从站接口模块作为DeviceNet从节点。该模块提供标准DeviceNet现场总线接口，现场智能单元20可通过该接口与DeviceNet现场总线连接。模块内部的DeviceNet协议处理单元可实现DeviceNet协议。模块提供了双端口存储器5与CPU接口，双端口存储器5被分成输入区18、输出区2和邮箱区4，CPU可通过输入区18向接口模块写入需要上传的数据，可通过输出区2获得主节点向下发送的数据，可通过邮箱区10设置接口模块的运行参数，读取其运行状态。

或者采用瑞典HMS公司生产的Anybus-S Profibus-DP从站接口模块19作为Profibus-DP从节点。该模块提供标准Profibus-DP现场总线接口1，现场智能单元20可通过该接口与Profibus-DP现场总线21连接。模块内部的Profibus-DP协议处理单元3可实现Profibus-DP协议。模块提供了双端口存储器5与CPU接口，双端口存储器5被分成输入区18、输出区2和邮箱区4，CPU可通过输入区18向接口模块写入需要上传的数据，可通过输出区2获得主节点向下发送的数据，可通过邮箱区10设置接口模块的运行参数，读取其运行状态。

(5)采用MAXIM公司生产的MAX186芯片作为8通道12位串行A/D转换器16进行A/D采集。

(6)采用ANALOG DEVICES公司生产的AD420芯片作为串行16位D/A转换器15输出模拟信号。

(7)采用8KB容量的片带电池存储器9存储掉电保护数据。

(8)采用MAXIM公司的生产MAX705芯片作为看门狗电路8在系统跑飞时提供复位信号。

(9)采用光耦器件11提供光电隔离保护。

(10)采用液晶显示器6显示运行结果和运行信息。

(11)采用键盘7获得按键信号。

Claims (3)

1.一种支持工业通信网络协议的现场智能单元，包括控制单元和通信接口模块，其特征在于：

a.控制单元中的微处理器(10)通过内部总线(17)与工业以太网接口模块(19)相连接，工业以太网接口模块(19)通过其以太网接口(1)连接以太网(21)，实现MODBUS/TCP工业以太网协议；

或者，控制单元中的微处理器(10)通过内部总线(17)与DeviceNet从站接口模块相连接，DeviceNet从站接口模块通过其现场总线接口连接现场总线，实现DeviceNet现场总线协议；

或者，控制单元中的微处理器(10)通过内部总线(17)与Profibus-DP从站接口模块相连接，Profibus-DP从站接口模块通过其现场总线接口连接现场总线，实现Profibus-DP现场总线协议；

b.控制单元的结构是：微处理器(10)通过光耦器件(11)与A/D转换器(16)、D/A转换器(15)相连接，微处理器(10)的开关量输入(13)、开关量输出(12)和A/D转换器(16)、D/A转换器(15)与控制对象(14)相连接，微处理器(10)与液晶显示器(6)、键盘(7)、看门狗电路(8)和片带电池存储器(9)相连。

2.根据权利要求1所述的支持工业通信网络协议的现场智能单元，其特征在于控制单元具有如下特点：

①具有8路模拟量(4-20mA DC)输入，12位A/D转换器将模拟信号转换成数字信号供微处理器进行数据处理。

②16位D/A转换器输出模拟信号(4-20mA DC)驱动执行机构。

③液晶显示器报告运行状态及运行结果，并显示系统设置情况和其它辅助信号。

④具有8个键的轻触式键盘接收用户的输入。

⑤非易失存储器具有掉电保护功能，可保存用户输入的参数，使用户在系统重启后无需再次输入这些参数。

⑥具有看门狗电路，在系统故障、程序跑飞时进行复位。

⑦输入、输出通道采用光电隔离保护。

⑧具有34芯孔的连接插座，可直接与通讯接口模块连接。

3.一种支持工业通信网络协议的现场智能单元的操作方法，采用权利要求1所述的支持工业通信网络协议的现场智能单元，对其控制单元中的微处理器(10)植入软件，实现智能化操作，其特征在于植入的软件包括系统程序、初始化子程序、液晶显示子程序、键功能子程序、现场总线通信子程序和中断服务程序，综合实现智能化操作。各程序实现如下操作：

①系统控制程序：系统控制程序为循环结构。系统运行时，微处理器循环采样，启动多个通道的信号进行A/D转换，将信号数字化后，再进行数据处理，如数字滤波、标度变换、数制转换、数据保存、越限报警等，将该数据处理后，根据采样值与用户设定值计算系统的输出控制量，返回合适的输出控制量，再经D/A转换成相应的模拟量后传给执行机构；

②初始化子程序：开机或复位后，仪表首先进行初始化操作。初始化子程序完成微处理器和通信接口模块的初始化和软件的初态设置，并把仪表的初始状态设置成：本地控制方式、液晶显示器的状态为“数据采样屏”。若片带电池存储器中存放用户修改的参数，则初始化过程中读取这些参数。初始化完成后，仪表进入主程序进行测控；

③液晶显示子程序：液晶显示子程序的主要功能是根据预先的配置以特定的格式显示采样值的转换结果，显示当前键盘操作的效果和各类功能界面；

④键功能子程序：主机系统监测来自键盘的中断信号，当判断有键闭合时，对此键闭合的有效性进行判断。如果按键有效则进入相应的键功能子程序，使系统能及时地响应来自键盘的各种服务请求；

⑤总线通信子程序：总线通信子程序将需要发送的信息写入通信模块中，同时也可以将上位机发来的信息从通信模块中读出。从而实现上位机通过通信接口与现场智能单元远程实时数据交互；

⑥中断服务程序：系统通过定时器或串口引起的中断信号实现中断，单片机区分其优先级，并转入相应的实时测量程序或键功能子程序。在本系统中，来自串口的中断的优先级高于来自定时器的中断的优先级。

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