CN218679102U - 一种profibus现场总线信号转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种profibus现场总线信号转换装置，包括控制模块、模数转换模块、采集模块以及隔离模块；所述控制模块的输出端与采集模块、模数转换模块的输入端电性连接，所述隔离模块的输出/输入端与控制模块电性连接。本实用新型实现了信号源与电源的隔离，能够使得总线的差分传输具有高效率和低磁干扰，在实际传输中，电缆的接口都会遭受各种噪声的影响，如果这些瞬变噪声足够复杂或者长时间存在可能会对收发器或附近的敏感电路造成损坏，而ISO1176T驱动器则可以显著降低数据损坏的风险和控制电路的损坏。

Description

一种profibus现场总线信号转换装置

技术领域

本实用新型涉及转换装置技术领域，具体涉及一种profibus现场总线信号转换装置。

背景技术

现有的转换装置在转换总线信号时，不能有效将信号源与电源进行隔离，从而导致总线的差分传输效率低且容易受到低磁干扰，由于总线信号在实际传输的过程中，电缆的接口会受到各种噪声的影响，瞬变噪声足够复杂或者长时间存在可能会对收发器或附近的敏感电路造成损坏，从而不能保证信号的稳定传输与转换。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种profibus现场总线信号转换装置，以解决背景技术中不足。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种profibus现场总线信号转换装置，包括控制模块、模数转换模块、采集模块以及隔离模块；

所述控制模块的输出端与采集模块、模数转换模块的输入端电性连接，所述隔离模块的输出/输入端与控制模块电性连接。

优选的，所述隔离模块包括接口芯片ISO1176T、变压器DA2304以及稳压器芯片LP2985A，变压器DA2304将3.3V电压转换为6V电压，稳压器芯片LP2985A将6V电压转变为5V后，作为差分总线的输出电压值。

优选的，所述控制模块为FPGA芯片。

优选的，所述采集模块为A/D芯片，且A/D芯片与FPGA芯片电性连接。

优选的，所述模数转换模块为模数转换芯片ADS1258，且模数转换芯片ADS1258与FPGA芯片电性连接。

优选的，所述FPGA芯片的输出端还设置有RS485芯片，RS485芯片接收和发送数据。模数转换芯片ADS1258

优选的，所述模数转换芯片ADS1258启动前配置成为识别8路的差分线模拟信号或16路的单端模拟信号，模拟信号经过ADC转换之后实现24位A/D转换，再通过数字滤波器对数字信号进行优化处理，最终通过SPI接1输出数据1。

在上述技术方案中，本实用新型提供的技术效果和优点：

本实用新型实现了信号源与电源的隔离，能够使得总线的差分传输具有高效率和低磁干扰，在实际传输中，电缆的接口都会遭受各种噪声的影响，如果这些瞬变噪声足够复杂或者长时间存在可能会对收发器或附近的敏感电路造成损坏，而ISO1176T驱动器则可以显著降低数据损坏的风险和控制电路的损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

实施例1

请参阅图1所示，本实施例所述一种profibus现场总线信号转换装置，包括控制模块、模数转换模块、采集模块以及隔离模块；

所述控制模块的输出端与采集模块、模数转换模块的输入端电性连接，所述隔离模块的输出/输入端与控制模块电性连接。

系统设计要求各个子节点依据组织者下发的命令将采集的模拟信号转换为数字信号后，再经总线传回组织者，然后组织者再将数据上传给上位机进行下一步操作。

采用RS485总线作为其通信总线，并且选用专为组网研发的具有集成变压器和驱动器的隔离式收发器ISO1176T芯片。

请参阅图1所示，在总线电路设计时，接口芯片ISO1176T与隔离总线变压器DA2304及低噪声线性稳压器芯片LP2985A配合使用，3.3V电压经过变压器DA2304转换为6V电压，再经过稳压器芯片LP2985A之后转变为5V后，作为差分总线的输出电压值。

电路设计中实现了信号源与电源的隔离，能够使得总线的差分传输具有高效率和低磁干扰，在实际传输中，电缆的接口都会遭受各种噪声的影响，如果这些瞬变噪声足够复杂或者长时间存在可能会对收发器或附近的敏感电路造成损坏，而ISO1176T驱动器则可以显著降低数据损坏的风险和控制电路的损坏。

硬件电路依托FPGA芯片，模数转换芯片ADS1258来完成转换系统的功能实现。

在组织者中，FPGA主控芯片实现了对RS485芯片的控制以及其数据的收发，同时通过SPI总线接收或者上传数据到上位机。

在子节点中，FPGA主控芯片主要完成了控制A/D芯片的采集以及RS485芯片接收和发送数据。

ADS1258芯片启动之前首先需要对其进行配置，对相关寄存器操作可以将芯片配置成为识别8路的差分线模拟信号或16路的单端模拟信号，模拟信号经过ADC转换之后实现24位A/D转换，再通过数字滤波器对数字信号进行优化处理，最终通过SPI接1输出数据1。

软件中涉及的模数转换部分主要是FPGA主控芯片控制模数转换芯片ADS1258工作。

ADS1258的工作总时钟由FPGA产生的一个16MHz的时钟信号所提供，将SPI接口中的CS线置高或者SCL K时钟线保持不变约4096个总时钟的时间来复位SPI接口。

使用单端输入和自动扫描模式进行数据采集，所以需要对ADS1258的3个内部寄存器(CON-FIG1、MUXSG0、MUXSG1)进行配置，其他寄存器保持默认即可。

CONFIG1寄存器的地址是01h，用来设置数据采集系统的采样频率MUXSG0和MUXSG1寄存器的地址分别为04h和05h，控制字均为8位，配置这2个共16位控制字的寄存器，即可实现采样16个通道中的其中一个或者几个通道。

软件部分包括转换模块与上位机通讯部分，根据现场总线系统与上位机通讯原理，要通过数据封装成总线格式来完成传输。

组织者通过RS485总线与子节点之间通信，数据的传输速率达到了20bit/s。

组织者下发给子节点的命令包共40位，其中包含了1位数据起始位，32位有效数据，4位CRC码以及3位停止位。

当系统上电时，子节点的RS485驱动芯片会复位，然后处于接收模式等待命令包的到来，组织者的RS485驱动芯片则在每次命令发完之后立即转为接收状态以接收子节点回传的据。

当组织者的命令包发出后，32个子节点均会收到。

当某个子节点与命令包中的子节点地址匹配成功后，会将有效数据位和CRC码进行校验，校验成功以后会启动模数转换，并将转换后的数据回传到总线，若校验失败则上传代表失败的指定数据，并发送204800次后保持在接受命令状态。

信号的转换最终要以控制芯片为核心的硬件电路来完成执行，硬件电路的设计要满足完成转换任务和转换速度，体积尽量减小，具备传输功能。

最后要进行整体硬件的信号转换和传输测试，是否满足profibus信号要求。

将传统信号传输的工业生产设备纳入到Profibus现场总线系统中，在不更新设备的情况下实现数据互通互联，将设备的详细预警、状态信号传输上来并进行上位机显示提醒，通过数据实现设备的状态感知，为设备预测性维护和智能化升级打下基础。通过分析国内外研究现状，两种传输系统转换方式以及相关算法设计，将研究成果应用于行业内部，提高工业生产效率，为智能控制实现完成前期工作。

Profibus是一种国际化、开放式，不依赖于设备生产商的现场总线标准，广泛应用于工业生产自动化。

现今工业生产朝着数字化、智能化方向发展，为保证正常安全生产，需要把更多更详细的设备预警信号传输至上位机，为智能预警和决策提供通讯保障。

将profibus现场总线传输代替传统硬线传输，并在上位机进行编程组态通过总线信号把所需要的设备故障信息传输至上位机，当设备异常时可以直接显示具体的故障原因，省去了维护人员排查故障的步骤，并能够节省大量的工业电缆，大大减少了人员工作量和生产成本，而且能够灵活组态，扩展更多信号传输，为工业生产提供了便利。

传统传输信号与profibus标准的总线信号转化需要设计软件算法和硬件支持，把普通开关量和模拟量信号转变成为符合profibus标准的数字量信号，信号转化后还需要将多个信号进行处理传输送入下位机进行处理。

研究难点是信号转化算法的设计和对应的硬件电路设计，完成信号转化就可以初步将传统信号纳入至profibus现场总线信号传输中，为设备信号接入现场总线控制系统打下基础。

本申请的实现可以为工业设备进一步完成数字化、智能化升级做好准备工作。

转换算法的设计是最终转换后信号效果合格与否的关键，工业设备普通单信号的标准是传统的开关量或者是4-20mA模拟量，profibus信号分为profibus-DP和profibus-PA，分别适用于现场级分散I/O设备高速传输和过程自动化，profibus-DP执行高速RS-485标准，profibus-PA执行低速IEC1158-2标准。

针对两种不同的信号标准，设计两种不同转换算法与之对应，本申请通过数学模型的换算，将开关量信号转换成profibus-DP标准，模拟量转换成profibus-PA或profibus-DP标准，其中模拟量的转换算法相对复杂，由于是模拟量转换为数字量，其中需要考虑转换精度问题，在算法的基础上把实际应用场合的精度要求附加进去，满足系统要求。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种profibus现场总线信号转换装置，其特征在于：包括控制模块、模数转换模块、采集模块以及隔离模块；

所述控制模块的输出端与采集模块、模数转换模块的输入端电性连接，所述隔离模块的输出/输入端与控制模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种profibus现场总线信号转换装置，其特征在于：所述隔离模块包括接口芯片ISO1176T、变压器DA2304以及稳压器芯片LP2985A，变压器DA2304将3.3V电压转换为6V电压，稳压器芯片LP2985A将6V电压转变为5V后，作为差分总线的输出电压值。

3.根据权利要求2所述的一种profibus现场总线信号转换装置，其特征在于：所述控制模块为FPGA芯片。

4.根据权利要求3所述的一种profibus现场总线信号转换装置，其特征在于：所述采集模块为A/D芯片，且A/D芯片与FPGA芯片电性连接。

5.根据权利要求3所述的一种profibus现场总线信号转换装置，其特征在于：所述模数转换模块为模数转换芯片ADS1258，且模数转换芯片ADS1258与FPGA芯片电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种profibus现场总线信号转换装置，其特征在于：所述FPGA芯片的输出端还设置有RS485芯片，RS485芯片接收和发送数据。

7.根据权利要求5所述的一种profibus现场总线信号转换装置，其特征在于：所述模数转换芯片ADS1258启动前配置成为识别8路的差分线模拟信号或16路的单端模拟信号，模拟信号经过ADC转换之后实现24位A/D转换，再通过数字滤波器对数字信号进行优化处理，最终通过SPI接1输出数据1。

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