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隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制、管理的各個(gè)層次。信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來的，成為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。
現(xiàn)場(chǎng)總線是一種連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字化、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵標(biāo)志是能夠支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通信。它一方面將現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量、控制設(shè)備互連為通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段和現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備之間的信息共享，另一方面又將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種信息傳到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室，進(jìn)一步與上層管理控制網(wǎng)絡(luò)連接和信息共享，建立了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控設(shè)備與控制管理層之間的聯(lián)系。
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)改變了傳統(tǒng)的模擬信號(hào)采集和控制方式，以數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)提升和完善了工業(yè)測(cè)控設(shè)備及控制軟件功能，徹底地改變了控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)的采集、顯示、控制、執(zhí)行等設(shè)備和裝置以網(wǎng)絡(luò)化形式連接起來，減少了現(xiàn)場(chǎng)的連接電纜，方便了設(shè)備的診斷和維護(hù)工作；以數(shù)字化通信技術(shù)建立了設(shè)備間的信息交互渠道，增加了信息容量，提高了通信的實(shí)時(shí)性、可靠性和準(zhǔn)確性；以智能化技術(shù)賦予了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更加完善的計(jì)算、控制和診斷功能，將系統(tǒng)控制功能進(jìn)一步分散，進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的性能和安全性。
與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯：
◆現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在本地完成控制、診斷等功能，實(shí)現(xiàn)控制功能的徹底分散；
◆現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以數(shù)字化傳輸方式替代了傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號(hào)，在傳輸信號(hào)幅值信息的同時(shí)，提供了信號(hào)質(zhì)量、時(shí)間標(biāo)簽等豐富的現(xiàn)場(chǎng)信息；
◆現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本；
◆現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具備互操作性、互換性，降低了用戶的維護(hù)和采購成本；
◆規(guī)范化、開放化的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，不再造成工業(yè)控制系統(tǒng)的信息孤島，滿足企業(yè)管控一體化的應(yīng)用需要。
由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有開放性、高準(zhǔn)確性、低成本和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此在制造業(yè)、石化、冶金、電力、交通和樓宇管理等自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
伴隨多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，新一代的控制系統(tǒng)、儀表等設(shè)備漸成主流。同時(shí)，支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨之發(fā)展，網(wǎng)關(guān)類產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)。盡管多種總線在市場(chǎng)上取得了很大的成功，但Foundation?Fieldbus和PROFIBUS?PA是公認(rèn)的過程控制總線的代表和技術(shù)領(lǐng)先者，過程控制級(jí)絕大部分采用Foundation?Fieldbus或PROFIBUS?PA總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，F(xiàn)oundation?Fieldbus和PROFIBUS?PA是過程控制總線的絕對(duì)主流，也是國內(nèi)自動(dòng)化廠商所普遍遵循的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。
但由于Foundation?Fieldbus及PROFIBUS?PA通信卡功能多、技術(shù)難度高、開發(fā)周期長(zhǎng)，需要投入大量的人力、物力、資金，國內(nèi)廠家大多沒有能力從事Foundation?Fieldbus及PROFIBUS?PA通信卡的開發(fā)。目前的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的應(yīng)用主要以進(jìn)口為主，造成現(xiàn)場(chǎng)總線儀表成本居高不下。

為了解決目前國內(nèi)無法開發(fā)Foundation?Fieldbus及PROFIBUS?PA現(xiàn)場(chǎng)總線通信卡的現(xiàn)狀，擺脫對(duì)進(jìn)口現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的依賴，本發(fā)明的目的是提供一種基于同一硬件既可以運(yùn)行Foundation?Fieldbus協(xié)議又可以運(yùn)行Profibus?PA協(xié)議、低成本的現(xiàn)場(chǎng)總線通信卡。當(dāng)需要運(yùn)行不同的協(xié)議時(shí)，只需對(duì)本發(fā)明重新編程即可，不需改動(dòng)硬件。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
本發(fā)明基于FBC0409現(xiàn)場(chǎng)總線控制器，用于接收濾波和整形后的數(shù)字信號(hào)，輸出解碼后數(shù)字信號(hào)，及對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，還包括：
-總線信號(hào)濾波電路，接收總線上的信號(hào)，輸出濾波和整形后的數(shù)字信號(hào)；
-總線電壓信號(hào)調(diào)制電路，接收現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器輸出的編碼后數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換為與總線信號(hào)波形相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；
-主控電路，與現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器通訊，并采用通用異步收發(fā)器UART、串行外設(shè)接口SPI、集成電路互連總線I2C等方式與其他外部傳感器、執(zhí)行器配套的儀表卡進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集或控制執(zhí)行器的動(dòng)作以及更復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換；
-總線供電/電流調(diào)制電路，從總線取電并為總線信號(hào)濾波電路、主控電路、現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器和總線電壓信號(hào)調(diào)制電路供電，同時(shí)接收總線電壓信號(hào)調(diào)制電路的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。
本發(fā)明所述總線信號(hào)濾波電路為一階帶通濾波器與施密特遲滯比較器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中：遲滯比較器的輸出經(jīng)過濾波和整形的數(shù)字信號(hào)至現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器；
所述總線電壓信號(hào)調(diào)制電路由電平遷移、三態(tài)變換、整形電路組成，電平遷移采用具有變壓器隔離技術(shù)的數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)，將現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器輸出的數(shù)字信號(hào)遷移到總線供電-電流調(diào)制電路的前級(jí)穩(wěn)壓器的地電位；然后由三態(tài)變換電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為與總線信號(hào)相應(yīng)的三態(tài)信號(hào)；整形電路接收三態(tài)變換電路輸出信號(hào)，對(duì)三態(tài)信號(hào)進(jìn)行整形，使信號(hào)的邊沿斜率滿足總線信號(hào)的要求輸出信號(hào)送至電流調(diào)制電路；
所述三態(tài)信號(hào)包括高電平、低電平和中間電平三種狀態(tài)；所述三態(tài)變換電路采用2選1模擬開關(guān)；所述整形電路工作在反向器模式；
所述主控電路包括：微處理器(CPU)，內(nèi)含程序存儲(chǔ)器(FLASH)；靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)，與微處理器(CPU)通訊，存儲(chǔ)運(yùn)行的臨時(shí)數(shù)據(jù)；非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(EEROM)，與微處理器(CPU)通訊，存放設(shè)定的信息參數(shù)；
所述總線供電/電流調(diào)制電路包括：前級(jí)穩(wěn)壓器，輸入總線上的電壓信號(hào)，前級(jí)穩(wěn)壓器的輸出用于對(duì)總線電壓信號(hào)調(diào)制電路和電流調(diào)制電路供電，采用線性低壓差類型；電流調(diào)制電路，通過電流計(jì)算公式，對(duì)二級(jí)穩(wěn)壓器供電；二級(jí)和三級(jí)穩(wěn)壓器，由并聯(lián)穩(wěn)壓電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路組合而成；其中：二級(jí)穩(wěn)壓器為并聯(lián)穩(wěn)壓器類型穩(wěn)壓器，其輸出提供給三級(jí)穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓，還用于吸收掉電流調(diào)制電路多余的輸出電流；三級(jí)穩(wěn)壓器為串聯(lián)型，采用線性低壓差類型穩(wěn)壓器，用于去除二級(jí)并聯(lián)穩(wěn)壓電路由于電流變化造成的電壓波動(dòng)的影響；三級(jí)穩(wěn)壓器輸出給主控電路、總線信號(hào)濾波電路、現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器供電；
所述總線供電/電流調(diào)制電路在不減少內(nèi)部電路可用的供電電流情況下，為儀表卡提供獨(dú)立供電電源。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
1.低功耗：本發(fā)明在整機(jī)功耗＜14mA的情況下，可以同時(shí)對(duì)儀表卡供電。輸出功率可以達(dá)到15mW以上(3.3V，5mA)。
2.接口方式靈活：本發(fā)明可以與儀表卡采用多種通信方式進(jìn)行通信，如通用異步收發(fā)器、串行外設(shè)接口、集成電路互連總線等等。
3.適用性強(qiáng)：本發(fā)明采用FBC0409現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器，可以基于同一硬件運(yùn)行兩種總線協(xié)議。
4.高性能：本發(fā)明采用32位微處理器，在運(yùn)行速度上比國外同類產(chǎn)品高30％以上。
5.低成本：由于本發(fā)明采用自行設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器，徹底解決了對(duì)國外廠商的依賴。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是圖1中總線信號(hào)濾波電路原理圖。
圖3是圖1中總線電壓信號(hào)調(diào)制電路原理圖。
圖4是圖1中總線供電/電流調(diào)制電路的前級(jí)穩(wěn)壓器原理圖。
圖5是圖1中總線供電/電流調(diào)制電路的電流調(diào)制電路原理圖。
圖6是圖1中總線供電/電流調(diào)制電路的二級(jí)和三級(jí)穩(wěn)壓器原理圖。
圖7是圖1中微處理器及外圍電路的原理框圖。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明包括：總線信號(hào)濾波電路、總線供電/電流調(diào)制電路、總線電壓信號(hào)調(diào)制電路、現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器、主控電路。對(duì)外接口有總線接口、電源輸出、儀表卡通信接口、顯示接口。其連接關(guān)系：總線信號(hào)濾波電路、總線電壓信號(hào)調(diào)制電路、現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器和主控電路由總線供電/電流調(diào)制電路供電，總線信號(hào)濾波電路的輸入端通過總線接口接收總線上的信號(hào)，輸出信號(hào)為經(jīng)過濾波和整形的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器解碼后給主控電路；同時(shí)主控電路的輸出經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器編碼后輸出到總線電壓信號(hào)調(diào)制電路。所述主控電路配有通訊用儀表卡通信接口、顯示接口。
參見圖2，總線信號(hào)濾波電路為一階帶通濾波器與施密特遲滯比較器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中：第四運(yùn)算放大器U4A與第11電阻R11、第13電阻R13、第21電容C21、第25電容C25構(gòu)成的一階帶通濾波器，總線信號(hào)FFVin+從第13電阻R13輸入，從第四運(yùn)算放大器U4A的1腳輸出(采用AD8542，工作在反向放大模式)。第七運(yùn)算放大器U7與第9-10電阻R9-R10、第22電容C22構(gòu)成施密特遲滯比較器，遲滯比較器的門限電壓為50mV。第七運(yùn)算放大器U7采用TLV2371，工作在遲滯比較器模式。遲滯比較器的輸出是經(jīng)過濾波和整形的數(shù)字信號(hào)，由現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器進(jìn)行解碼。
參見圖3，總線電壓信號(hào)調(diào)制電路由電平遷移、三態(tài)變換、整形電路組成。電平遷移采用數(shù)字隔離器U1實(shí)現(xiàn)，數(shù)字隔離器U1采用ADUM1200，該芯片采用片內(nèi)為變壓器隔離技術(shù)，可以在很低的功耗下達(dá)到很高的傳輸速度，同時(shí)也不需要使用電阻調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)化了電路。數(shù)字隔離器U1將現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器輸出的2個(gè)數(shù)字信號(hào)PO-TACT、PO-PHPDU遷移到總線供電/電流調(diào)制電路的前級(jí)穩(wěn)壓器的地電位。三態(tài)變換電路由2選1模擬開關(guān)U2實(shí)現(xiàn)。模擬開關(guān)U2采用LVC1G3157，當(dāng)PO-TACT為低電平時(shí)，模擬開關(guān)U2的第4腳輸出電壓為1.65V，即電源電壓的1/2，該電壓由第4、5電阻R4、R5分壓產(chǎn)生。當(dāng)PO-TACT為低電平時(shí)，模擬開關(guān)U2的第4腳輸出電壓由PO-PHPDU決定。PO-PHPDU為高電平(3.3V)，模擬開關(guān)U2輸出為高電平(3.3V)，PO-PHPDU為低電平(0V)，模擬開關(guān)U2輸出為低電平(0V)。最后由整形電路對(duì)模擬開關(guān)U2輸出的三態(tài)信號(hào)進(jìn)行整形，使信號(hào)的邊沿斜率滿足總線信號(hào)的要求。整形電路由第三運(yùn)算放大器U3B、第1、2電阻R1、R2及第1電容C1組成，第三運(yùn)算放大器U3B采用AD8542，工作在反向器模式，對(duì)模擬開關(guān)U2的輸出信號(hào)進(jìn)行反向，第1電容C1用于調(diào)節(jié)波形的邊沿速率。整形后的信號(hào)由第三運(yùn)算放大器U3B的7腳輸出給電流調(diào)制電路。
總線供電/電流調(diào)制電路由前級(jí)穩(wěn)壓器，電流調(diào)制電路和二級(jí)和三級(jí)穩(wěn)壓器構(gòu)成，其中：
參見圖4，總線供電/電流調(diào)制電路的前級(jí)穩(wěn)壓器由低壓差三端穩(wěn)壓器U5構(gòu)成，總線上的電壓信號(hào)經(jīng)過第12電阻R12、第15電容C15濾波，給低壓差三端穩(wěn)壓器U5(采用SPX1121M3-3.3)供電，低壓差三端穩(wěn)壓器U5將電壓穩(wěn)壓成3.3V，供總線電壓信號(hào)調(diào)制電路和電流調(diào)制電路使用。
參見圖5，總線供電-電流調(diào)制電路的電流調(diào)制電路由第三運(yùn)算放大器UA3和第一晶體管Q1、第一穩(wěn)壓二極管D1及阻容元件組成，電流調(diào)制電路的輸出電流為第14電阻R14和第6電阻R6的電流之和。由于第14電阻R14和第6電阻R6兩端的電壓相等，而第6電阻R6遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第14電阻R14，所以電流調(diào)制電路的輸出電流主要由第14電阻R14的電流決定，流過第6電阻R6的電流可以忽略不計(jì)。
電流調(diào)制電路輸出電流的計(jì)算公式為：
I＝(3.3×R6/R8+VCON×R6/R3)/R14
其中：VCON為總線電壓信號(hào)調(diào)制電路中整形電路輸出的電壓信號(hào)；
當(dāng)總線處于接收狀態(tài)時(shí)，VCON＝1.65V，總線的靜態(tài)電流為：
Iq＝(3.3×R6/R8+1.65×R6/R3)/R14＝13.9mA；
當(dāng)總線處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，VCON變化范圍為0～3.3V，所以總線電流的變化范圍為：
Id＝3.3×R6/R3/R14＝16.5mA。
另外，第一穩(wěn)壓二極管D1(采用3.3V穩(wěn)壓管，位于第一晶體管Q1集電極與電源FFVin之間)還可以對(duì)第一晶體管Q1的集電極輸出電流穩(wěn)壓后給儀表卡供電。
參見圖6，總線供電-電流調(diào)制電路的二級(jí)和三級(jí)穩(wěn)壓器由并聯(lián)穩(wěn)壓電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路組合而成。二級(jí)穩(wěn)壓電路為并聯(lián)型，采用并聯(lián)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓模塊U9、第17、20電阻R17、R20組成。穩(wěn)壓模塊U9采用TLV431，電路的穩(wěn)壓值為3.6V。并聯(lián)穩(wěn)壓電路除了穩(wěn)壓功能外，還可以吸收掉電流調(diào)制電路多余的輸出電流。三級(jí)穩(wěn)壓器為串聯(lián)型，穩(wěn)壓電路由U6完成，U6采用S818，穩(wěn)壓值為3.3V。三級(jí)穩(wěn)壓器U6主要作用是去除二級(jí)并聯(lián)穩(wěn)壓電路由于電流調(diào)制電路的電流變化造成的電壓波動(dòng)的影響。二級(jí)和三級(jí)穩(wěn)壓器接收電流調(diào)制電路的輸出電流，穩(wěn)壓后輸出至主控制電路。
參見圖7，主控電路由微處理器CPU，靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM，非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEROM組成。
微處理器CPU采用AT91SAM7SE512，ARM7內(nèi)核。該微處理器CPU內(nèi)部含有豐富的資源，包括512k程序存儲(chǔ)器FLASH，16k靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM(容量較小，所以需外部擴(kuò)充)、定時(shí)器、通用I/O口、調(diào)試接口JTAG、通用異步收發(fā)器UART、串行外設(shè)接口SPI、集成電路互連總線I2C等豐富的硬件資源，只需要少量的外圍硬件就可以實(shí)現(xiàn)豐富的功能。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器FLASH用來存放通信控制程序(為現(xiàn)有技術(shù)，不是本發(fā)明要點(diǎn))；微處理器CPU通過調(diào)試接口JTAG進(jìn)行調(diào)試、編程，無需昂貴的仿真器。微處理器CPU與儀表卡可以采用多種方式進(jìn)行通信。比如：根據(jù)儀表卡的不同，可以采用異步收發(fā)器UART、串行外設(shè)接口SPI、集成電路互連總線I2C、自定義協(xié)議(采用通用I/O口仿真)等，只需要修改軟件(現(xiàn)有技術(shù))就可以了。
本發(fā)明中，僅擴(kuò)充了一片靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM和一片非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM，分別用于臨時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和掉電非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM與CPU通過微處理器CPU的內(nèi)存接口連接，靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM采用CY62146，容量為512k字節(jié)，16位數(shù)據(jù)總線。非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM采用24AA256，容量為32k字節(jié)，通過集成電路互連總線I2C方式與微處理器CPU通信。
所述現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器，具有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線物理層和部分鏈路層功能，符合IEC?61158-2規(guī)范的中現(xiàn)場(chǎng)總線物理層標(biāo)準(zhǔn)。所述現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器內(nèi)部集成了1個(gè)4k?SRAM。
采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)基于同一硬件(即本發(fā)明本身)就可以運(yùn)行Foundation?Fieldbus協(xié)議又可以運(yùn)行Profibus?PA協(xié)議之目的，特別是具有低成本的特點(diǎn)。