專利名稱：現場總線通信卡的制作方法
技術領域：
本發明涉及自動控制領域，具體地說是一種基于FBC0409的現場總線通信卡。該 通信卡支持總線供電，符合IEC61158-2物理層標準。作為智能傳感器、控制器的核心設備， 通信卡提供工業現場儀表、傳感器所必需的控制、采集和顯示接口 。現場總線通信卡與傳統 的儀器儀表相結合構成現場總線設備。
背景技術：
隨著控制、計算機、通信、網絡等技術的發展，信息交換溝通的領域正在迅速覆蓋 從現場設備到控制、管理的各個層次。信息技術的發展對自動化系統結構產生了深遠的影 響，逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。現場總線(Fieldbus)技術就 是順應這一形勢發展起來的，成為當今自動化領域技術發展的熱點。 現場總線是一種連接智能現場設備和自動化系統的全數字化、雙向傳輸、多分支 結構的串行通信網絡。現場總線的關鍵標志是能夠支持雙向、多節點、總線式的全數字通 信。它一方面將現場的測量、控制設備互連為通信網絡，實現不同網段和現場通信設備之間 的信息共享，另一方面又將現場運行的各種信息傳到遠離現場的控制室，進一步與上層管 理控制網絡連接和信息共享，建立了生產過程現場級測控設備與控制管理層之間的聯系。
現場總線技術改變了傳統的模擬信號采集和控制方式，以數字化、智能化、網絡化 技術提升和完善了工業測控設備及控制軟件功能，徹底地改變了控制系統的體系結構。現 場總線技術將現場的采集、顯示、控制、執行等設備和裝置以網絡化形式連接起來，減少了 現場的連接電纜，方便了設備的診斷和維護工作；以數字化通信技術建立了設備間的信息 交互渠道，增加了信息容量，提高了通信的實時性、可靠性和準確性；以智能化技術賦予了 現場設備更加完善的計算、控制和診斷功能，將系統控制功能進一步分散，進一步提高了控 制系統的性能和安全性。 與傳統控制系統相比，現場總線控制系統優勢明顯 令現場設備在本地完成控制、診斷等功能，實現控制功能的徹底分散； 令現場設備以數字化傳輸方式替代了傳統的4 20mA模擬信號，在傳輸信號幅值
信息的同時，提供了信號質量、時間標簽等豐富的現場信息； 令現場設備間的網絡化拓樸結構，省去了大量的電纜、I/0模塊及電纜敷設工程費
用，降低了系統及工程成本； 令現場設備具備互操作性、互換性，降低了用戶的維護和采購成本； 令規范化、開放化的現場總線標準，不再造成工業控制系統的信息孤島，滿足企業
管控一體化的應用需要。 由于現場總線技術具有開放性、高準確性、低成本和易于維護等優點，因此在制造 業、石化、冶金、電力、交通和樓宇管理等自動化領域得到了廣泛的應用。 伴隨多種現場總線標準的出現，新一代的控制系統、儀表等設備漸成主流。同時， 支持多種現場總線的網絡技術也隨之發展，網關類產品也不斷涌現。盡管多種總線在市場上取得了很大的成功，但Foundation Fieldbus和PROFIBUS PA是公認的過程控制總線的 代表和技術領先者，過程控制級絕大部分采用Foundation Fieldbus或PROFIBUS PA總線 標準。因此，Foundation Fieldbus和PROFIBUS PA是過程控制總線的絕對主流，也是國內 自動化廠商所普遍遵循的現場總線標準。 但由于Foundation Fieldbus及PROFIBUS PA通信卡功能多、技術難度高、開發周 期長，需要投入大量的人力、物力、資金，國內廠家大多沒有能力從事Foundation Fieldbus 及PROFIBUS PA通信卡的開發。目前的現場總線儀表的應用主要以進口為主，造成現場總 線儀表成本居高不下。
發明內容
為了解決目前國內無法開發Foundation Fieldbus及PROFIBUS PA現場總線通信 卡的現狀，擺脫對進口現場總線儀表的依賴，本發明的目的是提供一種基于同一硬件既可 以運行Foundation Fieldbus協議又可以運行Prof ibus PA協議、低成本的現場總線通信 卡。當需要運行不同的協議時，只需對本發明重新編程即可，不需改動硬件。
為了實現上述目的，本發明的具體技術方案如下 本發明基于FBC0409現場總線控制器，用于接收濾波和整形后的數字信號，輸出 解碼后數字信號，及對發送的數據進行編碼，還包括-總線信號濾波電路，接收總線上的信號，輸出濾波和整形后的數字信號；-總線電壓信號調制電路，接收現場總線通信控制器輸出的編碼后數字信號，轉換
為與總線信號波形相對應的電壓信號；-主控電路，與現場總線通信控制器通訊，并采用通用異步收發器UART、串行外設
接口 SPI、集成電路互連總線12C等方式與其他外部傳感器、執行器配套的儀表卡進行通
信，從而實現傳感器的數據采集或控制執行器的動作以及更復雜的數據交換； _總線供電/電流調制電路，從總線取電并為總線信號濾波電路、主控電路、現場
總線通信控制器和總線電壓信號調制電路供電，同時接收總線電壓信號調制電路的電壓信
號，將電壓信號轉換為電流信號。 本發明所述總線信號濾波電路為一階帶通濾波器與施密特遲滯比較器串聯結構，
其中遲滯比較器的輸出經過濾波和整形的數字信號至現場總線通信控制器； 所述總線電壓信號調制電路由電平遷移、三態變換、整形電路組成，電平遷移采用
具有變壓器隔離技術的數字隔離器實現，將現場總線通信控制器輸出的數字信號遷移到總
線供電_電流調制電路的前級穩壓器的地電位；然后由三態變換電路將數字信號轉換為與
總線信號相應的三態信號；整形電路接收三態變換電路輸出信號，對三態信號進行整形，使
信號的邊沿斜率滿足總線信號的要求輸出信號送至電流調制電路； 所述三態信號包括高電平、低電平和中間電平三種狀態；所述三態變換電路采用 2選1模擬開關；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)，內含程序存儲器(FLASH);靜態數據存儲器 (SRAM)，與微處理器(CPU)通訊，存儲運行的臨時數據；非易失性數據存儲器(EEROM)，與微 處理器(CPU)通訊，存放設定的信息參數； 所述總線供電/電流調制電路包括前級穩壓器，輸入總線上的電壓信號，前級穩
5壓器的輸出用于對總線電壓信號調制電路和電流調制電路供電，采用線性低壓差類型；電
流調制電路，通過電流計算公式，對二級穩壓器供電；二級和三級穩壓器，由并聯穩壓電路
和串聯穩壓電路組合而成；其中二級穩壓器為并聯穩壓器類型穩壓器，其輸出提供給三
級穩壓器進行穩壓，還用于吸收掉電流調制電路多余的輸出電流；三級穩壓器為串聯型，采
用線性低壓差類型穩壓器，用于去除二級并聯穩壓電路由于電流變化造成的電壓波動的影
響；三級穩壓器輸出給主控電路、總線信號濾波電路、現場總線通信控制器供電； 所述總線供電/電流調制電路在不減少內部電路可用的供電電流情況下，為儀表
卡提供獨立供電電源。 本發明的優點 1.低功耗本發明在整機功耗< 14mA的情況下，可以同時對儀表卡供電。輸出功 率可以達到15mW以上(3. 3V，5mA)。 2.接口方式靈活本發明可以與儀表卡采用多種通信方式進行通信，如通用異步 收發器、串行外設接口 、集成電路互連總線等等。 3.適用性強本發明采用FBC0409現場總線通信控制器，可以基于同一硬件運行 兩種總線協議。 4.高性能本發明采用32位微處理器，在運行速度上比國外同類產品高30%以 上。 5.低成本由于本發明采用自行設計的現場總線通信控制器，徹底解決了對國外 廠商的依賴。
圖1是本發明的電路結構框圖。 圖2是圖1中總線信號濾波電路原理圖。 圖3是圖1中總線電壓信號調制電路原理圖。 圖4是圖1中總線供電/電流調制電路的前級穩壓器原理圖。 圖5是圖1中總線供電/電流調制電路的電流調制電路原理圖。 圖6是圖1中總線供電/電流調制電路的二級和三級穩壓器原理圖。 圖7是圖1中微處理器及外圍電路的原理框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。 如圖l所示，本發明包括總線信號濾波電路、總線供電/電流調制電路、總線電壓 信號調制電路、現場總線通信控制器、主控電路。對外接口有總線接口、電源輸出、儀表卡通 信接口、顯示接口。其連接關系總線信號濾波電路、總線電壓信號調制電路、現場總線通信 控制器和主控電路由總線供電/電流調制電路供電，總線信號濾波電路的輸入端通過總線 接口接收總線上的信號，輸出信號為經過濾波和整形的數字信號，經現場總線通信控制器 解碼后給主控電路；同時主控電路的輸出經現場總線通信控制器編碼后輸出到總線電壓信 號調制電路。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，總線信號濾波電路為一階帶通濾波器與施密特遲滯比較器串聯結構，其中第四運算放大器U4A與第11電阻R11、第13電阻R13、第21電容C21、第25電容C25構 成的一階帶通濾波器，總線信號FFVin+從第13電阻R13輸入，從第四運算放大器U4A的1 腳輸出(采用AD8542，工作在反向放大模式)。第七運算放大器U7與第9-10電阻R9-R10、 第22電容C22構成施密特遲滯比較器，遲滯比較器的門限電壓為50mV。第七運算放大器 U7采用TLV2371，工作在遲滯比較器模式。遲滯比較器的輸出是經過濾波和整形的數字信 號，由現場總線通信控制器進行解碼。 參見圖3，總線電壓信號調制電路由電平遷移、三態變換、整形電路組成。電平遷 移采用數字隔離器Ul實現，數字隔離器Ul采用ADUM1200，該芯片采用片內為變壓器隔離 技術，可以在很低的功耗下達到很高的傳輸速度，同時也不需要使用電阻調節，簡化了電 路。數字隔離器Ul將現場總線通信控制器輸出的2個數字信號PO-TACT、PO-PHPDU遷移到 總線供電/電流調制電路的前級穩壓器的地電位。三態變換電路由2選1模擬開關U2實 現。模擬開關U2采用LVC1G3157，當PO-TACT為低電平時，模擬開關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分壓產生。當PO-TACT為低電平 時，模擬開關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U2輸出為高電平(3.3V)，P0-PHPDU為低電平(0V)，模擬開關U2輸出為低電平(0V)。最 后由整形電路對模擬開關U2輸出的三態信號進行整形，使信號的邊沿斜率滿足總線信號 的要求。整形電路由第三運算放大器U3B、第1、2電阻R1、R2及第1電容C1組成，第三運 算放大器U3B采用AD8542，工作在反向器模式，對模擬開關U2的輸出信號進行反向，第1電 容C1用于調節波形的邊沿速率。整形后的信號由第三運算放大器U3B的7腳輸出給電流 調制電路。 總線供電/電流調制電路由前級穩壓器，電流調制電路和二級和三級穩壓器構 成，其中 參見圖4，總線供電/電流調制電路的前級穩壓器由低壓差三端穩壓器U5構成， 總線上的電壓信號經過第12電阻R12、第15電容C15濾波，給低壓差三端穩壓器U5(采用 SPX1121M3-3. 3)供電，低壓差三端穩壓器U5將電壓穩壓成3. 3V，供總線電壓信號調制電路 和電流調制電路使用。 參見圖5，總線供電-電流調制電路的電流調制電路由第三運算放大器UA3和第一 晶體管Ql、第一穩壓二極管Dl及阻容元件組成，電流調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遠遠大于第14電阻R14，所以電流調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。
電流調制電路輸出電流的計算公式為
1= (3. 3XR6/R8+VC0NXR6/R3)/R14 其中VCON為總線電壓信號調制電路中整形電路輸出的電壓信號；
當總線處于接收狀態時，VCON = 1. 65V，總線的靜態電流為
Iq = (3. 3 X R6/R8+1. 65 X R6/R3) /R14 = 13. 9mA ; 當總線處于發送狀態時，VCON變化范圍為0 3. 3V，所以總線電流的變化范圍 為 Id = 3. 3XR6/R3/R14 = 16. 5mA。
另外，第一穩壓二極管Dl (采用3. 3V穩壓管，位于第一晶體管Ql集電極與電源 FFVin之間)還可以對第一晶體管Ql的集電極輸出電流穩壓后給儀表卡供電。
參見圖e，總線供電-電流調制電路的二級和三級穩壓器由并聯穩壓電路和串聯 穩壓電路組合而成。二級穩壓電路為并聯型，采用并聯穩壓芯片穩壓，穩壓電路由穩壓模塊 U9、第17、20電阻R17、R20組成。穩壓模塊U9采用TLV431，電路的穩壓值為3. 6V。并聯穩 壓電路除了穩壓功能外，還可以吸收掉電流調制電路多余的輸出電流。三級穩壓器為串聯 型，穩壓電路由U6完成，U6采用S818，穩壓值為3. 3V。三級穩壓器U6主要作用是去除二 級并聯穩壓電路由于電流調制電路的電流變化造成的電壓波動的影響。二級和三級穩壓器 接收電流調制電路的輸出電流，穩壓后輸出至主控制電路。 參見圖7，主控電路由微處理器CPU，靜態數據存儲器SRAM，非易失性數據存儲器 EEROM組成。 微處理器CPU采用AT91SAM7SE512，ARM7內核。該微處理器CPU內部含有豐富的資 源，包括512k程序存儲器FLASH, 16k靜態數據存儲器SRAM(容量較小，所以需外部擴充)、 定時器、通用I/O 口、調試接口 JTAG、通用異步收發器UART、串行外設接口 SPI、集成電路互 連總線12C等豐富的硬件資源，只需要少量的外圍硬件就可以實現豐富的功能。內部程序 存儲器FLASH用來存放通信控制程序(為現有技術，不是本發明要點)；微處理器CPU通過 調試接口 JTAG進行調試、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 方式進行通信。比如根據儀表卡的不同，可以采用異步收發器UART、串行外設接口 SPI、 集成電路互連總線12C、自定義協議(采用通用I/O 口仿真)等，只需要修改軟件(現有技 術)就可以了。 本發明中，僅擴充了一片靜態數據存儲器SRAM和一片非易失性數據存儲器 EEPROM，分別用于臨時數據的存儲和掉電非易失性數據的存儲。靜態數據存儲器SRAM與 CPU通過微處理器CPU的內存接口連接，靜態數據存儲器SRAM采用CY62146，容量為512k 字節，16位數據總線。非易失性數據存儲器EEPROM采用24AA256，容量為32k字節，通過集 成電路互連總線I2C方式與微處理器CPU通信。 所述現場總線通信控制器，具有基金會現場總線物理層和部分鏈路層功能，符合 IEC 61158-2規范的中現場總線物理層標準。所述現場總線通信控制器內部集成了 l個4k S廳。 采用本發明可以實現基于同一硬件(即本發明本身)就可以運行Foundation Fieldbus協議又可以運行Profibus PA協議之目的，特別是具有低成本的特點。
權利要求
一種現場總線通信卡，其特征在于基于FBC0409現場總線控制器，用于接收濾波和整形后的數字信號，輸出解碼后數字信號，及對發送的數據進行編碼，還包括-總線信號濾波電路，接收總線上的信號，輸出濾波和整形后的數字信號；-總線電壓信號調制電路，接收現場總線通信控制器輸出的編碼后數字信號，轉換為與總線信號波形相對應的電壓信號；-主控電路，與現場總線通信控制器通訊，并采用通用異步收發器UART、串行外設接口SPI、集成電路互連總線I2C等方式與其他外部傳感器、執行器配套的儀表卡進行通信，從而實現傳感器的數據采集或控制執行器的動作以及更復雜的數據交換；-總線供電/電流調制電路，從總線取電并為總線信號濾波電路、主控電路、現場總線通信控制器和總線電壓信號調制電路供電，同時接收總線電壓信號調制電路的電壓信號，將電壓信號轉換為電流信號。
2. 按照權利要求1所述現場總線通信卡，其特征在于所述總線信號濾波電路為一階 帶通濾波器與施密特遲滯比較器串聯結構，其中遲滯比較器的輸出經過濾波和整形的數 字信號至現場總線通信控制器。
3. 按照權利要求1所述現場總線通信卡，其特征在于所述總線電壓信號調制電路由 電平遷移、三態變換、整形電路組成，電平遷移采用具有變壓器隔離技術的數字隔離器實 現，將現場總線通信控制器輸出的數字信號遷移到總線供電_電流調制電路的前級穩壓器 的地電位；然后由三態變換電路將數字信號轉換為與總線信號相應的三態信號；整形電路 接收三態變換電路輸出信號，對三態信號進行整形，使信號的邊沿斜率滿足總線信號的要 求輸出信號送至電流調制電路。
4. 按照權利要求3所述現場總線通信卡，其特征在于所述三態信號包括高電平、低電 平和中間電平三種狀態；所述三態變換電路采用2選1模擬開關。
5. 按照權利要求3所述現場總線通信卡，其特征在于所述整形電路工作在反向器模式。
6. 按照權利要求1所述現場總線通信卡，其特征在于所述主控電路包括 -微處理器(CPU)，內含程序存儲器(FLASH);-靜態數據存儲器(SRAM)，與微處理器(CPU)通訊，存儲運行的臨時數據； -非易失性數據存儲器(EEROM)，與微處理器(CPU)通訊，存放設定的信息參數。
7. 按照權利要求1所述現場總線通信卡，其特征在于所述總線供電/電流調制電路包括前級穩壓器，輸入總線上的電壓信號，前級穩壓器的輸出用于對總線電壓信號調制電路和電流調制電路供電；采用線性低壓差類型；電流調制電路，通過電流計算公式，對二級穩壓器供電；二級和三級穩壓器，由并聯穩壓電路和串聯穩壓電路組合而成；其中二級穩壓器為 并聯穩壓器類型穩壓器，其輸出提供給三級穩壓器進行穩壓，還用于吸收掉電流調制電路 多余的輸出電流；三級穩壓器為串聯型，采用線性低壓差類型穩壓器，用于去除二級并聯穩 壓電路由于電流變化造成的電壓波動的影響；三級穩壓器輸出給主控電路、總線信號濾波 電路、現場總線通信控制器供電。
8. 按照權利要求7所述現場總線通信卡，其特征在于所述總線供電/電流調制電路在不減少內部電路可用的供電電流情況下，為儀表卡提供獨立供電電源。
全文摘要
本發明涉及自動控制領域，具體公開一種現場總線通信卡，它基于FBC0409現場總線控制器，用于對現場總線數據進行編碼和解碼，還包括接收總線信號的總線信號濾波電路；將編碼后數字信號轉換為與總線信號波形相應的電壓信號的總線電壓信號調制電路；與現場總線通信控制器及其他外部設備通訊的主控電路；及總線供電/電流調制電路。本發明解決了目前國內無法開發Foundation Fieldbus及PROFIBUS PA現場總線通信卡的現狀，擺脫了對進口現場總線儀表的依賴，具有基于同一硬件可運行Foundation Fieldbus和Profibus PA兩種總線協議、低成本等的特點。
文檔編號H04L12/28GK101729339SQ20081022848
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月31日 優先權日2008年10月31日
發明者于海斌, 康凱, 林躍, 王宏, 趙海燕 申請人:沈陽中科博微自動化技術有限公司