1 引言
現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的重要特點(diǎn)是總線供電,?？偩€供電是指儀表從傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)總線上獲取維持其工作所需的電源。而無(wú)需本地電源供電,。但由總線供電的儀表具有較嚴(yán)格的功耗約束和復(fù)雜的系統(tǒng),，設(shè)計(jì)可在10 mA下工作的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表仍具有挑戰(zhàn)性,。這里提出一種基于SIMl-2的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表電路設(shè)計(jì)方案。
2 媒體結(jié)合單元(MAU)
典型的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表由媒體結(jié)合單元MAU(Medium Attachment Unit),、數(shù)字系統(tǒng),、A／D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路和傳感器組成,。其中MAU電路通常與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)圓形線路板上,，因此又稱(chēng)為“通訊圓卡”,。
MAU電路分為總線供電和非總線供電兩種類(lèi)型,，主要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)與傳輸介質(zhì)上的物理信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，總線供電的MAU電路用于從總線吸收電流,，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的工作電源,。而早期集成的MAU電路性能差，功耗較大,。其設(shè)計(jì)思想是片內(nèi)集成易于集成的器件(如運(yùn)算放大器,、DC／DC變換器和基準(zhǔn)源等)，而較大數(shù)值的電阻,、電容和較大功率的電流調(diào)整管等器件仍使用分立元件,。MAU電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)是在滿(mǎn)足各項(xiàng)性能指標(biāo)的前提下降低其自身的工作電流以提高能量利用率。而西門(mén)子公司的SIMl-2是新型的集成化的MAU電路,。
3 SIM1-2器件主要功能與使用
SIMl-2(Siemens IEC MAU)西門(mén)子現(xiàn)場(chǎng)總線MAU器件采用符合IEC61158—2的曼徹斯特碼技術(shù),，最大數(shù)據(jù)傳輸速率31．25 Kbit／s，采用SMD housing MLPQ40封裝,，器件尺寸小,。SIMl-2的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
SIMl-2支持所有發(fā)送與接收功能,，吸收總線上附加電源電流并具有高阻特性,，采用兩種穩(wěn)壓電源供電并允許電源具有電隔離。SIMl-2具有以下主要功能：支持所有發(fā)送和接收功能,；對(duì)來(lái)自總線的能量起到高阻抗退耦作用：可連接所有曼徹斯特碼編解碼器,，符合IEC61158-2的曼徹斯特碼技術(shù)；MAU器件和通訊控制器之間集成接口邏輯,，降低電流消耗,；為用戶(hù)提供穩(wěn)定的輸出電壓，電壓設(shè)置范圍2~5 V(誤差+3％),，可用電流最高可達(dá)50 mA,；閑聊(JABBER)禁止。其接口邏輯是指從該器件到通訊控制器的接口,，采用以下3種不同的工作模式：
(1)不采用電流式隔離 如果特殊應(yīng)用的器件的總線接口無(wú)需電流式隔離,，此時(shí)使使能信號(hào)GIM為低電平,。接收和發(fā)送信號(hào)未經(jīng)處理和轉(zhuǎn)換而通過(guò)。其電路如圖2所示,。
(2)光耦隔離 為了得到數(shù)據(jù)和相關(guān)信號(hào)的線性電流式隔離,，使用不同的隔離器件和隔離電路。常用方法是在每個(gè)信號(hào)端(TxS,，TxE,，RxS，RxA)放置光耦,，如圖3所示,。
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(3)功率隔離 使用功率隔離只需2個(gè)光電耦合器，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為脈沖調(diào)制信號(hào),，如圖4所示,。此時(shí)使能信號(hào)GIM為高電平。
SIMl-2器件不僅能為內(nèi)部器件提供電源供給,，滿(mǎn)足電路自身的消耗,，還可根據(jù)用戶(hù)需要為其提供穩(wěn)定的電源電壓。其電路如圖5所示,。
圖5中,，穩(wěn)壓器W1產(chǎn)生的VCCD／VCCA作為數(shù)字電路和模擬電路的供電電壓。穩(wěn)壓器W2從恒定電流中產(chǎn)生穩(wěn)定電壓VE,，而無(wú)需通過(guò)外部負(fù)載直接流向地,。穩(wěn)壓器W3產(chǎn)生VREC，為外部應(yīng)用元件進(jìn)行無(wú)漂移電源供給,，可驅(qū)動(dòng)最大50 mA的負(fù)載,。在打開(kāi)外部電子設(shè)備供電后，不能立即使用VE,，這樣將破壞SIMl-2的啟動(dòng),。SIMl-2啟動(dòng)后，由RESETXN指示對(duì)外部設(shè)備供電,，如果VE降到80％以下,，DC／DC轉(zhuǎn)換器調(diào)制關(guān)斷，只有當(dāng)VE達(dá)到92％以上才能重新工作,。
DC／DC轉(zhuǎn)換器采用電壓轉(zhuǎn)換模式,，使能信號(hào)VCM為高電平時(shí)，DC／DC轉(zhuǎn)換器控制輸出Sl,，S2,；VCM為低電平時(shí)，輸出S1，S2用高阻替換,。DC／DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)開(kāi)關(guān)S1和S2,，對(duì)固定負(fù)載的供電進(jìn)行推挽式轉(zhuǎn)換。在推挽式電路中,，兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通,，在繞組W1’和W2’兩端分別形成相位相反的交流電壓。Sl導(dǎo)通時(shí),，二極管VD9處于通態(tài),，S2導(dǎo)通時(shí)。二極管VDIO處于通態(tài),。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí),，二極管VD9和VDIO都處于通態(tài)。如果Sl和S2同時(shí)處于通態(tài),，就相當(dāng)于變壓器一次繞組短路,。因此，必須避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,，每個(gè)開(kāi)關(guān)各自的占空比不能超過(guò)50％，并且要留有死區(qū),。
閑聊(JABBER)禁止功能是指節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),，中斷數(shù)據(jù)流以避免整個(gè)網(wǎng)絡(luò)阻塞。如果信息時(shí)間超過(guò)120～240 ms,，傳輸將會(huì)中斷,，同時(shí)RxS數(shù)據(jù)和RxA信號(hào)到節(jié)點(diǎn)的傳輸也被禁止；1．5~4．5 s后,，禁止被取消,。[next]
圖6為SIMl-2器件的典型應(yīng)用電路。該系統(tǒng)采用ARM核單片機(jī)STM32Fl0lRDT6作為信號(hào)和協(xié)議的主要處理器件,，該款單片機(jī)引腳數(shù)目少,，器件體積小。外掛EEPROM用于存儲(chǔ)用戶(hù)定義的信息,?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器FBC0409收發(fā)符合FF總線物理層標(biāo)準(zhǔn)的總線信號(hào)，單片機(jī)接收及發(fā)送FF總線數(shù)據(jù)通過(guò)其轉(zhuǎn)換,。MAU部分主要由SIMl—2器件完成,。該部分還包括少量總線接口電路。圖6中的復(fù)位電路和4 MHz晶振用于給STM32F101RDT6單片機(jī)和FBC0409提供復(fù)位信號(hào)及系統(tǒng)時(shí)鐘,。SIMl-2使用單獨(dú)的2 MHz晶振時(shí)鐘,。另外，STM32F101RDT6單片機(jī),、FBC0409,、SRAM,、EEPROM及傳感器電路的電源由低壓差穩(wěn)壓片(LDO)提供，而LDO的電源來(lái)自MAU電路(間接來(lái)自總線),。即所有電源均由總線提供,，系統(tǒng)無(wú)需外接電源。各個(gè)器件的連接方式可直接參照數(shù)據(jù)手冊(cè),。接收數(shù)據(jù)時(shí),，通信控制器FBC0409通過(guò)SIMl—2接收來(lái)自FF總線的數(shù)據(jù)幀，提取出數(shù)據(jù)字段供上層進(jìn)一步處理并保存到接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，CPU訪問(wèn)后將這些數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī),。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)將發(fā)送數(shù)據(jù)交付給通信控制器FBC0409,，并保存到發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，在接到令牌后將其轉(zhuǎn)為曼徹斯特碼，通過(guò)MAU單元發(fā)送到FF總線上,。
總線供電的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于解決功耗與處理速度和處理能力之間的矛盾,。由于系統(tǒng)電路本身的消耗和接口電路的需要，供給單片機(jī),，通訊控制器,，MAU電路使用的電能很有限。因此器件選型尤為重要?，F(xiàn)場(chǎng)總線的軟件比較復(fù)雜龐大,，單片機(jī)必須要有足夠的尋址空間。ARM核單片機(jī)STM32F101RDT6其片上擁有384 KB Flash存儲(chǔ)器,、48KB SRAM,，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)尋址能力的要求。通訊控制器采用FBC0409,，可滿(mǎn)足高性能基金會(huì)總線網(wǎng)絡(luò)主,、從設(shè)備的使用要求，也適用于PROFIBUS—PA總線的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,。FBC0409內(nèi)置4 KB數(shù)據(jù)RAM和DMA控制器,，數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送,、地址表的查找均無(wú)需CPU,，大大減輕CPU負(fù)擔(dān)，滿(mǎn)足處理速度的要求,。對(duì)于MAU電路,，除了要求較高質(zhì)量的傳輸信號(hào)外，還必須能高效率從總線上獲取能量以維持儀表工作。西門(mén)子現(xiàn)場(chǎng)總線MAU器件SIMl—2不僅能滿(mǎn)足以上性能指標(biāo),，而且工作電流的利用率較高,，自身功耗小。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹一種新型的媒體結(jié)合單元電路器件SIMl-2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、主要功能和系統(tǒng)應(yīng)用,。在應(yīng)用系統(tǒng)中，用SIMl—2器件替代分立元件,，有效地減小器件面積,，而且SIMl-2具有較高的傳輸質(zhì)量，能夠降低其自身的工作電流提高利用率,。通信控制器FBC0409將RAM集成到器件內(nèi)部,，減少線路板連線。單片機(jī)STM32F101RDT6引腳數(shù)目少,，減小了器件體積,，節(jié)約設(shè)計(jì)空間?？傊?，使通訊圓卡在器件數(shù)量和功能上相比原來(lái)的電路都有明顯提高。