Profibus-PA溫度變送器設(shè)計(jì)

葉炳金 劉愛(ài)倫

(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線(Profibus)是一種國(guó)際化的、開(kāi)放的、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，已陸續(xù)被批準(zhǔn)納入歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158的Type 3，并于2001年批準(zhǔn)成為中國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］。近年來(lái)，Profibus技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，尤其是Profibus-PA技術(shù)，它解決了過(guò)程自動(dòng)化中控制參數(shù)多、系統(tǒng)安全性要求高等問(wèn)題。因此，國(guó)際廠商都爭(zhēng)先開(kāi)發(fā)Profibus系列產(chǎn)品，應(yīng)用范圍涵蓋了加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。就國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀而言，Profibus-DP產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，有不少?lài)?guó)內(nèi)的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了自主生產(chǎn);但是PA產(chǎn)品種類(lèi)不夠豐富，國(guó)內(nèi)企業(yè)在這方面的研究起步較晚，技術(shù)積累不足，已有的PA產(chǎn)品核心技術(shù)大多是由國(guó)外引進(jìn)的，價(jià)格昂貴［2］。因此，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Profibus-PA溫度變送器能夠彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)缺陷，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為Profibus-PA其他產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 PA設(shè)備的特殊性

Profibus-PA是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，是對(duì)Profibus-DP的擴(kuò)展。由于PA具有自己的一些特殊性［3］，因此在設(shè)計(jì)PA設(shè)備時(shí)這些特征也成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。PA設(shè)備的傳輸特性符合IEC 1158-2的通信規(guī)程，能夠滿足本質(zhì)安全場(chǎng)合，這就要求設(shè)計(jì)PA設(shè)備首先必須實(shí)現(xiàn)低功耗。當(dāng)設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)信息時(shí)，不向總線供電，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就像無(wú)源的電流吸收裝置，所以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備消耗的是常量穩(wěn)態(tài)的基本電流［4］，通常電流損耗不超過(guò)20 mA。

DP基本功能DPV0中定義了對(duì)循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?，卻不支持非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸。但是對(duì)于一些復(fù)雜的設(shè)備，例如過(guò)程自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、智能化操作設(shè)備等，這些設(shè)備的參數(shù)常常在運(yùn)行中才能穩(wěn)定，這就使得DPV0在應(yīng)用中缺乏靈活性。在這種情況下DPV1應(yīng)運(yùn)而生，它是依據(jù)過(guò)程自動(dòng)化的需求而增加的功能，其不僅完善了DPV0的功能，并且增加了非循環(huán)的通信服務(wù)，如設(shè)備的報(bào)警處理以及智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可視化工作等。DPV1為Profibus-PA奠定了基礎(chǔ)。正是利用這一擴(kuò)展功能，PA設(shè)備才得以實(shí)現(xiàn)由二類(lèi)主站的在線操作，以及快速執(zhí)行循環(huán)通信任務(wù)和進(jìn)行低優(yōu)先級(jí)非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽?］。

除支持本質(zhì)安全與非循環(huán)傳輸功能以外，PA設(shè)備還必須實(shí)現(xiàn)PA行規(guī)。PA行規(guī)是為了協(xié)調(diào)變送器、執(zhí)行器和控制器之間以及到可視化終端、操作員終端的應(yīng)用功能而定義的參數(shù)語(yǔ)法和語(yǔ)義。規(guī)定中描述了變送器、閥等過(guò)程控制中經(jīng)常使用的裝置。即對(duì)于像變送器這樣的設(shè)備，行規(guī)中規(guī)定了這類(lèi)設(shè)備的功能特性及參數(shù)，制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必須實(shí)現(xiàn)這些功能與參數(shù)描述［6］。只有同時(shí)遵循PA行規(guī)與PA協(xié)議規(guī)范的設(shè)備才能稱(chēng)之為PA設(shè)備。

2 硬件設(shè)計(jì)

Profibus-PA溫度變送器主要由溫度采集模塊與通信模塊兩部分組成。在硬件選型時(shí)除了要滿足必要的功能外，還必須緊緊圍繞低功耗的要求。為了縮短開(kāi)發(fā)周期，在物理層設(shè)計(jì)上采用了西門(mén)子SPC4-2通信芯片。該芯片具有低功耗管理系統(tǒng)，特別適用于本質(zhì)安全場(chǎng)合;具有曼徹斯特編碼解碼器，可以通過(guò)3線或2線方式與介質(zhì)存取電路(medium access unit，MAU)相連，使傳輸符合IEC 1158-2標(biāo)準(zhǔn)［7］。本文中SPC4-2通過(guò)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)RTS、數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)TXS、數(shù)據(jù)接收信號(hào)RXS與MAU相連，MAU實(shí)現(xiàn)SPC4-2與總線間輸入輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換、提供總線供電以及電流調(diào)制。

在傳統(tǒng)的PA變送器設(shè)計(jì)中，通常將儀表卡和通信卡單獨(dú)設(shè)計(jì)，兩塊板卡之間通過(guò)串口或其他方式交換數(shù)據(jù)。本文將兩模塊合為一體，采用一塊CPU，不僅節(jié)省了硬件需求，而且也簡(jiǎn)化了軟件部分的任務(wù)。但這同時(shí)也加重了CPU的負(fù)擔(dān)，所選用的CPU必須能夠擴(kuò)展大量的外設(shè)，具有強(qiáng)大的處理能力，同時(shí)又要保證低功耗要求。

綜合上述分析，本文采用了ARM7TDMI內(nèi)核的AT91R40008微處理器，它擁有豐富的片內(nèi)資源:32位可編程I/O總線，可以同時(shí)與多種外設(shè)相連;8級(jí)優(yōu)先級(jí)控制器，4個(gè)外部中斷，包括高優(yōu)先級(jí)低延遲的中斷請(qǐng)求，確保了報(bào)文的快速響應(yīng);內(nèi)置看門(mén)狗定時(shí)器，無(wú)需再進(jìn)行外部擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制復(fù)位與可控重啟;另外還有3個(gè)定時(shí)器，可以同時(shí)使用，滿足程序使用的要求;256 kB的RAM空間，所以可不再擴(kuò)展額外的RAM。CPU的節(jié)能控制功能使芯片能夠保持較低的功耗，滿足PA溫度變送器本質(zhì)安全的要求。

溫度采集模塊的核心部件是A/D采樣控制器。本設(shè)計(jì)要求變送器精度為0.2%，為了保證精度的要求，選用了AD7794采樣控制器。AD7794是6通道、低功耗、24位Σ-Δ型ADC，內(nèi)置精密低噪聲、低溫漂帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可采用最多兩個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓;另外它還具有可編程激勵(lì)電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產(chǎn)生器。所以對(duì)于熱電阻和熱電偶型輸入信號(hào)，均可以直接與A/D相連，不需要外部額外提供激勵(lì)電流源及參考電壓。由于AD7794采樣控制器的典型功耗只有400 μA，因而其符合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)要求。芯片可以采用內(nèi)部或外部時(shí)鐘工作，適應(yīng)2.7～5.25 V電源供電，額定溫度范圍為－40～125℃，符合標(biāo)準(zhǔn)中－20～70℃工作范圍的要求。

除了上述三個(gè)核心器件以外，本文還選用了X25045芯片作為EEPROM，用于保存數(shù)據(jù);同時(shí)選用SST39VF160芯片作為Flash，用于裝載程序。硬件總體配置如圖1所示。

圖1 溫度變送器硬件設(shè)計(jì)Fig.1 Hardware design of the temperature transmitter

3 軟件設(shè)計(jì)

PA溫度變送器軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)可以分為三部分:首先要實(shí)現(xiàn)PA通信，包括循環(huán)與非循環(huán)的通信功能以及PA行規(guī)的實(shí)現(xiàn);第二要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，包括A/D采樣與數(shù)據(jù)處理;第三要實(shí)現(xiàn)變送器的組態(tài)。需要編寫(xiě)設(shè)備描述程序。其中循環(huán)與非循環(huán)通信功能的實(shí)現(xiàn)以及溫度信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

智能通信芯片SPC4-2芯片能夠自動(dòng)接收總線上的數(shù)據(jù)，并以中斷的方式通知CPU。因此，通信程序的任務(wù)就是對(duì)主站發(fā)送來(lái)的報(bào)文進(jìn)行解碼，識(shí)別源服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(source service access point，SSAP)和目的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(destination service access point，DSAP)，并根據(jù)SSAP判斷是循環(huán)還是非循環(huán)服務(wù)，再根據(jù)DSAP調(diào)用不同的功能［7－8］。在Profibus協(xié)議文本中，已對(duì)不同的SSAP和DSAP值代表的功能進(jìn)行了規(guī)定，是必須共同遵守的。如SSAP等于50表示循環(huán)服務(wù)，60表示非循環(huán)服務(wù)。在循環(huán)服務(wù)中，DSAP使用55～62來(lái)表示具體的功能;在非循環(huán)服務(wù)中，49表示調(diào)用非循環(huán)資源管理狀態(tài)機(jī)，48及以下表示調(diào)用非循環(huán)通信狀態(tài)機(jī)。

SPC4-2內(nèi)部已經(jīng)集成了對(duì)數(shù)據(jù)交換、讀輸入、讀輸出服務(wù)的處理，其他如DPV0服務(wù)的從站診斷、參數(shù)設(shè)置以及DPV1的全部服務(wù)都要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

作為從站，SPC4-2主要的通信關(guān)系包括與一類(lèi)主站的循環(huán)和非循環(huán)通信以及與二類(lèi)主站的非循環(huán)通信。在實(shí)際應(yīng)用中，由于非循環(huán)通信功能通常是由二類(lèi)主站使用的，一類(lèi)主站主要負(fù)責(zé)循環(huán)通信，因此本文只設(shè)計(jì)了循環(huán)傳輸?shù)腗SCY1S狀態(tài)機(jī)和非循環(huán)傳輸?shù)腗SAC2S、MSRM2S狀態(tài)機(jī)，而省略了從站與一類(lèi)主站的非循環(huán)通信功能。報(bào)文接收處理整體流程如圖2所示。

溫度信號(hào)采集與處理程序流程圖如圖3所示。

圖3 溫度信號(hào)采集與處理程序流程圖Fig.3 Progress flowchart of collection and processing of temperature signals

本文的溫度信號(hào)輸入設(shè)備有熱電阻與熱電偶兩種類(lèi)型。其中，熱電阻產(chǎn)生的是電阻信號(hào)，需要啟動(dòng)A/D內(nèi)部的激勵(lì)電流源來(lái)將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào);熱電偶產(chǎn)生的是電壓信號(hào)，A/D可以直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但是如果熱電偶需要冷端補(bǔ)償，同樣需要使用熱電阻。因此，兩者的工作環(huán)境與使用的采樣通道是不一樣的。采樣時(shí)首先要根據(jù)傳感器類(lèi)型設(shè)置對(duì)應(yīng)的采樣環(huán)境與采樣通道，然后再將采樣值根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電阻或電壓值，最后再變換成溫度值。

將電阻或電壓值轉(zhuǎn)換成溫度值的方法有很多種，如牛頓法、解析法、查表法等，本文采用了多段折線法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，下面以熱電偶為例進(jìn)行說(shuō)明。首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分度表中電壓值與溫度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，描繪出它們的關(guān)系曲線;根據(jù)曲線的平滑度，劃分出多個(gè)小區(qū)間，區(qū)間越小，則精度越高;將每一區(qū)間的曲線近似看作是直線，則根據(jù)區(qū)間的兩個(gè)端點(diǎn)可以計(jì)算出直線的方程;將所有直線的斜率、偏移量、端點(diǎn)等數(shù)據(jù)集合在一起，以表的形式存儲(chǔ)在程序中。當(dāng)輸入信號(hào)為電壓時(shí)，首先查找其所屬的區(qū)間，再根據(jù)本區(qū)間的線性關(guān)系式即可計(jì)算出相應(yīng)的溫度值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的協(xié)議棧軟件經(jīng)過(guò)了Profibus-PA的一致性測(cè)試;將傳統(tǒng)的“儀表卡+通信圓卡”的設(shè)計(jì)合為一體，減少了硬件數(shù)量，降低了軟件復(fù)雜度;設(shè)備描述程序經(jīng)組態(tài)軟件導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變送器的組態(tài)與監(jiān)控。通過(guò)測(cè)試，變送器對(duì)于各種類(lèi)型的熱電偶及熱電阻輸入均滿足0.2%的精度標(biāo)準(zhǔn)。本產(chǎn)品經(jīng)過(guò)溫濕度、全脈沖、靜放電等試驗(yàn)的測(cè)試，均達(dá)到了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，可以規(guī)?；a(chǎn)。

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