葉炳金 劉愛倫

(華東理工大學信息科學與工程學院，上海 200237)

0 引言

過程現(xiàn)場總線(Profibus)是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準，已陸續(xù)被批準納入歐洲標準EN 50170、國際標準IEC 61158的Type 3，并于2001年批準成為中國的行業(yè)標準［1］。近年來，Profibus技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，尤其是Profibus-PA技術(shù)，它解決了過程自動化中控制參數(shù)多、系統(tǒng)安全性要求高等問題。因此，國際廠商都爭先開發(fā)Profibus系列產(chǎn)品，應用范圍涵蓋了加工制造、過程和樓宇自動化等眾多領域。就國內(nèi)現(xiàn)狀而言，Profibus-DP產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，有不少國內(nèi)的企業(yè)實現(xiàn)了自主生產(chǎn);但是PA產(chǎn)品種類不夠豐富，國內(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)大多是由國外引進的，價格昂貴［2］。因此，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Profibus-PA溫度變送器能夠彌補國內(nèi)缺陷，提高企業(yè)競爭力，同時也為Profibus-PA其他產(chǎn)品的開發(fā)提供借鑒。

1 PA設備的特殊性

Profibus-PA是專為過程自動化設計的，是對Profibus-DP的擴展。由于PA具有自己的一些特殊性［3］，因此在設計PA設備時這些特征也成為設計的重點和難點。PA設備的傳輸特性符合IEC 1158-2的通信規(guī)程，能夠滿足本質(zhì)安全場合，這就要求設計PA設備首先必須實現(xiàn)低功耗。當設備收發(fā)數(shù)據(jù)信息時，不向總線供電，現(xiàn)場設備就像無源的電流吸收裝置，所以現(xiàn)場設備消耗的是常量穩(wěn)態(tài)的基本電流［4］，通常電流損耗不超過20 mA。

DP基本功能DPV0中定義了對循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?，卻不支持非循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸。但是對于一些復雜的設備，例如過程自動化的現(xiàn)場設備、智能化操作設備等，這些設備的參數(shù)常常在運行中才能穩(wěn)定，這就使得DPV0在應用中缺乏靈活性。在這種情況下DPV1應運而生，它是依據(jù)過程自動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，如設備的報警處理以及智能現(xiàn)場設備的可視化工作等。DPV1為Profibus-PA奠定了基礎。正是利用這一擴展功能，PA設備才得以實現(xiàn)由二類主站的在線操作，以及快速執(zhí)行循環(huán)通信任務和進行低優(yōu)先級非循環(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設備還必須實現(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、操作員終端的應用功能而定義的參數(shù)語法和語義。規(guī)定中描述了變送器、閥等過程控制中經(jīng)常使用的裝置。即對于像變送器這樣的設備，行規(guī)中規(guī)定了這類設備的功能特性及參數(shù)，制造商在設計產(chǎn)品時必須實現(xiàn)這些功能與參數(shù)描述［6］。只有同時遵循PA行規(guī)與PA協(xié)議規(guī)范的設備才能稱之為PA設備。

2 硬件設計

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。為了縮短開發(fā)周期，在物理層設計上采用了西門子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)安全場合;具有曼徹斯特編碼解碼器，可以通過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標準［7］。本文中SPC4-2通過請求發(fā)送信號RTS、數(shù)據(jù)發(fā)送信號TXS、數(shù)據(jù)接收信號RXS與MAU相連，MAU實現(xiàn)SPC4-2與總線間輸入輸出信號的轉(zhuǎn)換、提供總線供電以及電流調(diào)制。

在傳統(tǒng)的PA變送器設計中，通常將儀表卡和通信卡單獨設計，兩塊板卡之間通過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，而且也簡化了軟件部分的任務。但這同時也加重了CPU的負擔，所選用的CPU必須能夠擴展大量的外設，具有強大的處理能力，同時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，可以同時與多種外設相連;8級優(yōu)先級控制器，4個外部中斷，包括高優(yōu)先級低延遲的中斷請求，確保了報文的快速響應;內(nèi)置看門狗定時器，無需再進行外部擴展，可實現(xiàn)強制復位與可控重啟;另外還有3個定時器，可以同時使用，滿足程序使用的要求;256 kB的RAM空間，所以可不再擴展額外的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。本設計要求變送器精度為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、低溫漂帶隙基準電壓源，也可采用最多兩個外部差分基準電壓;另外它還具有可編程激勵電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產(chǎn)生器。所以對于熱電阻和熱電偶型輸入信號，均可以直接與A/D相連，不需要外部額外提供激勵電流源及參考電壓。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)低功耗的設計要求。芯片可以采用內(nèi)部或外部時鐘工作，適應2.7～5.25 V電源供電，額定溫度范圍為－40～125℃，符合標準中－20～70℃工作范圍的要求。

除了上述三個核心器件以外，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 溫度變送器硬件設計Fig.1 Hardware design of the temperature transmitter

3 軟件設計

PA溫度變送器軟件設計的主要任務可以分為三部分:首先要實現(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)的實現(xiàn);第二要實現(xiàn)溫度信號的采集與轉(zhuǎn)換，包括A/D采樣與數(shù)據(jù)處理;第三要實現(xiàn)變送器的組態(tài)。需要編寫設備描述程序。其中循環(huán)與非循環(huán)通信功能的實現(xiàn)以及溫度信號的采集與轉(zhuǎn)換是設計的重點。

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

SPC4-2內(nèi)部已經(jīng)集成了對數(shù)據(jù)交換、讀輸入、讀輸出服務的處理，其他如DPV0服務的從站診斷、參數(shù)設置以及DPV1的全部服務都要靠軟件來實現(xiàn)。

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

溫度信號采集與處理程序流程圖如圖3所示。

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

本文的溫度信號輸入設備有熱電阻與熱電偶兩種類型。其中，熱電阻產(chǎn)生的是電阻信號，需要啟動A/D內(nèi)部的激勵電流源來將電阻信號轉(zhuǎn)化為電壓信號;熱電偶產(chǎn)生的是電壓信號，A/D可以直接進行轉(zhuǎn)換，但是如果熱電偶需要冷端補償，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。采樣時首先要根據(jù)傳感器類型設置對應的采樣環(huán)境與采樣通道，然后再將采樣值根據(jù)標定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應的電阻或電壓值，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實現(xiàn)這一過程，下面以熱電偶為例進行說明。首先根據(jù)標準分度表中電壓值與溫度值的對應關(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)間的兩個端點可以計算出直線的方程;將所有直線的斜率、偏移量、端點等數(shù)據(jù)集合在一起，以表的形式存儲在程序中。當輸入信號為電壓時，首先查找其所屬的區(qū)間，再根據(jù)本區(qū)間的線性關(guān)系式即可計算出相應的溫度值。

4 結(jié)束語

本文所設計的協(xié)議棧軟件經(jīng)過了Profibus-PA的一致性測試;將傳統(tǒng)的“儀表卡+通信圓卡”的設計合為一體，減少了硬件數(shù)量，降低了軟件復雜度;設備描述程序經(jīng)組態(tài)軟件導入，實現(xiàn)了對變送器的組態(tài)與監(jiān)控。通過測試，變送器對于各種類型的熱電偶及熱電阻輸入均滿足0.2%的精度標準。本產(chǎn)品經(jīng)過溫濕度、全脈沖、靜放電等試驗的測試，均達到了相應的標準，可以規(guī)模化生產(chǎn)。

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