包偉華，章俊輝，夏飛，孫波

（1.上海電力學院自動化工程學院，上海200090;

2.上海自動化儀表股份有限公司技術中心，上海 200070）

溫度變送器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，工業(yè)中被廣泛應用于對溫度的測量與控制.現(xiàn)代工業(yè)要求對工業(yè)過程進行精密控制，需要通過設置多個溫度測點來檢測溫度，使其性能達到最佳.然而這些溫度測點的設置通常比較傳統(tǒng)，需要分別安裝測量儀表，進行調試與提供維護.

經(jīng)過市場調研發(fā)現(xiàn)，國外生產(chǎn)的溫度變送器多數(shù)均支持多通道溫度采集，并且已經(jīng)完全智能化和數(shù)字化，可以根據(jù)用戶或系統(tǒng)的要求，選擇傳統(tǒng)的4～20 mA模擬通信技術，或使用包括Profibus和FF在內的多種現(xiàn)場總線通信技術.國內生產(chǎn)的溫度變送器大多不支持多通道溫度采集，或僅支持HART通信協(xié)議.目前，Profibus-PA協(xié)議產(chǎn)品有較高市場占有率和良好市場前景，在此環(huán)境下，對基于Profibus-PA的多通道溫度變送器進行設計和研究，具有重要的現(xiàn)實意義.Profibus-PA現(xiàn)場總線專為過程自動化設計，通過段耦合器或者鏈接器接入到DP網(wǎng)絡中，在保持DP通信協(xié)議的基礎上，優(yōu)化傳輸技術.PA在現(xiàn)場設備的規(guī)劃、電纜敷設、調試、投入運行和維護方面可節(jié)省成本，并可提供多功能和安全性.［1］在目前的各類現(xiàn)場總線技術中，只有Profibus與FF協(xié)議考慮了本安特性，而相較于FF協(xié)議，Profibus協(xié)議在過程自動化領域更加成熟，應用更為廣泛.它只需通過一根雙絞線就可既傳送信息又向現(xiàn)場設備供電，并且不再需要絕緣裝置和隔離裝置.［2］

本文所設計的多通道溫度變送器安裝在被監(jiān)測設備附近，取代傳統(tǒng)的單點連線、低成本單通道輸入變送器和多路轉換器的溫度測量方法，同時采集8路溫度信息，并通過PA現(xiàn)場總線將信息傳送到上位控制系統(tǒng)中.該設計減少了用戶的使用步驟、降低了復雜性、提高了操作效率，同時可簡化工廠過程架構，降低工業(yè)成本.

1 Profibus-PA現(xiàn)場總線技術

圖1 系統(tǒng)結構示意

Profibus-PA的物理層符合IEC 61158-2傳輸技術，傳輸速率為31.25 kB/s.該傳輸技術可以滿足化工、石化等工業(yè)要求，設備在危險區(qū)域可進行帶電操作（測量和校正）和拔插;耗電量較大的設備（四線制）可通過單獨現(xiàn)場電源供電;低功耗的現(xiàn)場設備（壓力或溫度變送器）可以由兩線制總線供電，并傳送數(shù)字信號，保證其本質安全.［3］

PA的數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特編碼，其技術特點為：在每一比特時間內，有一次信號電平的跳變，前半個時間段為比特值本身，后半個時間段為比特值的反碼，即0到1的跳變作為邏輯0，1到0的跳變作為邏輯1，以此便可攜帶同步信息，且無需再另外傳送同步信號.另外，該編碼中的正、負電平各占一半，當信號本身不存在直流分量時，信號傳輸不會造成電纜上的基本電平發(fā)生變化.［4］

在PA網(wǎng)絡架構中，只有段耦合器才能向導線輸出功率，所有其他站點（現(xiàn)場儀表和總線終端電阻）只消耗功率.每臺儀表平均至少消耗10 mA電流，以此作為設備基本電流.設計時以不超出10 m A的能耗為最佳，否則可連接的儀表數(shù)量將會減少.［5］由PA網(wǎng)絡引起的延遲約為960 ms.可通過減小信號獲取時間和周期、保持模擬輸入輸出塊的執(zhí)行與PA網(wǎng)絡通信同步等方式減小此延遲.另外，PA協(xié)議并不支持總線設備功能塊的執(zhí)行與網(wǎng)絡通信保持同步，這就對硬件設備提出了更高的要求.［6］

2 設計方案

本設計方案包括信號采集、ARM處理平臺、系統(tǒng)電源和通信系統(tǒng)4個部分，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示.

2.1 信號采集部分

本設計采集8路溫度信息，分別為4路熱電阻（RTD）信號和4路熱電偶（TC）信號.其中熱電阻測溫不使用電流源激勵，而采用三線制橋式測溫電路，其工作原理如圖2所示.

圖2 三線制橋式測溫原理

圖2中，Rx為待測熱電阻，r為引線內阻，R1，R2為精密電阻，且R1=R2，Us為電源電壓.當Rx=R3時，電橋平衡，壓差信號U0為零.相比于兩線制測溫，此電路能很好的減小引線內阻帶來的影響，使得熱電阻測量更為精確.

熱電偶測溫需要考慮冷端補償問題，由于本方案采用的AD芯片提供內部冷端補償，在PCB設計時，需要將AD芯片盡量安排在電路板邊緣，以降低補償溫度誤差，使得熱電偶測溫更加準確.本設計通過上位機組態(tài)選擇溫度傳感器類型（熱電阻或熱電偶）以及型號（Pt100熱電阻或不同分度號的熱電偶）.

濾波電路采用經(jīng)典的LRC低通濾波，以屏蔽工業(yè)現(xiàn)場的干擾信號，具體參數(shù)選擇需要綜合考慮濾波器的截止頻率和響應時間.截止頻率可以根據(jù)幅頻響應曲線得到，即為使得輸出信號降至最大值的0.707倍的頻率.響應時間可以根據(jù)階躍響應曲線得到.

考慮到本設計采用的AD芯片其參考電壓由內部提供，且芯片內部提供的最大放大倍數(shù)為16倍，為提高測量精度，需要采用外部信號放大電路.放大倍數(shù)的選擇根據(jù)AD芯片所提供的參考電壓范圍，以將前端電壓信號放大到盡量覆蓋此范圍內作為標準，即不同類型的熱電阻或熱電偶具有不同的放大倍數(shù).根據(jù)經(jīng)驗，覆蓋范圍可定為參考電壓范圍的0.7倍.本設計采用兩級放大，硬件電路先將電壓信號放大8倍，再根據(jù)具體測量類型，通過AD芯片的控制字，軟件選擇合適的放大倍數(shù).為避免出現(xiàn)過多的放大倍數(shù)，可根據(jù)熱電阻和熱電偶的溫度/電壓特性曲線，將電壓值劃分為幾個區(qū)間，再根據(jù)區(qū)間進行放大.

以Pt100熱電阻為例，其溫度跨度為－200～850℃，電阻跨度為18.52～390.48Ω.AD芯片的參考電壓為2.048 V.根據(jù)上述測溫電路，計算出壓差信號在0～83.75 mV之間，可知放大倍數(shù)選擇16倍比較合適.通過硬件將電壓信號放大8倍后，再通過AD芯片選擇放大2倍即可實現(xiàn).

通道與通道之間的切換采用8選1的多路選擇開關，通過CPU對選擇開關的A，B，C 3個二進制輸入端和INH禁止端的控制選擇采樣通道.

2.2 ARM處理平臺

本方案所設計的多通道溫度變送器的CPU采用以ARM 7TDM I為內核的低功耗、高性能微處理器.ARM處理器具有體積小、低功耗、低成本的特點.ARM 7TDM I是基于ARM體系結構的V4版本，目前屬于比較低端的ARM核，在工業(yè)設備中具有廣泛的應用.ARM 7TDM I使用流水線以提高處理器指令的流動速度，流水線允許幾個操作同時進行，以及處理和存儲系統(tǒng)的連續(xù)操作.［7］

本設計所使用的CPU為高性能32位RISC架構，擁有256 kB的內部高速閃存，支持3～20 MHz的晶振頻率，含有兩組USART接口與一組SPI接口等符合本設計要求的特點.同時，所選的CPU包含3個PIO控制器，88個可編程I/O，避免了因I/O不足而需要加入鎖存電路.

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CPU還需要外接一個看門狗電路，當CPU發(fā)生故障、程序跑飛時，提供一個復位信號給CPU，同時也可為CPU提供一個EEPROM，用來存儲掉電后需要保存的數(shù)據(jù)，比如組態(tài)信息、設備管理信息等.

2.3 系統(tǒng)電源

本設計由Profibus-PA總線負責供電.介質存取單元（MAU）電路是實現(xiàn)總線供電的關鍵，它負責從總線上獲取能量供內部使用，維持設備的正常工作，同時可以調制和解調信號，聯(lián)絡CPU與PA總線，其結構框圖如圖3所示.［8］本設計的MAU電路由專用芯片加外圍電路的方式組成.

本設計的總線供電/電流調制電路由前級穩(wěn)壓電路、電流調制電路和二級穩(wěn)壓電路組成.前級穩(wěn)壓電路采用線性低壓差三端穩(wěn)壓器，將輸出電壓轉變?yōu)? V.電流調制電路采用運算放大器將電路的輸出電流限制在12 m A左右，保證PA網(wǎng)絡的性能.二級穩(wěn)壓電路由并聯(lián)穩(wěn)壓電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路組成，可以穩(wěn)定輸出5V DC，為必要器件供電，保證運算放大器的線性工作空間，同時還可以吸收多余的輸出電流，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性.最后，通過DC/DC變換電路，將電壓降至3.3 V和1.8 V供其余器件使用.

圖3 MAU結構示意

2.4 通信系統(tǒng)

本設計采用Profibus-PA現(xiàn)場總線與上位系統(tǒng)之間進行通信.溫度變送器作為工業(yè)現(xiàn)場底層的監(jiān)測設備，在PA網(wǎng)絡中扮演著從站的角色，即只需要響應來自主站的讀取或寫入請求，不主動發(fā)送數(shù)據(jù).

進行Profibus-PA通信時，采用其協(xié)議芯片，可以自動檢測并調整數(shù)據(jù)傳輸速率，實現(xiàn)Profibus-PA的同步傳輸模式和電平轉換，從而簡化設計、縮短開發(fā)周期.此外，協(xié)議芯片還可以實現(xiàn)電源和信號之間的隔離，不需要再增加其余隔離電路，就可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性.常用的PA通信協(xié)議芯片有SPC4-2和DPC31.［9］

考慮到DPC31是一個帶處理器接口和集成處理器芯子（80C31核）的預處理通信芯片，附加的處理器芯子可用于其他應用程序.而SPC4-2是一個帶有不同控制器處理接口的預處理通信芯片.相比之下，SPC4-2雖然缺少集成C31芯，但由于其低功率管理特性，更適用于本質安全系統(tǒng)，所以本設計采用SPC4-2協(xié)議芯片，其連接示意圖如圖4所示.

SPC4-2采用Intel異步模式接法，即TYP（8）與MODE（23）硬件置低.數(shù)據(jù)總線DB0-DB7和地址總線AB0-AB9分別與CPU相連.中斷XINT（9）和復位RESET（36）分別與CPU外部中斷和復位端口相連.RTS（27），TXD（26），RXD（30）作為與MAU交換數(shù)據(jù)的通道，分別與其相連.

圖4 SPC4-2連接示意

3 結語

本文所設計的多通道溫度變送器通過靜電放電抗擾度（6 kV接觸放電、8 kV空氣放電）、射頻電磁場輻射抗擾度（試驗場強為10 V/m）、電快速瞬變脈沖群抗擾度（I/O信號、數(shù)據(jù)端口電壓峰值為1 kV，頻率為5 kHz，供電電源端口、保護接地端電壓峰值為2 kV，頻率為5 kHz）、工頻磁場抗擾度（磁場強度為10 A/m）4項EMC（電磁兼容）測試，以及串模與共模干擾測試.

在帶有現(xiàn)場總線的溫度變送器的基礎上加入多個通道，可以利用單協(xié)議棧，實現(xiàn)多通道測量，節(jié)約了工業(yè)成本.目前，國內生產(chǎn)的多通道溫度變送器，大多不支持現(xiàn)場總線技術，數(shù)據(jù)傳輸效率低，工業(yè)成本高.由此可見，對基于Profibus-PA的多通道溫度變送器進行研究具有重要的現(xiàn)實意義和工程價值.

［1］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，1999：238-306.

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［8］葉炳金.基于Profibus-PA現(xiàn)場總線的溫度變送器設計與實現(xiàn)［D］.上海：華東理工大學，2013.

［9］文莉輝.現(xiàn)場總線Profibus-PA從站技術研究及遠程I/O開發(fā)［D］.北京：北京化工大學，2009.

（編輯桂金星）