辛曉寧,李超

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870)

基于電流合成的現(xiàn)場總線發(fā)送電路設(shè)計

辛曉寧,李超

(沈陽工業(yè)大學 信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870)

文中給出了一種基于BCD350工藝的現(xiàn)場總線MAU芯片的恒流控制和信號發(fā)送電路設(shè)計方法。該電路可通過外部電阻設(shè)定靜態(tài)電流,并用過電流合成的方法實現(xiàn)對稱和非對稱發(fā)送模式自動轉(zhuǎn)換。HSPICE仿真表明,電路的恒流特性和發(fā)送信號波形滿足現(xiàn)場總線通信協(xié)議要求。

現(xiàn)場總線；MAU；發(fā)送電路；電流合成；通信協(xié)議

現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線［1-2］。介質(zhì)結(jié)合單元［3］（Medium Attachment Unit—MAU）負責內(nèi)部數(shù)字電路與總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及能量獲取?？偩€供電的儀表在空閑狀態(tài)下從總線上吸收恒定的電流,在發(fā)送信號時,通過改變從總線上獲取的電流,實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)字信號到總線信號的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)場總線通信協(xié)議［4］IEC1158-2對MAU電路的恒流特性及發(fā)送信號的波形均有嚴格要求,該電路是設(shè)計MAU芯片的關(guān)鍵。由于用戶對MAU芯片高性能、低功耗的需求和其芯片本身系統(tǒng)復雜性的原因,使其芯片集成設(shè)計存在諸多難點。國內(nèi)市場現(xiàn)有對介質(zhì)結(jié)合單元的設(shè)計產(chǎn)品還停留在由單片機結(jié)合分立器件組建其系統(tǒng)的階段,并沒有相應(yīng)的集成芯片產(chǎn)品。而國際市場上也僅有西門子生產(chǎn)的SIM1-2芯片能夠?qū)崿F(xiàn)MAU功能。因此,實現(xiàn)MAU的集成設(shè)計存在廣闊的市場空間。本文重點討論總線供電型MAU芯片中的恒流控制電路和發(fā)送電路的設(shè)計及實現(xiàn)方法。

1 電路功能、結(jié)構(gòu)及具體模塊的實現(xiàn)

1.1 MAU電路的設(shè)計需求

未進行數(shù)據(jù)傳輸時,芯片處于空閑狀態(tài),MAU從總線上吸取的恒定電流,稱為靜態(tài)電流,該電流也芯片的工作電流。MAU設(shè)計要求,總線靜態(tài)電流可由外部電阻決定,且滿足關(guān)系式:RIQ［MΩ］=0.05*IQ［mA］,100 kΩ≤RIQ≤2.5 MΩ。

在通信協(xié)議中規(guī)定,總線電流的擺幅必須設(shè)置在7.5～10 mA之間。信號擺幅過小,導致信號較弱,不利于信號的接收；而信號擺幅過大,會導致總線系統(tǒng)不穩(wěn)定,不利于現(xiàn)場總線上其他信號的傳輸。因此本次設(shè)計采用擺幅為±10mA的發(fā)送信號。

進行數(shù)據(jù)傳輸時,芯片處于發(fā)送狀態(tài),MAU以31.25 kHz的速率和典型值為±10 mA的擺幅改變從總線上吸取的電流來發(fā)送信號。發(fā)送狀態(tài)下,MAU存在對稱調(diào)制和非對稱調(diào)制兩種波形模式,（如圖1所示）。當靜態(tài)電流時,以值為中心值, ±10 mA擺幅,產(chǎn)生以值為中心對稱的信號波形,稱此時MAU處于對稱調(diào)制模式；反之稱為非對稱調(diào)制模式。非對稱調(diào)制模式的提出是為了緩解總線供電壓力,降低芯片自身的功耗,使MAU芯片工作電流小于10 mA時仍能實現(xiàn)信號的發(fā)送。

圖1 MAU兩種波形模式Fig.1 Two waveform modes of MAU

1.2 總體結(jié)構(gòu)和各模塊基本功能

發(fā)送電路設(shè)計基于BCD350工藝,按照MAU芯片功能及通信協(xié)議要求,其系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示,實現(xiàn)控制MAU對總線電流的吸取,最終達到信號發(fā)送的目的。

為實現(xiàn)芯片的啟動,并順利進入穩(wěn)定的工作狀態(tài),設(shè)計了如圖2所示的由恒流源IS1和IS2、穩(wěn)壓管D0、耐壓40 V耗盡型MOS管M0和M1組成的啟動電路。起到初始穩(wěn)壓源的作用,在啟動時提供約為5 V電壓。當芯片系統(tǒng)逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)時,穩(wěn)壓電路提供電壓VE約為6.3 V,啟動模塊不再提供工作電流。因此系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后,啟動電流I0會變得很小,可忽略不計。

圖2 MAU發(fā)送電路的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System circuit diagram of MAU transmitter

由閉環(huán)網(wǎng)絡(luò),達到保證總線恒定電流的目的。通過將波形設(shè)置單元的電流合成信號加入反饋網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)電路對總線電流吸收的控制,達到控制信號發(fā)送的目的。

1.3 總線靜態(tài)電流的實現(xiàn)

電流檢測對實現(xiàn)電流反饋閉環(huán)控制和系統(tǒng)保護來說很重要。低端電流檢測雖然易于實現(xiàn),但會導致系統(tǒng)穩(wěn)定性差。為實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,采用高端電流檢測［5-6］。應(yīng)用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓法解決高端電流檢測帶來的高共模輸入信號問題。電流反饋閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Closed loop diagram

圖3 中,RSENSE是阻值為10 Ω的外接檢測精確電阻。設(shè)計中r阻值很大,確保流經(jīng),R3電阻電流較小,可忽略不計。根據(jù)電路可知,

由圖2可知電路總線電流大小為,

根據(jù)公式（2）,合理設(shè)計電壓值,即可控制空閑狀態(tài)時靜態(tài)總線電流值；周期性改變幅值,即可實現(xiàn)總線電流的變化,實現(xiàn)的信號發(fā)送。

1.4 電流合成單元

由圖1可以看出信號發(fā)送時,會出現(xiàn)3種檔位電流值。結(jié)合公式（1）,需要設(shè)計出至少3個可選擇檔位的電壓值,才能實現(xiàn)信號的發(fā)送。

傳統(tǒng)實現(xiàn)電壓變化的方式如圖4所示,由選擇器選擇開關(guān)檔位,實現(xiàn)不同電平的轉(zhuǎn)換,完成信號的發(fā)送。這種電路結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)對稱與非對稱調(diào)制模式之中的一種,無法實現(xiàn)二者兼顧。

圖4 電壓選擇方式單元原理圖Fig.4 Voltage selection schematic

為了實現(xiàn)對稱與非對稱調(diào)制模式自動轉(zhuǎn)換,完成總線靜態(tài)電流IQ由用戶根據(jù)系統(tǒng)供電需求進行合理設(shè)置的要求,設(shè)計了一種基于電流合成的單元原理圖,如圖5所示。

圖5 電流合成方式單元原理圖Fig.5 Current synthesisschematic

I1為模式轉(zhuǎn)換補償電流,且其值隨VIQ大小改變:

I2為數(shù)字信號控制電流,由開關(guān)K2、K3決定其電流方向；I3為修調(diào)補償電流,由開關(guān)K4、K5決定其電流方向。發(fā)送使能TXE和發(fā)送信號TXS共同決定開關(guān)檔位?？臻e狀態(tài)時,TXE= 0時,K1閉合,K2～K5均斷開；發(fā)送狀態(tài)時,TXE=1,K1斷開,此時TXS=1,K2斷開K3閉合,TXS=0,K2閉合K3斷開。

空閑狀態(tài)時:TXE=0,此時

當VIQ≥0.5 V時,VR=Vt=VIQ

當VIQ＜0.5V時,Vt=VIQ+I1R2=0.5 V,VR=0.5-I1R1=VIQ

即空閑狀態(tài)時,VR=VIQ

發(fā)送狀態(tài)時:TXE=1,忽略修調(diào)電流的作用,

當VIQ≥0.5 V時,VR=VIQ,因此

TXS=1,VH=VR+I2R1；

TXS=0,VL=VR-I2R1

當VIQ＜0.5 V時,VR=Vt=0.5 V,因此

TXS=1,VH=0.5+I2R1；

TXS=0,VL=0.5-I2R1

電流合成單元實際電路如圖6所示,該單元能夠?qū)崿F(xiàn)由外接電阻RIQ設(shè)置總線靜態(tài)電流IQ值,以及對稱模式和非對稱調(diào)制模式之間的自動轉(zhuǎn)換。

圖6 電流合成單元電路圖Fig.6 Current synthesis unitcircuit

Vs為芯片內(nèi)部帶隙提供的0.5 V基準電壓。電阻R2=R3= r0（r0為圖5中的阻值）。TXE為發(fā)送使能信號端口,空閑狀態(tài)TXE=0,發(fā)送狀態(tài)TXE=1。VIQ電壓值由外部電阻RIQ決定,

Ibias為芯片內(nèi)部提供的1 μA基準電流。模式轉(zhuǎn)換單元電路工作原理如下:

1）空閑狀態(tài)時,TXE=0,M12導通,電流I1存在；

①當RIQ≥500 kΩ時,芯片為對稱調(diào)制模式,由公式（4）,VIQ≥0.5 V,即VIQ≥Vs,電阻R3處無電流產(chǎn)生,電路中無鏡像電流,

在不考慮修調(diào)的情況下,由公式（3）（4）（5）得Vout值,

②當100 kΩ≤500 kΩ時,芯片進入非對稱調(diào)制模式, VIQ＜500 mV,可知通過電阻的電流及其鏡像電流大小為（Vs-VIQ）/R3,此時,

此時VR處電壓由公式（3）（7）（8）可知

由公式（6）（9）可以看出,在空閑狀態(tài)下,

可以實現(xiàn)圖5中的原理設(shè)計,并實現(xiàn)由外接電阻決定總線靜態(tài)電流的要求。

2）發(fā)送狀態(tài)時,此時TXE=1，M12關(guān)斷,I1=0；

①當RIQ≥500 kΩ時,芯片為對稱調(diào)制模式,且不考慮修調(diào)的情況下,由公式（3）（6）可知,

②當100 kΩ≤RIQ＜500 kΩ時,芯片進入非對稱調(diào)制模式,由公式（3）（7）得,

公式（11）（12）可以看出設(shè)計中實現(xiàn)了圖5的原理功能,能夠?qū)崿F(xiàn)對稱調(diào)制模式與非對稱調(diào)制模式之間的自由轉(zhuǎn)換的設(shè)計要求。

圖5中I2數(shù)字信號控制電流由圖7結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,功能是將數(shù)字通信信號轉(zhuǎn)換為模擬電流形式,進行發(fā)送數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。采用采用電流舵結(jié)構(gòu)易實現(xiàn)模擬與數(shù)字電路兼容,且電流建立時間較小,轉(zhuǎn)換速度快。并且實現(xiàn)控制電流方向的作用。

圖7 簡單電流舵結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Current-steering diagram

K2與K3為發(fā)送信號TXS產(chǎn)生的不交疊時鐘信號,I2處會隨時鐘信號的變化產(chǎn)生方向相反大小相同的±Iss電流,且設(shè)計其大小為

I3修調(diào)補償電流是解決集成電路自身工藝缺陷導致設(shè)計參數(shù)存在偏差的問題。本次設(shè)計修調(diào)電路采用開關(guān)樹形修調(diào)網(wǎng)絡(luò),占芯片面積小,且易于實現(xiàn)。其控制電流方向電路與電流舵結(jié)構(gòu)類似。

1.5 整體電路

由各單元原理分析,推導總線電流公式:

1）空閑狀態(tài)時,靜態(tài)電流設(shè)置公式由公式（1）（2）（10）可知,

Ire=I3/5為修調(diào)補償電流。若不考慮修調(diào)電流,則該公式滿足MAU發(fā)送電路功能中設(shè)定條件:

2）發(fā)送狀態(tài)時,忽略修調(diào)電流,電流波形公式:

①對稱調(diào)制模式,由公式（2）（11）（13）,

②非對稱調(diào)制模式,由公式（2）（12）（13）,

從公式中可以看出發(fā)送信號波形滿足兩種調(diào)制模式的設(shè)計要求。

2 整體電路HSPICE仿真測試結(jié)果

圖8上圖為對稱調(diào)制模式,圖8下圖為非對稱調(diào)制模式。

圖8 仿真發(fā)送電路的信號波形（電流）Fig.8 Signal waveform of transmitter（Current）

MAU發(fā)送電路功能圖如8所示,電路能夠?qū)崿F(xiàn)對稱調(diào)制模式,以及非對稱調(diào)制模式,并且能夠?qū)崿F(xiàn)通過改變外部電阻阻值,設(shè)置總線靜態(tài)電流的目的。圖9為發(fā)送信號的波形圖,結(jié)合表1中MAU主要技術(shù)指標和IEC1158-2協(xié)議中關(guān)于信號波形的主要參數(shù)指標,證明該電路產(chǎn)生的信號波形完全滿足通信協(xié)議要求,并優(yōu)于協(xié)議要求。

圖9 仿真發(fā)送電路的信號波形局部放大圖（電壓）Fig.9 Signal waveformamplified of transmitter（Voltage）

表1 IEC61158通信協(xié)議主要參數(shù)指標Tab.1 IEC61158 communication protocol main parameters

3 結(jié)束語

文中以閉環(huán)負反饋網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),應(yīng)用電流合成原理,從系統(tǒng)設(shè)計、關(guān)鍵模單元計等方面介紹了一種基于電流合成的現(xiàn)場總線MAU芯片發(fā)送電路的設(shè)計,最終給出發(fā)送信號波形原理的推導公式。利用HSPICE仿真測試驗證了電路設(shè)計的正確性,實現(xiàn)了由用戶決定芯片工作電流值的要求,并完成了10mA以上對稱模式和10mA以下非對稱模式的自由轉(zhuǎn)換,且使發(fā)送信號波形滿足通信協(xié)議IEC1158-2要求。此發(fā)送電路對實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)中發(fā)送信號的設(shè)計有一定的借鑒作用,工程實用價值顯著。

［1］劉澤祥，李媛.現(xiàn)場總線技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2011.

［2］Thomesse JP.Fieldbus Technology in Industrial Automation［J］.Proceedings of the IEEE,2005,93（6）:1073-1101.

［3］辛曉寧,汪瀅,于海斌.總線供電的FF現(xiàn)場總線媒體結(jié)合單元（MAU）電路設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器,2003（10）:40-42.XIN Xiao-ning，WANG Ying，YU Hai-bin.Circuit design of bus-powered FF fieldbus medium attachment unit（MAU）［J］.Instrument Technique and Sensor,2003（10）:40-42.

［4］Vitturi S.Some features of two fieldbuses of the IEC61158 standard［J］.Computer Standardsand Interfaces，2000,22（3）: 203-215.

［5］El-adawyAA，Soliman A M.A low-voltage single input class AB transconductor with rail-to-rail input range ［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems-I:Fundamental Theory and Applications,2000,47（2）:236-242.

［6］江力，吳曉波，嚴曉浪.寬輸入共模電壓范圍電流檢測放大器的研究與設(shè)計［J］.半導體學報,2007,28（8）:1289-1294.JIANG Li，WU Xiao-bo，YAN Xiao-lang.Research and design of wide input common-mode range current-sensing amplifiers ［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2007，28（8）: 1289-1294.

［7］蘇贇臻.基于數(shù)字算法的電流檢測溫度補償設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程,2014(9):113-116，119.SU Yun-zhen.Temperature compensation design for current sening based on digital algorithm ［J］.Electronic Design Engineering,2014(9):113-116，119

［8］王鵬云.基于單片機MSP430F449的寬帶直流放大器設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程,2013(11):71-74.WANG Peng-yun.Design the width-band DC amplifier based on themicrocomputerMSP430F449［J］.Electronic Design Engineering,2013(11):71-74.

Design of fieldbus transmitter based on current synthesis

XIN Xiao-ning,LI Chao
（Information Science and Engineering School,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China）

In this paper，it shows a design based on BCD350 process，that constant current control and signal transmission circuit of fieldbus MAU chips.The quiescent current of this circuit can be set by an external resistor，and circuit supports symmetric and asymmetric transmission mode by current synthesis.HSPICE simulations show that the constant characteristics of the circuit and the signal waveform of transmission satisfy fieldbus communication protocol requirements.

fieldbus；Medium Attachment Unit(MAU)；transmitter；current synthesis；communication protocol

TP212

：A

：1674-6236（2015）18-0153-04

2014-11-28稿件編號：201411246

辛曉寧（1965—）,男,遼寧沈陽人,博士,教授。研究方向:大規(guī)模集成電路和SOC的低功耗設(shè)計方法。