基于FF总线技术实现智能压力变送器的测量系统设计

1、 引言

基金会现场总线（FF）系统是把具备通信能力，同时具有控制、测量等功能的现场设备作为节点，通过总线把它们互联为网络。通过各节点仪器仪表间的操作参数与数据调用，实现信息共享和系统的各项自动化功能，形成网络集成自动化系统。FF总线作为控制现场的最底层通信网络可以通过符合FF总线协议的通讯接口卡将其与工厂管理层的网络挂接，实现生产现场的运行和控制信息与控制室、办公室的管理指挥信息的沟通和一体化，构成一套完整的工业控制信息网络系统。

2、 FF压力测量系统的总体设计

本文设计的是一套完整的FF压力测量系统。它不仅设计了符合FF协议的智能压力变送器，而且设计了用来实现FF总线智能压力变送器与上位机通讯的FF总线PC接口卡，由系统中的FF总线连接，形成了一套完整的FF总线压力测量系统。具体的系统框图如图1所示：

本系统的工作原理如下：FF总线智能压力变送器将测得的压力信号转化为符合基金会现场总线数字信号传送到FF总线上，通过FF总线信号被FF总线PC接口卡接收，FF总线PC接口卡将接收到的信号转化为符合PC_ISA总线的信号，然后通过PC_ISA总线传送到上位PC机;相对应，上位PC机的控制信号则是通过对称的方式传送到FF智能压力变送器来实现对变送器的操作。

3、 FF总线智能压力变送器的设计

FF总线智能压力变送器主要由传感器与输入电路、通信接口和媒体访问单元三部分构成，其中的通信接口的设计是重点方面。本部分设计采用美国德州仪器公司（TI）的集成多路24位A/D转换器的MSC1210微处理器和SMAR公司的基金会现场总线通信控制芯片FB3050来研制FF智能压力变送器，完成对液体或气体压力参数的高精度数据采集、处理，并通过FF总线进行可靠的全数字数据通信。

本部分的具体构成及连接方式如图2所示。下面简单介绍一下这部分的工作原理，首先压力传感器在恒流源的驱动下采集压力信号并将采集到的mv信号通过由MSC1210模拟输入通道AIN0和AIN1组成的差分输入通道传送给微处理器进行处理，经过MSC1210处理之后的信号再通过FB3050和MAU进行与总线通信。通信接口设计是本部分的重点和难点所在，具体的设计方法如下：由于FB3050的接口设计上已经充分考虑了与Intel系列CPU接口问题，因此MSC1210的数据地址总线可以直接与FB3050的数据地址总线相连接，但必须输出一个高电平信号到PI_MODE，表示选用的是Intel系列CPU。MSC1210具有数据/地址复用端口P0，同时FB3050也支持数据/地址复用，所以无需外接地址锁存器电路。具体的连接方法是：MSC1210的P0.0～P0.7与FB3050的8位CPU数据总线PB_CDATA［0:7］对应相连接，同时输出一个高电平给FB3050的PI_MUXON表示使用的是地址/数据复合总线，并且将MSC1210的地址锁存信号输出脚ALE与FB3050的地址锁存信号输入脚PI_CAS相连接。MSC1210地址总线的高8位输出P2端口与FB3050的16位CPU地址总线PI_ADDR的15～8脚对应相连。由于使用了地址/数据复用总线，因此FB3050的16位CPU总线的7～0脚需要与地相连接。FB3050的中断输出、MSC1210的外部中断输入均为低电平有效，所以直接相连即可完成中断请求的要求。MSC1210的时钟输出信号直接可以作为FB3050的系统时钟输入。具体的连接如图2所示，这样MSC1210与FB3050之间的数据和控制信息的通信就得到了解决，也就完成了通信接口的设计。

4、 FF总线PC接口卡的设计

上位PC机与FF现场总线无法直接相连而实现它们之间的信息交换，所以必须设计FF总线PC接口卡来满足它们之间互相通信的要求。图3即为本部分的设计简图，它主要由双口RAM芯片IDT7142、单片机INTEL80188、通信控制芯片FB3050和媒体访问子层四个部分构成。本部分设计采用嵌入式控制中最常见的INTEL80188CPU作为接口卡上的CPU，INTEL80188提供20条地址总线，存储器寻址空间为1MB，I/O最大寻址空间为64KB（16位地址线），片内还集成了一套中断控制器、两路DMA控制器、三个16位定时器、六条可编程的存储器片选线、七条可编程的I/O接口片选线，对嵌入式控制线路的设计非常方便。在接口卡CPU与PC机CPU通信方面采用的是双口RAM方式，因为这种方式可使两边的CPU在数据块级同步。

5、媒体访问单元的设计

媒体访问单元（MAU）是FF智能压力变送器和上位PC机能否实现正常通信的重要组成部分，它的功能是发送和接收符合FF规范的物理信号。其中FF总线信号的接收部分工作原理为：FF总线信号经过三绕组变压器传送给由运放OP439构成10～40KHZ的带通滤波器进行滤波处理，然后处理过后的信号传送给由运放OP942构成的电压比较器来完成信号整形，比较器整形后输出一个比较干净的数字信号给FB3050的PI_PHPDU引脚，这样就完成了对FF总线信号的接收。而需要发送的信号则是通过由四个74HC126差分驱动器构成的总线驱动发送到FF总线上去的。四个74HC126分成两组，每组内的两个74HC126的输入端连接在一起，然后两组的输入端由反向器相连接后接FB3050的PO_PHPDU引脚，而四个74HC126的允许端全部连接在一起后接FB3050的控制信号PO_TACT信号。还有，图4中的电容C1和C2是为了隔直而使用的，R1和C3构成终端匹配器，R9、R10是限流电阻。

6、 系统软件设计

本系统的软件设计主要由相同设计思想的两个部分组成：上位PC机与基金会现场总线之间通信系统软件设计和FF智能压力变送器与基金会现场总线之间通信系统软件设计。在这里我就以上位PC机与基金会现场总线之间通信系统软件设计为例说明此系统的软件设计。本部分设计的主要思路是：当现场总线上有信号时，信号先通过媒体访问单元由FB3050接收并传送给PC接口卡上的接收缓冲区，然后通过INTEL80188进行选择后再通过PC_ISA总线接口传送给PC机应用程序处理;反之，上位PC机需要发送控制信息时则是通过相反的方式进行发送。具体的软件设计简图如图5。

7、 结束语

随着各种现场总线技术的越来越成熟，它们的应用也越来越广泛，而现在所使用的DCS也将逐步为FCS所替代。作为几种比较有影响力总线协议的FF总线更是凸现它的优势，所以基于FF总线技术的测量系统也将越来越被人们所青睐，这个方面研究也就非常有价值。

本文作者创新点在于将FF现场总线协议规范融合到仪器仪表的设计中，实现了总线上的压力变送器与上位控制计算机之间的全数字通信，代替了其他一些总线中模拟信号的存在，降低了受干扰的几率，大大提高了总线上传输的可靠性，让整套压力测量系统适应更加恶劣的测量环境，具有很大的现实意义。

责任编辑：gt