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现场总线适配器的软硬件设计和现场应用(1)
szzunzheng 发表于 2007/8/10 13:46:10 928 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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一、概述
随着计算机在工业控制的广泛应用，控制局域网络也深入应用到各行各业之中。现行的诸多控制系统，若采用单机控制方式已越来越难以满足设备控制的要求，因为往往我们所控制的设备只是整个系统的一个基本单元，它既需要外部输入一些必要的信息，同时也需要向外部输出自身的运行参数和状态。所有这些，都要求我们采用控制网络技术，将众多设备有机的连成一体，以保证整个系统安全可靠地运行。
实际生产的巨大需求促进了局部总线的发展，同时也带来了“百花齐放，百家争鸣”的盛况。从国外到国内的现场通讯网络较为流行的有：RS-232；RS-422/485；HART；ProfieldBus；Dupline；CAN；Lonworks；FF以及未来极有发展潜力的CEbus。目前我国的实际情况是RS-232/RS-422/RS-485应用最为普及，CAN网的发展速度最快而其它优秀的网络（如FF，Lonworks）在国内普及尚需时日。现在国内外大部分的网络终端控制设备带有RS-232/RS-422/RS-485 或者CAN 接口，为了便于利用这些控制设备进行系统集成，设计一个现场总线适配器将十分必要。
二、功能描述
本通讯适配器包括三个通讯网络接口分别是RS-232、RS-422/485和CAN接口能够完成以下功能：
1、RS-232到RS-422/485之间的通讯适配
带有RS-232接口的主机（如PC操作站、过程站等）或从机（如现场控制单元、智能网络节点等）可以通过现场总线适配器的RS-422/485接口连入由其构成的局部控制网络实现RS-422/485网络数据和命令的传输。
2、RS-232到CAN网之间的通讯适配
带有RS-232接口的主机（如PC操作站、过程站等）或从机（如现场控制单元智能网络节点等）可以通过现场总线适配器的CAN接口连入CAN网，实现基于CAN网的网络数据和命令的传输。
3、RS-422/485到CAN网之间的通讯适配
该通讯适配器能够将一个系统中的RS-422/485网络和CAN网实现相互连接。这样当源地址在RS-422/485网络，而目标地址在CAN网时，或者当源地址在CAN网络，而目标地址在RS-422/485网时，通讯适配器可以完成两个网络之间的数据和命令的传输。由此解决了系统集成过程中不同网络终端设备的互连问题，使系统设计具有更宽的选择范围达到更先进的水平。
4、相同或不同网络之间的距离、节点数和分支扩展
由于RS-422/485和CAN网均为总线型网络，它们的通讯距离、网络节点数目和网络分支扩展都有一定程度的限制，采用现场总线适配器后，可以任意扩展和连接，这在组建较为复杂的总线型网络时十分有用。
5、通过连接外置MODEM，实现网络数据和命令的更远距离传输
当更远距离的监控或管理中心，需要遥测或遥控本地网络（RS-422/485或CAN网）的设备时，该网络通讯适配器可以采用连接外置MODEM方式，通过电话线或专线，完成本地RS-422/485网络或CAN网与远方监控或管理中心的数据和命令的传输。
三、硬件设计
我们将网络适配器按其功能划分为五个部分，包括网络适配器的最小系统、RS-232接口、RS-422/485接口、CAN接口和电源等部分。以下是每个部分的具体实现方法及其特点。
1、现场总线适配器的最小系统
现场总线适配器的最小系统包括以下几个部分（CPU、uP监控复位、RAM和非易失性串行EEPROM）：
ATMEL公司的89C51，它是适配器的信息中央处理单元，在软件的支持下执行网络命令、数据的接收、处理并发送出相应的网络命令和数据，发挥总线适配器在现场局部网络中的作用。
Maxim公司的MAX824，具有高、低复位电平输出，集强大功能（上电复位、欠电压复位、“看门狗”等和微小封装（SOT23-5）于一身，是uP监控复位电路的理想选择。
RAM62256(256kbit)，用于通讯过程中各网络的接收和发送缓冲区、网络节点的接收和发送缓冲区及CPU数据处理缓冲。
EEPROM 93C46（512kbit），用以存放网络配置，包括网络种类、各网络节点数目及地址信息等。
其电路原理图如图1所示。
图1 总线适配器小系统原理图
2、RS-232接口部分
由于本现场总线适配器包括RS-232和RS-422/485两个独立的接口，势比需要二个异步串行口（UART），而CPU89C51只带有一个（UART），显然本系统中需要外扩一个UART。鉴于体积、功耗和性能价格比上的考虑，传统的UART控制器如8250等已难以满足要求，令人鼓舞的是Maxim公司推出不久的SPI接口的UART控制器正好满足要求，其主要性能为：SPI/Microwire兼容的uP接口，8字节接收FIFO，9位地址识别中断、IrDA SIR时序兼容、RTS输出和CTS输入最高波特率230k、工作电压+2.7V至+5.5V、工作电流仅0.5mA、DIP14或QSOP16封装。MAX3100优良的性能，更适合在本系统中使用。
RS-232通讯接口部分包括UART控制器和RS-232/TTL电平转换IC。UART采用了MAX3100，而接口芯片采用了单+5V供电的MAX202（传统上采用±12 或±15V供电的MC1488和MC1489两片方案）完成电平的相互转换。采用上述方案，使我们大大地简化了电路和电源设计、减小体积、降低功耗和成本。此部分的电路原理如图2所示。