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现场总线技术是一种先进的现场工业控制技术，FCS的技术基础是智能仪表技术，目前现场总线标准的多样性和现场总线智能仪表发展的相对落后，使得FCS未能大规模的应用于大型的工业控制系统中。在今后较长的一段时间内，对网络化的智能仪器仪表的研究开发将成为控制领域中一个重要的研究方向，而网络化智能仪表的技术核心是对现场总线接口的研究。
2 系统整体设计
该系统的从站接口单元的主要功能是利用协议芯片SPC3使作为从站的数据采集单元与PROFIBUS现场总线连接，从而使数据能传到作为主站的处理中心。接口单元用80C32作为处理器单元管理通信事务，协议芯片SPC3完成关键的时间帧部分。80C32通过与SPC3的接口可以很方便地实现与主站的数据通信，80C32通过与MAX197的接口可以很方便地实现数据采集。80C32完成对协议芯片的初始化、数据采集，数据的发送和控制信号的接收；80C32与SPC3通过双口RAM交换数据，SPC3的双口RAM应在80C32地址空间中统一分配地址。80C32将SPC3的双口RAM作为自己的外部RAM，访问简单高效。
SPC3是西门子的ASIC系列芯片，它的主要性能是：在PROFIBUS上自动检测波特率，自9.6K至12M波特率RS－485传输，完整的PROFIBUS－DP协议集成于芯片中，集成的监视定时器，用于48MHz石英振荡器的外部石英振荡器端口。方式寄存器(Mode Register)在SPC3启动后，加载过程指定参数(例如从站地址、缓冲器地址、控制位信息等)。过程指定参数和数据缓冲器都存放在RAM中，RAM和RAM控制器组成双口RAM(Dual Port RAM)。状态寄存器(Status Register)存放从站的状态信息，以便在任何时间能扫描总线的介质访问子层(MAC)。串行通讯接口(UART)把并行数据流转换为串行数据流输出到RS－485总线上，并自动识别波特率。智能从站整体设计结构如图2—1。
3 模拟量输入外围接口设计
MAX197芯片是美国MAXIM公司近年的新产品，是多量程(±10V，±5V，0～10V，0～5V)、8通道、12位高精度的A/D转换器。它采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口。三态数据I／O口用做8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与TTL／CMOS电平兼容。新型A／D转换器芯片MAX197与一般A/D转换器芯片相比，具有极好的性能价格比，仅需单一＋5V供电，且外围电路简单，可简化电路设计。
该系统由MAX197控制字的PD1，PD0这二位选择时钟和低功耗模式。ACQMOD0为内部控制采集，1为外部控制采集，RNG选择输入端的满量程电压范围，B1P选择单极性，双极性转换模式A2，A1，A0这3位是用于选择多路输入通道的地址。采用内部采集控制模式，在WR的上升沿T/H进入跟踪模式，当内部定时采集过程结束时进入保持模式。对于下降速率小于1.5 μs的低阻输入源，在最大转换速率时能保证转换精度。在外部采集控制模式下，在第一个WR上升沿T/H进入跟踪模式；当检测到第二个WR上升沿且D5＝0时，进入保持模式。其输入量程及保护方式为：在VEF＝4.096V时，MAX197通过软件设置控制字节的D3、D4位，可选择输入量程为±10V、±5V、0～10V、0～5V。满量程输入电压取决于REF上的电压。在REFADJ脚加外部基准电压后，MAX197多量程A/D转换器VREF=1.6384×VREFADJ(2.4V＜VREF＜4.18V)。输入通道的过压保护电压为±16.5V，即使芯片处于低功耗工作模式，这种防护也有效。VDD=0V时，输入阻抗网络所具有的电流限制足以保护器件。数字接口输入和输出数据在三态并行接口上是复用的，这些并行I／O口可以很容易地和微机接口。CS、WR和RD与PC机相应控制脚相连进行读写操作。通过对芯片进行写操作可把控制字节存入芯片。输出数据在单极性模式下是二进制格式。MAX197可以以内部或外部时钟模式工作。一旦选择了所要求的时钟模式，改变这些位编程选择低功耗模式时，不会影响时钟模式。刚上电时，选择外部时钟模式。在CLK脚和地之间接一个100pF的电容，可产生1.56MHz频率的内部时钟。外部时钟要求100 kHz～2 MHz之间。
当开始写操作时，转换就开始了。写操作将选择多路通道，并确定MAX197的输入范围是单极性还是双极性。一个写脉冲(WR＋CS)可以开始一次采集，或者对采样进行初始化并开始转换。输入控制字节的ACQMOD位对于采集方式提供二种选择：内部或外部。对任何时钟模式和采集模式，转换间隔都延时12个时钟周期。若在转换周期写一个新的控制字节将使转换失效，并启动一次新的采集过程。外部采集模式采用外部采集方式可以更精确地控制采样间隔和转换。在这种方式下，用户通过2个写脉冲控制采集和启动转换。在第一个写脉冲中，要使ACQMOD位＝1，它将启动一次采集开始。在第二个写脉冲中，要使ACQMOD位＝0，在WR的上升沿开始转换并结束采集。在发第一和第二个写脉冲时，多路输入通道的地址位值必须一样。在第二个写脉冲中，低功耗模式位(PD0、PD1)可以设一个新值。当转换结束产生一个正确的结果时，芯片发出一个标准的中断信号INT(识别信号)给处理器。在第一个读周期或者写一个新控制字节时，INT就变为高电平。
硬件接口电路MAX197是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用80C32单片机与其联接。使80C32的P0．0～P0．7与MAX197的DO～D7相连。以用户接口中XCS2作片选信号，因而MAX197的地址为3000H。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN脚为高电平，本例采用内部基准电压，所以REF、REFDJ均通过电容接地。用P1．5脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚与用户接口中的XINT相连，作为转换识别信号。硬件结构如图3—1所示。
4A/D转换软件设计
在系统中MAX197采用内部时钟方式：选择内部时钟方式使微处理器能免除提供SAR变换时钟的负担。在CLK引脚和地之间接一个100 pF的电容将把此频率设置到1.56MHz的额定值。使用内部基准：内部经过微调的2.50V基准通过REFADJ缓冲放大以便在REF端提供4.096V的电压。用一个4.7 μF的电容把REF引脚旁路到AGND并用0.01 μF的电容器把REFADJ引脚旁路到AGND。为了省电，在转换时设置芯片为低电流工作模式。在低功耗方式下，接口都有效，可以读转换结果，并且输入过压保护也都有效。在写操作时，器件返回正常工作状态。SHDN脚接低电平时，是硬件控制的低功耗方式，此时器件停止转换。在STBYPD低功耗模式下，基准缓冲器保持有效，在REF脚的4.7 μF电容可维持电压。因此在这种方式下，可以采用任何采样速率而不必考虑启动延迟。电源复位上电时，置INT为高电平，并置器件为外部时钟模式。MAX197的A/D转换由写操作启动。它选择多路转换器通道，并把MAX197输入范围设置为单极性或双极性。写脉冲(
＋
)或者开始一个采集周期，或者启动一个采集与变换的组合。采样信号发生在采集时间的末尾。在变换期间写一个新的控制字节将使变换终止并开始一次新的采集周期。采用外部采集定时方式。
芯片地址定为3000H，输入量程选为0～5V。由于MAX197的时钟范围在0～2 MHz，采用内部时钟工作，选用内部基准电压，内部采集方式；选择STBYPD低功耗工作方式。编程要求将8路模拟输入信号依次采集一遍，在此采用等待查询方式，ad_signal为A/D转换完毕标志位，为1转换完毕。软件充分考虑MAX197的工作时序，需要考虑采集时间和变换时间及各控制信号之间的时序关系。程序流程如图4—1所示。
5 结束语
新型A/D转换器芯片MAX197与一般A／D转换器芯片相比，具有极好的性能价格比，仅需单一＋5V供电，且外围电路简单，可简化电路设计。MAX197的并行接口易于与微处理器连接，占有较少的CPU资源，因此，能用于较为复杂的系统开发，因此，笔者用此芯片开发现场总线智能从站。另外，MAX197单个芯片可构成完整的数据采集系统，非常适用于工业控制、自动测试、仪器仪表、远程通讯等领域的数据传输。