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随着自动化、电子和计算机技术的发展，越来越多的现场仪表已经向智能化、小型化和网络化方向发展。现场仪表的主要发展趋势包括：现场总线技术的应用，更小的外形尺寸，多参数变送器技术的发展，以及无线传感网络的应用等。
EPA标准是我国完全具有自主知识产权的基于工业以太网的现场总线国际标准，本文结合传统变送器和执行机构的结构和技术特点，开发符合EPA标准的温度、压力、物位变送器和执行机构，使其具有现场总线通讯功能，同时利用EPA标准的多信息传输能力，实现现场仪表的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到现场仪表智能化、数字化和网络化的目的。
2 现场仪表的总体结构及硬件设计
当前主流的现场仪表产品，虽然已经普遍采用了单片机技术，部分实现了智能化的目的，基本替代了传统的模拟仪表，但仍然以“老式而可靠的”4～20mA的模拟通讯技术为主。随着多参数变送器技术的出现并逐渐成为变送器的主要发展趋势，原有的4～20mA模拟通讯技术已经无法满足变送器的通讯需求，同时，越来越多的控制系统趋向于采用基于现场总线的体系框架，因此在现场仪表中采用数字化协议的现场总线技术势在必行。
本文主要阐述基于EPA标准的现场总线通信技术在现场仪表中的实现，所涉及的现场仪表包括5大类：压力、温度及物位变送器、电动执行机构和电气阀门定位器。由于本文的重点是基于EPA标准的现场总线技术在现场仪表中的实现，限于篇幅，仅给出了变送器的总体电路结构。
变送器的总体电路结构包括微处理器单元、传感器模块、信号调理电路、A/D转换电路、故障检测单元、显示与键盘操作、电源电路、EPA通信卡等，如图1所示。
3 EPA通信卡的设计
EPA通信卡主要构成包括处理器单元、RAM、程序存储器、看门狗电路、以太网控制器、以太网接口电路、以太网供电电路以及与仪表卡的接口电路，如图2所示。
处理器单元采用了ATMEL公司低功耗高性能的32位RISCARM处理器，具有体积小和能适应工业环境应用等优点。以太网控制器采用Asix公司NE2000兼容快速以太网控制器AX88796，执行基于IEEE802.3局域网标准的10Mb/s和100Mb/s以太网控制功能。
4 以太网总线供电解决方案
在环境恶劣的工业现场，为了减少现场安装的复杂性，提高安全性以及经济性，通常希望连接到现场设备的线缆不仅能够传送数据信号，还要能够为现场设备提供电源，即所谓的总线供电。总线供电技术在工业现场应用中具有重要的地位。
对基于EPA标准的现场设备供电可采用两种方法：一种是总线供电方式，该方式采用调制解调法，将24～48V直流电源信号与以太网通信信号调制在一起；另一种是网络供电方式，利用以太网传输电缆4对双绞线中的2对空余双绞线，对现场设备直接提供24～48V直流电源。无论哪种方式，均保证以太网通信信号和电源信号之间不会相互影响，以保证现场设备的以太网通信和测量、控制工作的可靠性。另外，在基于EPA标准的以太网供电解决方案中，还着重考虑了总线供电的安全性、可靠性设计。
5 软件设计
基于EPA标准的现场仪表的软件采用基于模块化的设计方法。软件开发可以分成3个部分：EPA用户应用程序、EPA通信栈软件包、硬件驱动程序模块。
EPA通信栈软件包又包括以下模块：EPA确定性调度与精确时间同步算法、TCP/UDP/IP协议软件、EPA应用层服务、EPA应用层服务接口和EPA管理服务等。
软件的层次结构如图3所示。
5.1硬件驱动程序
硬件驱动程序模块包含了处理器的初始化（包括启动代码、外围设备配置、中断向量设置、堆栈设置等），以太网控制器驱动程序（网络接口初始化及接收、发送数据）、FLASH驱动等内容。
5.2EPA通信栈软件
EPA通信栈软件实现3个方面的任务：即数据（包括实时和非实时数据）传输服务的实现及其为用户层提供的服务接口，以及EPA管理服务（包括设备自动识别、系统时钟同步、系统工作状态的管理、设备位号及其他信息的管理等）。
EPA通信协议基于TCP/UDP/IP协议，为用户层的应用程序间提供实时和非实时数据传输服务。EPA通信协议实现了客户/服务器、发布者/预订者、报告分发等3种通信机制。其中客户/服务器是一对一、需确认的通信，主要用于组态信息的上传/下载，设备信息（如位号、IP地址等）的查询，以及用户自定义程序的下载等；而发布者/预订者通信则是用于生产过程实时信息（如测量、控制数据）的周期性传输等，通常采用广播、多播、单播的传输方式；报告分发则是用于控制过程报警信息的传输等，通常采用多播/广播发布的通信。
EPA应用层服务接口主要根据过程控制信息传输的要求，为用户层开发应用程序之间的数据通信，并实现以下服务：域管理服务、域上载服务、域下载服务、事件管理服务、事件报告服务、确认事件报告服务、改变事件监视条件服务、变量访问服务、变量读服务、变量写服务和信息分发服务等。
EPA管理服务是EPA通信协议中的重要组成部分。EPA系统管理主要完成以下几个系统管理功能：设备识别、对象定位、地址分配、时钟同步和功能块调度。
精确时间同步算法实现了完整的IEEE1588精确时钟同步协议，保证EPA网络上所有设备的时钟都是同步的。EPA确定性调度引擎实现了EPA确定性调度的机制，确保同一时刻网络上只有一个设备在发送报文，从根本上避免了以太网报文的碰撞问题。
5.3EPA用户应用程序
EPA用户应用程序主要包括：EPA功能块壳与功能块、EPA技术块、EPA通信卡与仪表卡的接口模块。
EPA功能块是基于IEC61499定义的，功能块将控制过程中的某个特定功能封装在一个功能块中，并提供给用户接口，用户不必关心功能如何完成的具体细节，而只需根据功能块的接口，来配置相应的控制系统即可。功能块的接口定义中分为数据输入输出接口、事件输入输出接口。事件的输入接口用于触发功能块中某个功能算法的执行，而事件输出接口用于本功能块的运算完成后通知其他功能块，数据的输入输出用于传递功能运算的数据。
在各类型的变送器中，都包含了一个或多个符合EPA功能块标准的AI功能块。AI功能块通过物理通道从技术块获取输入数据，经AI功能块内嵌的算法输出给其他功能块。由于AI功能块被设计成与硬件无关的标准功能块，因此需要在物理传感器和AI功能块之间有一个映射关系，技术块就是将硬件通道数据和标准功能块相隔离。另外，技术块还提供对传感器的校准和诊断功能。EPA功能块标准分别为温度、压力、物位和流量规定了相应的技术块规范。
在执行机构中，都包含了一个符合EPA功能块标准的AO功能块。AO功能块将输入数据（一般为控制器给出的阀位控制值）转换成硬件通道所需要的值。
由于AO功能块被设计成与硬件无关的标准功能块，因此需要在硬件物理通道和AO功能块之间有一个映射关系。技术块就是将硬件通道数据和标准功能块相隔离，AO功能块通过通道参数给出硬件数据信息。另外，技术块还提供对执行机构的校准和诊断功能。EPA功能块标准分别为电动执行机构和气动执行机构规定了相应的技术块规范。
EPA通信卡与仪表卡的接口模块，主要完成两者之间的数据交换。接口模块的具体实现与产品总体结构有关。对于单CPU的方案而言，该接口就是一个程序模块，完成不同程序模块之间的数据交换；对于双CPU的解决方案而言，该接口就是一个通讯接口，可以是串行通讯，也可以是并行通讯，完成两个CPU之间的数据交换。
6 远程组态、标定及故障诊断功能的实现
EPA远程组态、标定及故障诊断软件实现了通过网络远程对EPA现场仪表进行组态、标定和故障诊断。这些功能的实现除了EPA功能块和技术块标准，还依赖于基于XDDL的EPA设备描述技术，EPA设备描述文件描述了EPA现场仪表中的所有资源，包括功能块、技术块、物理块等资源信息。EPA设备管理软件根据设备描述文件，提供在线的EPA设备管理功能。主要功能包括：在线EPA监视、EPA设备的远程组态、标定和故障诊断等功能。
7 结束语
EPA标准是我国完全具有自主知识产权的基于工业以太网的现场总线国际标准，本文设计的符合EPA标准的现场仪表，具有工业以太网通讯功能，并通过EPA一致性和EPA可互操作性等测试平台的测试，同时利用EPA标准的多信息传输能力，实现现场仪表的远程组态、远程标定和远程故障诊断等功能，达到现场仪表智能化、数字化和网络化的目的。