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摘要：本文首先对WorldFIP现场总线技术、现场总线智能压力变送器的特点进行了介绍，然后就现场总线智能压力变送器的主要工作原理和基于WorldFIP现场总线技术的通信圆卡的硬件设计进行了讨论。
关键词：压力变送器；现场总线；智能仪表；通信圆卡；WorldFIP
中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2003)03-0023-05
一、引言
现场总线已成为控制系统的发展趋势，它改变了传统控制系统的结构，形成了新型的网络集成式全分布控制系统。现场总线控制系统的逐步推广和普及，对下层的测量和变送仪表也提出了新的要求，新的总线型仪表除了完成基本的测量功能外，还应该具有双向通信能力，能够通过上位机对其进行组态和在线诊断，为了实现全分散的控制系统，即把基本控制功能下放到现场，总线仪表还应具备基本的控制功能。
压力变送器是工业生产过程自动化中的重要测量设备，可以用来测量压力、流量、液位等工程参数。本文就可同时测量压力和温度（用作温度补偿）信号、基于WorldFIP现场总线技术的智能压力变送器的基本原理和开发加以介绍。
二、WorldFIP现场总线简介
<![endif]> WorldFIP是一种用于自动化系统的现场总线网络协议，其目的是提供第0级（传感器、执行器）和第1级（PLC, 控制器等）设备之间的链接，该协议由三个通信层组成，如图1所示。
WorldFIP的数据通信由总线仲裁器控制，用于调节总线上的周期/非周期变量和报文的交换。周期性变量可实现生产者和几个消费者之间的实时数据交换，主要用于运行在不同设备（如PLC、智能I/O等）上的应用程序间的在线实时交换信息。非周期变量和报文主要用于组态、参数设置和故障诊断，也可以实现对传输
时间要求不高的信息交换，如监控台与现场智能设备或PLC之间的事件信息传输。
WorldFIP现场总线按照工业控制系统的要求，严格定义了通信协议和符合工业标准的传输介质、接线盒、插头座等，在实时性、同步性、冗余性方面独具特色，非常适合作为设备层的通信总线。
三、现场总线智能压力变送器的特点
现场总线智能压变送器内部具有微处理器、存储器、通信栈，具有双向数字通信功能，可以提供AI(模拟量输入)、PID（PID运算）、AO(模拟量输出)、ARTH（算术）、INT（累计）、SS（选择器）等功能模块。相对于传统的4~20mA压力变送器，具有以下突出特点：[1]
(1). 节省布线：现场总线智能压变送器可直接挂接在现场总线上，大大简化了系统集成，方便了设计、安装及扩展，而且基于现场总线的压力变送器可以向监控计算机传送自身的状态与维护信息，大大节省了维护工作量和费用。
<![endif]> (2). 多变量输出：一个变送器可以同时测量温度、压力、液位或流量等过程变量，输出几个独立的信号，特别是在测量流量、液位等与温度有关的过程变量时，无需另设补偿用温度变送器，节省了投资。
(3). 更高的精确度：在变送器的微处理器内可以进行非线性压力补偿、温度补偿和流量补偿，而且数字量的直接传输免去HART仪表中D/A和A/D转换，提高了信号传输过程中的抗干扰能力。
(4). 自诊断功能：可对部分电子线路及各主要部件和控制回路作完善的自诊断，并给出故障部件的明确指标。
(5). 远程组态：系统的操作员可以在控制室中对现场总线智能压力变送器进行量程、算法、报警参数等进行设置，并通过总线下载到仪表中。
(6). 更高的可靠性和更短的控制周期：控制功能下放到现场仪表中后，实现了彻底的分散，增强了控制系统的可靠性，而且智能压力变送器的控制信息可以通过总线直接送往执行装置和其他智能仪器，在缩短控制周期的同时，提高了控制系统的控制品质。
四、现场总线智能压力变送器的电路工作原理
1、现场总线压力变送器内部的信号流
现场总线压力变送器内部的信号流处理可以概括为四个步骤：
（1）.压力、温度作用于传感器；
（2）.选择压力或温度信号，进行信号调理, 对调理后的信号进行A/D转换；
（3）.对压力、温度数据进行相关处理（线性补偿等），根据预先设定的控制规律计算出控制量；
（4）.把压力、温度或者控制信号调制后送往总线。
现场总线智能压力变送器的硬件可分成相关的三个独立模块进行设计：传感器模块、通信圆卡和显示模块。
2、传感器模块
现场总线智能压力变送器的传感器部分和传统的压力变送器相比，增加了温度输入通道和多路
现场总线智能压力变送器的硬件可分成相关的三个独立模块进行设计：传感器模块，通信圆卡和显示模块。
2、传感器模块
现场总线智能压力变送器的传感器部分和传统的压力变送器相比，增加了温度输入通道，多路转换开关，用于切换压力和温度输入信号，主要包括以下功能电路[2]：
(1). 压敏电路：产生一个与压力有关的电压信号。根据实际应用和所测压力范围，可以选用电容式、扩散硅式或硅谐振式等。电容式压力传感器一般用来测量差压和表压，常用于流量和液位测量。扩散硅、硅谐振式传感器一般用来测量绝对压力和表压，常用于真空和液位测量。
(2). 温敏电路：产生一个与介质温度有关的电压信号。根据实际情况可以选用热电阻、热电偶（需要冷端补偿）或PN结温度传感器。
(3). 信号调理电路：选择压力或温度通道，进行信号调理，包括阻抗匹配、模拟滤波、信号放大等。由于待测压力信号和温度信号的量程不同，输入电平高低有异，却需要通过一个共用测量放大器，将输出信号放大到符合A/D转换器要求的标准电压，所以测量放大器的增益应该是可调的，故选用单片数控增益放大器，或采用由通用放大器、反馈电阻增益网络以及多路模拟开关构成的增益可调的放大电路。
(4). A/D转换电路：对放大后的压力、温度信号进行A/D转换。这里的A/D转换器应具有较高的精度，其分辨率一般应大于12位。为了减少光电隔离组件，可以选用接口线较少的串行A/D转换器。此外A/D转换器一般要设有参考电压源，调零和增益校准电路。
(5). 信号隔离电路：将来自CPU的控制信号和来自传感器的信号相互隔离，避免共地干扰。这里选用的光电隔离部件的切换速率应高于A/D转换器与通信圆卡间的传输速率。
3、通信圆卡
通信圆卡是现场总线智能压力变送器的核心模块，它能完成物理层和部分数据链路层之间的信息交换，实现了现场设备节点与现场总线之间的通信。通信圆卡可以自主开发，也可以选择现成的圆卡与自行设计的传感器板卡进行集成，由此可以大大缩短开发周期。通信圆卡主要完成总线信号的可靠传输和接收，提供合理资源运行总线协议及FB（功能块），包括以下功能单元：
(1). 中央处理单元：作为圆卡的核心部分，它主要用于完成通信管理和实时控制，即：在接收缓冲区接收从通信控制模块传递来的数据，将要发送的数据送到发送缓冲区，完成现场总线上的信息传送和交换，它包括地址、数据帧的识别和处理、报文的管理等；接收从传感器板卡传送来的数字信号，完成诸如AI、AO等基本任务，以及ARTH、PID等常用的控制算法；此外还要负责传感器模块数据的采集、压力和温度数据的处理和LCD的显示控制。另一方面，中央处理单元还要将上层网络传来的控制参数及配置信息进行处理并对现场设备的状态进行控制。
(2). 通信单元：圆卡除了具有数据处理能力以外，还应拥有通信能力。通信单元要完成现场总线设备间信息交换的物理接口，将要传送的数据形成帧并根据总线协议进行数据编码。在接收时，通信模块将接收到的报文进行处理，去掉物理层的帧头、帧尾和进行帧校验等。
<![endif]> (3). 通信接口单元：该单元是圆卡与现场总线进行通信的物理信道，主要完成的功能是与现场总线上的数据进行交换，遵循相关现场总线的标准的规定，将数据以规定的速率编码传送；将接收到的总线信号送入带通滤波器与整形电路，滤掉总线上的杂波。如果要实现总线供电，在这个模块中，还要将通信的脉冲信号以电流或频率波形调制到现场总线的9~32V 的供电电压之上，而将现场总线提供的9~32V 的供电电压转换为智能变送器各级电路所需的电压。
(4). 存储单元：提供主程序、协议栈、功能模块的存储和运行空间。其中包含RAM用于存储程序执行过程中的中间数据，ROM用于固化监控程序、协议栈和功能块程序等，FLASH存储器用于掉电时的数据暂存，EEPROM用于存储校正、组态和识别等静态数据。
(5). 接口电路：为了与传感器模块的A/D转换电路、显示模块相连，以及控制多路开关，圆卡需要设计相关的接口。根据需要可以选用SPI 同步串行口、SCI异步串行口和通用I/O 口等。
4、显示模块
为了缩短开发周期，我们购买了点阵式LCD显示模块进行集成，LCD模块根据来自中央处理单元的信号，能够以不同的压力单位显示数字输出，也可显示模拟量程的百分比，或者显示温度、流量、液位信息。
五、WorldFIP通信圆卡的硬件设计
在圆卡的设计中，中央处理单元我们选用了Motorola的68HC12系列16位单片机，它内部具有32K的flash EEPROM和1K的RAM，能够满足压力变送器的运算和通信需求，无须另外扩充存储器。通信模块我们采用ALSTOM公司设计的WorldFIP通信微控制器MICROFIP，通信接口部分我们采用了ALSTOM公司设计的WorldFIP总线驱动器FIELDRIVE和WorldFIP隔离变压器FIELDTR。
MICROFIP[3]内置的通信协议与WorldFIP标准兼容，它专为小型现场设备设计，适合不需要支持总线仲裁功能的小型现场设备，MICROFIP提供周期性缓冲传输和数据链路层报文服务，也支持应用层更新和提示机制。MICROFIP还集成了一组适合小型现场设备的网络管理服务，如存在、标识、调用SM-MPS变量等。MICROFIP能支持和管理介质冗余，无需另外的芯片。
FIELDRIVE[4]元件是一组完全集成的总线驱动电路，用来提供协议组件与现场总线隔离变压器之间的接口, 它集成了一个总线驱动器、一个总线接收器、一组传送错误检测电路、一个监视接口和一组检测接口电路。FIELDTR元件提供了FIELDRIVE总线驱动器和现场总线物理介质之间的电隔离。通信圆卡的组成框图如图3所示。
六、结束语
本文给出的通信圆卡采用双冗余结构，没有实现总线供电。现场总线控制系统的优越性是不容置疑的，它的推广和应用还依赖现场总线智能仪表的发展，研制国产的现场总线型智能压力变送器不但可以节省大量外汇资金，而且对现场总线技术在国内的推广应用必将起到巨大的推动作用。
参考文献：
[1] 白焰，吴鸿，杨国田. 分散控制系统与现场总线控制系统—基础、评选、设计和应用[M]，北京：中国电力出版社，2001.
[2] Smar Equipments Inc., LD301-Operation and maintenance Instruction/Manual [EB], 2002.
[3] ALSTOM (France), MICROFIP User Reference Manual ALS 50280 b–en [EB], 1999.10.
[4] ALSTOM (France), FIELDRIVE User Reference Manual ALS 50261 d-en [EB], 2000.8.