基于SIMl-2的現(xiàn)場總線儀表電路設(shè)計(jì)

1 引言
    現(xiàn)場總線儀表的重要特點(diǎn)是總線供電?？偩€供電是指儀表從傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)總線上獲取維持其工作所需的電源。而無需本地電源供電。但由總線供電的儀表具有較嚴(yán)格的功耗約束和復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)可在10 mA下工作的現(xiàn)場總線儀表仍具有挑戰(zhàn)性。這里提出一種基于SIMl-2的現(xiàn)場總線儀表電路設(shè)計(jì)方案。

2 媒體結(jié)合單元(MAU)
    典型的現(xiàn)場總線儀表由媒體結(jié)合單元MAU(Medium Attachment Unit)、數(shù)字系統(tǒng)、A／D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路和傳感器組成。其中MAU電路通常與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)圓形線路板上，因此又稱為“通訊圓卡”。
    MAU電路分為總線供電和非總線供電兩種類型，主要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)與傳輸介質(zhì)上的物理信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，總線供電的MAU電路用于從總線吸收電流，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的工作電源。而早期集成的MAU電路性能差，功耗較大。其設(shè)計(jì)思想是片內(nèi)集成易于集成的器件(如運(yùn)算放大器、DC／DC變換器和基準(zhǔn)源等)，而較大數(shù)值的電阻、電容和較大功率的電流調(diào)整管等器件仍使用分立元件。MAU電路設(shè)計(jì)難點(diǎn)是在滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的前提下降低其自身的工作電流以提高能量利用率。而西門子公司的SIMl-2是新型的集成化的MAU電路。

3 SIM1-2器件主要功能與使用
    SIMl-2(Siemens IEC MAU)西門子現(xiàn)場總線MAU器件采用符合IEC61158—2的曼徹斯特碼技術(shù)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率31．25 Kbit／s，采用SMD housing MLPQ40封裝，器件尺寸小。SIMl-2的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

    SIMl-2支持所有發(fā)送與接收功能，吸收總線上附加電源電流并具有高阻特性，采用兩種穩(wěn)壓電源供電并允許電源具有電隔離。SIMl-2具有以下主要功能：支持所有發(fā)送和接收功能；對來自總線的能量起到高阻抗退耦作用：可連接所有曼徹斯特碼編解碼器，符合IEC61158-2的曼徹斯特碼技術(shù)；MAU器件和通訊控制器之間集成接口邏輯，降低電流消耗；為用戶提供穩(wěn)定的輸出電壓，電壓設(shè)置范圍2~5 V(誤差+3％)，可用電流最高可達(dá)50 mA；閑聊(JABBER)禁止。其接口邏輯是指從該器件到通訊控制器的接口，采用以下3種不同的工作模式：
    (1)不采用電流式隔離 如果特殊應(yīng)用的器件的總線接口無需電流式隔離，此時(shí)使使能信號(hào)GIM為低電平。接收和發(fā)送信號(hào)未經(jīng)處理和轉(zhuǎn)換而通過。其電路如圖2所示。

    (2)光耦隔離 為了得到數(shù)據(jù)和相關(guān)信號(hào)的線性電流式隔離，使用不同的隔離器件和隔離電路。常用方法是在每個(gè)信號(hào)端(TxS，TxE，RxS，RxA)放置光耦，如圖3所示。

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  (3)功率隔離 使用功率隔離只需2個(gè)光電耦合器，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為脈沖調(diào)制信號(hào)，如圖4所示。此時(shí)使能信號(hào)GIM為高電平。

    SIMl-2器件不僅能為內(nèi)部器件提供電源供給，滿足電路自身的消耗，還可根據(jù)用戶需要為其提供穩(wěn)定的電源電壓。其電路如圖5所示。

    圖5中，穩(wěn)壓器W1產(chǎn)生的VCCD／VCCA作為數(shù)字電路和模擬電路的供電電壓。穩(wěn)壓器W2從恒定電流中產(chǎn)生穩(wěn)定電壓VE，而無需通過外部負(fù)載直接流向地。穩(wěn)壓器W3產(chǎn)生VREC，為外部應(yīng)用元件進(jìn)行無漂移電源供給，可驅(qū)動(dòng)最大50 mA的負(fù)載。在打開外部電子設(shè)備供電后，不能立即使用VE，這樣將破壞SIMl-2的啟動(dòng)。SIMl-2啟動(dòng)后，由RESETXN指示對外部設(shè)備供電，如果VE降到80％以下，DC／DC轉(zhuǎn)換器調(diào)制關(guān)斷，只有當(dāng)VE達(dá)到92％以上才能重新工作。
    DC／DC轉(zhuǎn)換器采用電壓轉(zhuǎn)換模式，使能信號(hào)VCM為高電平時(shí)，DC／DC轉(zhuǎn)換器控制輸出Sl，S2；VCM為低電平時(shí)，輸出S1，S2用高阻替換。DC／DC轉(zhuǎn)換器通過開關(guān)S1和S2，對固定負(fù)載的供電進(jìn)行推挽式轉(zhuǎn)換。在推挽式電路中，兩個(gè)開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組W1’和W2’兩端分別形成相位相反的交流電壓。Sl導(dǎo)通時(shí)，二極管VD9處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時(shí)。二極管VDIO處于通態(tài)。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，二極管VD9和VDIO都處于通態(tài)。如果Sl和S2同時(shí)處于通態(tài)，就相當(dāng)于變壓器一次繞組短路。因此，必須避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開關(guān)各自的占空比不能超過50％，并且要留有死區(qū)。
    閑聊(JABBER)禁止功能是指節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，中斷數(shù)據(jù)流以避免整個(gè)網(wǎng)絡(luò)阻塞。如果信息時(shí)間超過120～240 ms，傳輸將會(huì)中斷，同時(shí)RxS數(shù)據(jù)和RxA信號(hào)到節(jié)點(diǎn)的傳輸也被禁止；1．5~4．5 s后，禁止被取消。

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4 SIMl-2器件典型應(yīng)用
    圖6為SIMl-2器件的典型應(yīng)用電路。該系統(tǒng)采用ARM核單片機(jī)STM32Fl0lRDT6作為信號(hào)和協(xié)議的主要處理器件，該款單片機(jī)引腳數(shù)目少，器件體積小。外掛EEPROM用于存儲(chǔ)用戶定義的信息?；饡?huì)現(xiàn)場總線通信控制器FBC0409收發(fā)符合FF總線物理層標(biāo)準(zhǔn)的總線信號(hào)，單片機(jī)接收及發(fā)送FF總線數(shù)據(jù)通過其轉(zhuǎn)換。MAU部分主要由SIMl—2器件完成。該部分還包括少量總線接口電路。圖6中的復(fù)位電路和4 MHz晶振用于給STM32F101RDT6單片機(jī)和FBC0409提供復(fù)位信號(hào)及系統(tǒng)時(shí)鐘。SIMl-2使用單獨(dú)的2 MHz晶振時(shí)鐘。另外，STM32F101RDT6單片機(jī)、FBC0409、SRAM、EEPROM及傳感器電路的電源由低壓差穩(wěn)壓片(LDO)提供，而LDO的電源來自MAU電路(間接來自總線)。即所有電源均由總線提供，系統(tǒng)無需外接電源。各個(gè)器件的連接方式可直接參照數(shù)據(jù)手冊。接收數(shù)據(jù)時(shí)，通信控制器FBC0409通過SIMl—2接收來自FF總線的數(shù)據(jù)幀，提取出數(shù)據(jù)字段供上層進(jìn)一步處理并保存到接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，CPU訪問后將這些數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)將發(fā)送數(shù)據(jù)交付給通信控制器FBC0409，并保存到發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在接到令牌后將其轉(zhuǎn)為曼徹斯特碼，通過MAU單元發(fā)送到FF總線上。

    總線供電的現(xiàn)場總線儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于解決功耗與處理速度和處理能力之間的矛盾。由于系統(tǒng)電路本身的消耗和接口電路的需要，供給單片機(jī)，通訊控制器，MAU電路使用的電能很有限。因此器件選型尤為重要?，F(xiàn)場總線的軟件比較復(fù)雜龐大，單片機(jī)必須要有足夠的尋址空間。ARM核單片機(jī)STM32F101RDT6其片上擁有384 KB Flash存儲(chǔ)器、48KB SRAM，滿足系統(tǒng)對尋址能力的要求。通訊控制器采用FBC0409，可滿足高性能基金會(huì)總線網(wǎng)絡(luò)主、從設(shè)備的使用要求，也適用于PROFIBUS—PA總線的現(xiàn)場設(shè)備。FBC0409內(nèi)置4 KB數(shù)據(jù)RAM和DMA控制器，數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、地址表的查找均無需CPU，大大減輕CPU負(fù)擔(dān)，滿足處理速度的要求。對于MAU電路，除了要求較高質(zhì)量的傳輸信號(hào)外，還必須能高效率從總線上獲取能量以維持儀表工作。西門子現(xiàn)場總線MAU器件SIMl—2不僅能滿足以上性能指標(biāo)，而且工作電流的利用率較高，自身功耗小。

5 結(jié)束語
    本文介紹一種新型的媒體結(jié)合單元電路器件SIMl-2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要功能和系統(tǒng)應(yīng)用。在應(yīng)用系統(tǒng)中，用SIMl—2器件替代分立元件，有效地減小器件面積，而且SIMl-2具有較高的傳輸質(zhì)量，能夠降低其自身的工作電流提高利用率。通信控制器FBC0409將RAM集成到器件內(nèi)部，減少線路板連線。單片機(jī)STM32F101RDT6引腳數(shù)目少，減小了器件體積，節(jié)約設(shè)計(jì)空間?？傊雇ㄓ崍A卡在器件數(shù)量和功能上相比原來的電路都有明顯提高。