Profibus-PA溫度變送器設計

葉炳金 劉愛倫

(華東理工大學信息科學與工程學院，上海 200237)

0 引言

過程現場總線(Profibus)是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產商的現場總線標準，已陸續被批準納入歐洲標準EN 50170、國際標準IEC 61158的Type 3，并于2001年批準成為中國的行業標準［1］。近年來，Profibus技術得到了迅速的發展，尤其是Profibus-PA技術，它解決了過程自動化中控制參數多、系統安全性要求高等問題。因此，國際廠商都爭先開發Profibus系列產品，應用范圍涵蓋了加工制造、過程和樓宇自動化等眾多領域。就國內現狀而言，Profibus-DP產品已經比較成熟，有不少國內的企業實現了自主生產;但是PA產品種類不夠豐富，國內企業在這方面的研究起步較晚，技術積累不足，已有的PA產品核心技術大多是由國外引進的，價格昂貴［2］。因此，開發出具有自主知識產權的Profibus-PA溫度變送器能夠彌補國內缺陷，提高企業競爭力，同時也為Profibus-PA其他產品的開發提供借鑒。

1 PA設備的特殊性

Profibus-PA是專為過程自動化設計的，是對Profibus-DP的擴展。由于PA具有自己的一些特殊性［3］，因此在設計PA設備時這些特征也成為設計的重點和難點。PA設備的傳輸特性符合IEC 1158-2的通信規程，能夠滿足本質安全場合，這就要求設計PA設備首先必須實現低功耗。當設備收發數據信息時，不向總線供電，現場設備就像無源的電流吸收裝置，所以現場設備消耗的是常量穩態的基本電流［4］，通常電流損耗不超過20 mA。

DP基本功能DPV0中定義了對循環數據傳輸的支持，卻不支持非循環數據傳輸。但是對于一些復雜的設備，例如過程自動化的現場設備、智能化操作設備等，這些設備的參數常常在運行中才能穩定，這就使得DPV0在應用中缺乏靈活性。在這種情況下DPV1應運而生，它是依據過程自動化的需求而增加的功能，其不僅完善了DPV0的功能，并且增加了非循環的通信服務，如設備的報警處理以及智能現場設備的可視化工作等。DPV1為Profibus-PA奠定了基礎。正是利用這一擴展功能，PA設備才得以實現由二類主站的在線操作，以及快速執行循環通信任務和進行低優先級非循環數據傳輸的功能［5］。

除支持本質安全與非循環傳輸功能以外，PA設備還必須實現PA行規。PA行規是為了協調變送器、執行器和控制器之間以及到可視化終端、操作員終端的應用功能而定義的參數語法和語義。規定中描述了變送器、閥等過程控制中經常使用的裝置。即對于像變送器這樣的設備，行規中規定了這類設備的功能特性及參數，制造商在設計產品時必須實現這些功能與參數描述［6］。只有同時遵循PA行規與PA協議規范的設備才能稱之為PA設備。

2 硬件設計

Profibus-PA溫度變送器主要由溫度采集模塊與通信模塊兩部分組成。在硬件選型時除了要滿足必要的功能外，還必須緊緊圍繞低功耗的要求。為了縮短開發周期，在物理層設計上采用了西門子SPC4-2通信芯片。該芯片具有低功耗管理系統，特別適用于本質安全場合;具有曼徹斯特編碼解碼器，可以通過3線或2線方式與介質存取電路(medium access unit，MAU)相連，使傳輸符合IEC 1158-2標準［7］。本文中SPC4-2通過請求發送信號RTS、數據發送信號TXS、數據接收信號RXS與MAU相連，MAU實現SPC4-2與總線間輸入輸出信號的轉換、提供總線供電以及電流調制。

在傳統的PA變送器設計中，通常將儀表卡和通信卡單獨設計，兩塊板卡之間通過串口或其他方式交換數據。本文將兩模塊合為一體，采用一塊CPU，不僅節省了硬件需求，而且也簡化了軟件部分的任務。但這同時也加重了CPU的負擔，所選用的CPU必須能夠擴展大量的外設，具有強大的處理能力，同時又要保證低功耗要求。

綜合上述分析，本文采用了ARM7TDMI內核的AT91R40008微處理器，它擁有豐富的片內資源:32位可編程I/O總線，可以同時與多種外設相連;8級優先級控制器，4個外部中斷，包括高優先級低延遲的中斷請求，確保了報文的快速響應;內置看門狗定時器，無需再進行外部擴展，可實現強制復位與可控重啟;另外還有3個定時器，可以同時使用，滿足程序使用的要求;256 kB的RAM空間，所以可不再擴展額外的RAM。CPU的節能控制功能使芯片能夠保持較低的功耗，滿足PA溫度變送器本質安全的要求。

溫度采集模塊的核心部件是A/D采樣控制器。本設計要求變送器精度為0.2%，為了保證精度的要求，選用了AD7794采樣控制器。AD7794是6通道、低功耗、24位Σ-Δ型ADC，內置精密低噪聲、低溫漂帶隙基準電壓源，也可采用最多兩個外部差分基準電壓;另外它還具有可編程激勵電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產生器。所以對于熱電阻和熱電偶型輸入信號，均可以直接與A/D相連，不需要外部額外提供激勵電流源及參考電壓。由于AD7794采樣控制器的典型功耗只有400 μA，因而其符合系統低功耗的設計要求。芯片可以采用內部或外部時鐘工作，適應2.7～5.25 V電源供電，額定溫度范圍為－40～125℃，符合標準中－20～70℃工作范圍的要求。

除了上述三個核心器件以外，本文還選用了X25045芯片作為EEPROM，用于保存數據;同時選用SST39VF160芯片作為Flash，用于裝載程序。硬件總體配置如圖1所示。

圖1 溫度變送器硬件設計Fig.1 Hardware design of the temperature transmitter

3 軟件設計

PA溫度變送器軟件設計的主要任務可以分為三部分:首先要實現PA通信，包括循環與非循環的通信功能以及PA行規的實現;第二要實現溫度信號的采集與轉換，包括A/D采樣與數據處理;第三要實現變送器的組態。需要編寫設備描述程序。其中循環與非循環通信功能的實現以及溫度信號的采集與轉換是設計的重點。

智能通信芯片SPC4-2芯片能夠自動接收總線上的數據，并以中斷的方式通知CPU。因此，通信程序的任務就是對主站發送來的報文進行解碼，識別源服務訪問點(source service access point，SSAP)和目的服務訪問點(destination service access point，DSAP)，并根據SSAP判斷是循環還是非循環服務，再根據DSAP調用不同的功能［7－8］。在Profibus協議文本中，已對不同的SSAP和DSAP值代表的功能進行了規定，是必須共同遵守的。如SSAP等于50表示循環服務，60表示非循環服務。在循環服務中，DSAP使用55～62來表示具體的功能;在非循環服務中，49表示調用非循環資源管理狀態機，48及以下表示調用非循環通信狀態機。

SPC4-2內部已經集成了對數據交換、讀輸入、讀輸出服務的處理，其他如DPV0服務的從站診斷、參數設置以及DPV1的全部服務都要靠軟件來實現。

作為從站，SPC4-2主要的通信關系包括與一類主站的循環和非循環通信以及與二類主站的非循環通信。在實際應用中，由于非循環通信功能通常是由二類主站使用的，一類主站主要負責循環通信，因此本文只設計了循環傳輸的MSCY1S狀態機和非循環傳輸的MSAC2S、MSRM2S狀態機，而省略了從站與一類主站的非循環通信功能。報文接收處理整體流程如圖2所示。

溫度信號采集與處理程序流程圖如圖3所示。

圖3 溫度信號采集與處理程序流程圖Fig.3 Progress flowchart of collection and processing of temperature signals

本文的溫度信號輸入設備有熱電阻與熱電偶兩種類型。其中，熱電阻產生的是電阻信號，需要啟動A/D內部的激勵電流源來將電阻信號轉化為電壓信號;熱電偶產生的是電壓信號，A/D可以直接進行轉換，但是如果熱電偶需要冷端補償，同樣需要使用熱電阻。因此，兩者的工作環境與使用的采樣通道是不一樣的。采樣時首先要根據傳感器類型設置對應的采樣環境與采樣通道，然后再將采樣值根據標定數據轉換成對應的電阻或電壓值，最后再變換成溫度值。

將電阻或電壓值轉換成溫度值的方法有很多種，如牛頓法、解析法、查表法等，本文采用了多段折線法來實現這一過程，下面以熱電偶為例進行說明。首先根據標準分度表中電壓值與溫度值的對應關系，描繪出它們的關系曲線;根據曲線的平滑度，劃分出多個小區間，區間越小，則精度越高;將每一區間的曲線近似看作是直線，則根據區間的兩個端點可以計算出直線的方程;將所有直線的斜率、偏移量、端點等數據集合在一起，以表的形式存儲在程序中。當輸入信號為電壓時，首先查找其所屬的區間，再根據本區間的線性關系式即可計算出相應的溫度值。

4 結束語

本文所設計的協議棧軟件經過了Profibus-PA的一致性測試;將傳統的“儀表卡+通信圓卡”的設計合為一體，減少了硬件數量，降低了軟件復雜度;設備描述程序經組態軟件導入，實現了對變送器的組態與監控。通過測試，變送器對于各種類型的熱電偶及熱電阻輸入均滿足0.2%的精度標準。本產品經過溫濕度、全脈沖、靜放電等試驗的測試，均達到了相應的標準，可以規模化生產。

［1］陽憲惠.現場總線技術及其應用［M］.北京:清華大學出版社，1999:5－8.

［2］文莉輝.現場總線Profibus-PA從站技術研究及遠程I/O開發［D］.北京:北京化工大學，2009.

［3］徐春玲，凌志浩.本安現場總線Profibus-PA及其應用［J］.自動化儀表，2006，27(7):42 －45.

［4］尚海青.基于Profibus現場總線技術的產品設計與開發［D］.濟南:濟南大學，2008.

［5］張永德，文莉輝.Profibus-PA從站非循環通信的研究與實現［J］.計算機測量與控制，2009，17(8):1555 －1556.

［6］惠敦炎，劉丹.Profibus PA應用行規(PA-Profile)新版V3.02點評［J］.儀器儀表標準化與計量，2009(4):39－41.

［7］姚運萍，姬鵬軍，趙計生.基于Profibus-PA接口溫度變送器模塊［J］.科學技術與工程，2008，20(8):5686 －5689.

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