基于電流合成的現場總線發送電路設計

辛曉寧,李超

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870)

基于電流合成的現場總線發送電路設計

辛曉寧,李超

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870)

文中給出了一種基于BCD350工藝的現場總線MAU芯片的恒流控制和信號發送電路設計方法。該電路可通過外部電阻設定靜態電流,并用過電流合成的方法實現對稱和非對稱發送模式自動轉換。HSPICE仿真表明,電路的恒流特性和發送信號波形滿足現場總線通信協議要求。

現場總線；MAU；發送電路；電流合成；通信協議

現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線［1-2］。介質結合單元［3］（Medium Attachment Unit—MAU）負責內部數字電路與總線的數據轉換及能量獲取。總線供電的儀表在空閑狀態下從總線上吸收恒定的電流,在發送信號時,通過改變從總線上獲取的電流,實現內部數字信號到總線信號的轉換。現場總線通信協議［4］IEC1158-2對MAU電路的恒流特性及發送信號的波形均有嚴格要求,該電路是設計MAU芯片的關鍵。由于用戶對MAU芯片高性能、低功耗的需求和其芯片本身系統復雜性的原因,使其芯片集成設計存在諸多難點。國內市場現有對介質結合單元的設計產品還停留在由單片機結合分立器件組建其系統的階段,并沒有相應的集成芯片產品。而國際市場上也僅有西門子生產的SIM1-2芯片能夠實現MAU功能。因此,實現MAU的集成設計存在廣闊的市場空間。本文重點討論總線供電型MAU芯片中的恒流控制電路和發送電路的設計及實現方法。

1 電路功能、結構及具體模塊的實現

1.1 MAU電路的設計需求

未進行數據傳輸時,芯片處于空閑狀態,MAU從總線上吸取的恒定電流,稱為靜態電流,該電流也芯片的工作電流。MAU設計要求,總線靜態電流可由外部電阻決定,且滿足關系式:RIQ［MΩ］=0.05*IQ［mA］,100 kΩ≤RIQ≤2.5 MΩ。

在通信協議中規定,總線電流的擺幅必須設置在7.5～10 mA之間。信號擺幅過小,導致信號較弱,不利于信號的接收；而信號擺幅過大,會導致總線系統不穩定,不利于現場總線上其他信號的傳輸。因此本次設計采用擺幅為±10mA的發送信號。

進行數據傳輸時,芯片處于發送狀態,MAU以31.25 kHz的速率和典型值為±10 mA的擺幅改變從總線上吸取的電流來發送信號。發送狀態下,MAU存在對稱調制和非對稱調制兩種波形模式,（如圖1所示）。當靜態電流時,以值為中心值, ±10 mA擺幅,產生以值為中心對稱的信號波形,稱此時MAU處于對稱調制模式；反之稱為非對稱調制模式。非對稱調制模式的提出是為了緩解總線供電壓力,降低芯片自身的功耗,使MAU芯片工作電流小于10 mA時仍能實現信號的發送。

圖1 MAU兩種波形模式Fig.1 Two waveform modes of MAU

1.2 總體結構和各模塊基本功能

發送電路設計基于BCD350工藝,按照MAU芯片功能及通信協議要求,其系統電路結構如圖2所示,實現控制MAU對總線電流的吸取,最終達到信號發送的目的。

為實現芯片的啟動,并順利進入穩定的工作狀態,設計了如圖2所示的由恒流源IS1和IS2、穩壓管D0、耐壓40 V耗盡型MOS管M0和M1組成的啟動電路。起到初始穩壓源的作用,在啟動時提供約為5 V電壓。當芯片系統逐漸進入穩定狀態時,穩壓電路提供電壓VE約為6.3 V,啟動模塊不再提供工作電流。因此系統達到穩定狀態后,啟動電流I0會變得很小,可忽略不計。

圖2 MAU發送電路的系統電路結構圖Fig.2 System circuit diagram of MAU transmitter

由閉環網絡,達到保證總線恒定電流的目的。通過將波形設置單元的電流合成信號加入反饋網絡,實現電路對總線電流吸收的控制,達到控制信號發送的目的。

1.3 總線靜態電流的實現

電流檢測對實現電流反饋閉環控制和系統保護來說很重要。低端電流檢測雖然易于實現,但會導致系統穩定性差。為實現系統的穩定性,采用高端電流檢測［5-6］。應用電阻網絡分壓法解決高端電流檢測帶來的高共模輸入信號問題。電流反饋閉環控制網絡結構如圖3所示。

圖3 閉環網絡結構圖Fig.3 Closed loop diagram

圖3 中,RSENSE是阻值為10 Ω的外接檢測精確電阻。設計中r阻值很大,確保流經,R3電阻電流較小,可忽略不計。根據電路可知,

由圖2可知電路總線電流大小為,

根據公式（2）,合理設計電壓值,即可控制空閑狀態時靜態總線電流值；周期性改變幅值,即可實現總線電流的變化,實現的信號發送。

1.4 電流合成單元

由圖1可以看出信號發送時,會出現3種檔位電流值。結合公式（1）,需要設計出至少3個可選擇檔位的電壓值,才能實現信號的發送。

傳統實現電壓變化的方式如圖4所示,由選擇器選擇開關檔位,實現不同電平的轉換,完成信號的發送。這種電路結構只能實現對稱與非對稱調制模式之中的一種,無法實現二者兼顧。

圖4 電壓選擇方式單元原理圖Fig.4 Voltage selection schematic

為了實現對稱與非對稱調制模式自動轉換,完成總線靜態電流IQ由用戶根據系統供電需求進行合理設置的要求,設計了一種基于電流合成的單元原理圖,如圖5所示。

圖5 電流合成方式單元原理圖Fig.5 Current synthesisschematic

I1為模式轉換補償電流,且其值隨VIQ大小改變:

I2為數字信號控制電流,由開關K2、K3決定其電流方向；I3為修調補償電流,由開關K4、K5決定其電流方向。發送使能TXE和發送信號TXS共同決定開關檔位。空閑狀態時,TXE= 0時,K1閉合,K2～K5均斷開；發送狀態時,TXE=1,K1斷開,此時TXS=1,K2斷開K3閉合,TXS=0,K2閉合K3斷開。

空閑狀態時:TXE=0,此時

當VIQ≥0.5 V時,VR=Vt=VIQ

當VIQ＜0.5V時,Vt=VIQ+I1R2=0.5 V,VR=0.5-I1R1=VIQ

即空閑狀態時,VR=VIQ

發送狀態時:TXE=1,忽略修調電流的作用,

當VIQ≥0.5 V時,VR=VIQ,因此

TXS=1,VH=VR+I2R1；

TXS=0,VL=VR-I2R1

當VIQ＜0.5 V時,VR=Vt=0.5 V,因此

TXS=1,VH=0.5+I2R1；

TXS=0,VL=0.5-I2R1

電流合成單元實際電路如圖6所示,該單元能夠實現由外接電阻RIQ設置總線靜態電流IQ值,以及對稱模式和非對稱調制模式之間的自動轉換。

圖6 電流合成單元電路圖Fig.6 Current synthesis unitcircuit

Vs為芯片內部帶隙提供的0.5 V基準電壓。電阻R2=R3= r0（r0為圖5中的阻值）。TXE為發送使能信號端口,空閑狀態TXE=0,發送狀態TXE=1。VIQ電壓值由外部電阻RIQ決定,

Ibias為芯片內部提供的1 μA基準電流。模式轉換單元電路工作原理如下:

1）空閑狀態時,TXE=0,M12導通,電流I1存在；

①當RIQ≥500 kΩ時,芯片為對稱調制模式,由公式（4）,VIQ≥0.5 V,即VIQ≥Vs,電阻R3處無電流產生,電路中無鏡像電流,

在不考慮修調的情況下,由公式（3）（4）（5）得Vout值,

②當100 kΩ≤500 kΩ時,芯片進入非對稱調制模式, VIQ＜500 mV,可知通過電阻的電流及其鏡像電流大小為（Vs-VIQ）/R3,此時,

此時VR處電壓由公式（3）（7）（8）可知

由公式（6）（9）可以看出,在空閑狀態下,

可以實現圖5中的原理設計,并實現由外接電阻決定總線靜態電流的要求。

2）發送狀態時,此時TXE=1，M12關斷,I1=0；

①當RIQ≥500 kΩ時,芯片為對稱調制模式,且不考慮修調的情況下,由公式（3）（6）可知,

②當100 kΩ≤RIQ＜500 kΩ時,芯片進入非對稱調制模式,由公式（3）（7）得,

公式（11）（12）可以看出設計中實現了圖5的原理功能,能夠實現對稱調制模式與非對稱調制模式之間的自由轉換的設計要求。

圖5中I2數字信號控制電流由圖7結構產生,功能是將數字通信信號轉換為模擬電流形式,進行發送數據的轉換。采用采用電流舵結構易實現模擬與數字電路兼容,且電流建立時間較小,轉換速度快。并且實現控制電流方向的作用。

圖7 簡單電流舵結構圖Fig.7 Current-steering diagram

K2與K3為發送信號TXS產生的不交疊時鐘信號,I2處會隨時鐘信號的變化產生方向相反大小相同的±Iss電流,且設計其大小為

I3修調補償電流是解決集成電路自身工藝缺陷導致設計參數存在偏差的問題。本次設計修調電路采用開關樹形修調網絡,占芯片面積小,且易于實現。其控制電流方向電路與電流舵結構類似。

1.5 整體電路

由各單元原理分析,推導總線電流公式:

1）空閑狀態時,靜態電流設置公式由公式（1）（2）（10）可知,

Ire=I3/5為修調補償電流。若不考慮修調電流,則該公式滿足MAU發送電路功能中設定條件:

2）發送狀態時,忽略修調電流,電流波形公式:

①對稱調制模式,由公式（2）（11）（13）,

②非對稱調制模式,由公式（2）（12）（13）,

從公式中可以看出發送信號波形滿足兩種調制模式的設計要求。

2 整體電路HSPICE仿真測試結果

圖8上圖為對稱調制模式,圖8下圖為非對稱調制模式。

圖8 仿真發送電路的信號波形（電流）Fig.8 Signal waveform of transmitter（Current）

MAU發送電路功能圖如8所示,電路能夠實現對稱調制模式,以及非對稱調制模式,并且能夠實現通過改變外部電阻阻值,設置總線靜態電流的目的。圖9為發送信號的波形圖,結合表1中MAU主要技術指標和IEC1158-2協議中關于信號波形的主要參數指標,證明該電路產生的信號波形完全滿足通信協議要求,并優于協議要求。

圖9 仿真發送電路的信號波形局部放大圖（電壓）Fig.9 Signal waveformamplified of transmitter（Voltage）

表1 IEC61158通信協議主要參數指標Tab.1 IEC61158 communication protocol main parameters

3 結束語

文中以閉環負反饋網絡為基礎,應用電流合成原理,從系統設計、關鍵模單元計等方面介紹了一種基于電流合成的現場總線MAU芯片發送電路的設計,最終給出發送信號波形原理的推導公式。利用HSPICE仿真測試驗證了電路設計的正確性,實現了由用戶決定芯片工作電流值的要求,并完成了10mA以上對稱模式和10mA以下非對稱模式的自由轉換,且使發送信號波形滿足通信協議IEC1158-2要求。此發送電路對實現現場總線技術中發送信號的設計有一定的借鑒作用,工程實用價值顯著。

［1］劉澤祥，李媛.現場總線技術［M］.北京:機械工業出版社,2011.

［2］Thomesse JP.Fieldbus Technology in Industrial Automation［J］.Proceedings of the IEEE,2005,93（6）:1073-1101.

［3］辛曉寧,汪瀅,于海斌.總線供電的FF現場總線媒體結合單元（MAU）電路設計［J］.儀表技術與傳感器,2003（10）:40-42.XIN Xiao-ning，WANG Ying，YU Hai-bin.Circuit design of bus-powered FF fieldbus medium attachment unit（MAU）［J］.Instrument Technique and Sensor,2003（10）:40-42.

［4］Vitturi S.Some features of two fieldbuses of the IEC61158 standard［J］.Computer Standardsand Interfaces，2000,22（3）: 203-215.

［5］El-adawyAA，Soliman A M.A low-voltage single input class AB transconductor with rail-to-rail input range ［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems-I:Fundamental Theory and Applications,2000,47（2）:236-242.

［6］江力，吳曉波，嚴曉浪.寬輸入共模電壓范圍電流檢測放大器的研究與設計［J］.半導體學報,2007,28（8）:1289-1294.JIANG Li，WU Xiao-bo，YAN Xiao-lang.Research and design of wide input common-mode range current-sensing amplifiers ［J］.Chinese Journal of Semiconductors，2007，28（8）: 1289-1294.

［7］蘇贇臻.基于數字算法的電流檢測溫度補償設計［J］.電子設計工程,2014(9):113-116，119.SU Yun-zhen.Temperature compensation design for current sening based on digital algorithm ［J］.Electronic Design Engineering,2014(9):113-116，119

［8］王鵬云.基于單片機MSP430F449的寬帶直流放大器設計［J］.電子設計工程,2013(11):71-74.WANG Peng-yun.Design the width-band DC amplifier based on themicrocomputerMSP430F449［J］.Electronic Design Engineering,2013(11):71-74.

Design of fieldbus transmitter based on current synthesis

XIN Xiao-ning,LI Chao
（Information Science and Engineering School,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China）

In this paper，it shows a design based on BCD350 process，that constant current control and signal transmission circuit of fieldbus MAU chips.The quiescent current of this circuit can be set by an external resistor，and circuit supports symmetric and asymmetric transmission mode by current synthesis.HSPICE simulations show that the constant characteristics of the circuit and the signal waveform of transmission satisfy fieldbus communication protocol requirements.

fieldbus；Medium Attachment Unit(MAU)；transmitter；current synthesis；communication protocol

TP212

：A

：1674-6236（2015）18-0153-04

2014-11-28稿件編號：201411246

辛曉寧（1965—）,男,遼寧沈陽人,博士,教授。研究方向:大規模集成電路和SOC的低功耗設計方法。