摘 要：本文采用基金會現(xiàn)場總線通信控制芯片F(xiàn)B3050作為通信控制器進行PC機與基金會現(xiàn)場總線智能壓力變送器進行通信的系統(tǒng)設計，實現(xiàn)上位機與現(xiàn)場總線上的符合FF協(xié)議的壓力變送器的自主通信。
關鍵詞：FF總線，通信，F(xiàn)B3050，MSC1210
1、 引言
基金會現(xiàn)場總線（FF）系統(tǒng)是把具備通信能力，同時具有控制、測量等功能的現(xiàn)場設備作為節(jié)點，通過總線把它們互聯(lián)為網(wǎng)絡。通過各節(jié)點儀器儀表間的操作參數(shù)與數(shù)據(jù)調用，實現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)的各項自動化功能，形成網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)。FF總線作為控制現(xiàn)場的最底層通信網(wǎng)絡可以通過符合FF總線協(xié)議的通訊接口卡將其與工廠管理層的網(wǎng)絡掛接，實現(xiàn)生產現(xiàn)場的運行和控制信息與控制室、辦公室的管理指揮信息的溝通和一體化，構成一套完整的工業(yè)控制信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。
2、 FF壓力測量系統(tǒng)的總體設計
本文設計的是一套完整的FF壓力測量系統(tǒng)。它不僅設計了符合FF協(xié)議的智能壓力變送器，而且設計了用來實現(xiàn)FF總線智能壓力變送器與上位機通訊的FF總線PC接口卡，由系統(tǒng)中的FF總線連接，形成了一套完整的FF總線壓力測量系統(tǒng)。具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示：
圖1 FF壓力測量系統(tǒng)的總體框圖
本系統(tǒng)的工作原理如下：FF總線智能壓力變送器將測得的壓力信號轉化為符合基金會現(xiàn)場總線數(shù)字信號傳送到FF總線上，通過FF總線信號被FF總線PC接口卡接收，F(xiàn)F總線PC接口卡將接收到的信號轉化為符合PC_ISA總線的信號，然后通過PC_ISA總線傳送到
上位PC機;相對應，上位PC機的控制信號則是通過對稱的方式傳送到FF智能壓力變送器來實現(xiàn)對變送器的操作。
3、 FF總線智能壓力變送器的設計
FF總線智能壓力變送器主要由傳感器與輸入電路、通信接口和媒體訪問單元三部分構成，其中的通信接口的設計是重點方面。本部分設計采用美國德州儀器公司（TI）的集成多路24位A/D轉換器的MSC1210微處理器和SMAR公司的基金會現(xiàn)場總線通信控制芯片F(xiàn)B3050來研制FF智能壓力變送器，完成對液體或氣體壓力參數(shù)的高精度數(shù)據(jù)采集、處理，并通過FF總線進行可靠的全數(shù)字數(shù)據(jù)通信。
圖2 FF總線智能壓力變送器的原理簡圖
本部分的具體構成及連接方式如圖2所示。下面簡單介紹一下這部分的工作原理，首先壓力傳感器在恒流源的驅動下采集壓力信號并將采集到的mv信號通過由MSC1210模擬輸入通道AIN0和AIN1組成的差分輸入通道傳送給微處理器進行處理，經(jīng)過MSC1210處理之后的信號再通過FB3050和MAU進行與總線通信。通信接口設計是本部分的重點和難點所在，具體的設計方法如下：由于FB3050的接口設計上已經(jīng)充分考慮了與Intel系列CPU接口問題，因此MSC1210的數(shù)據(jù)地址總線可以直接與FB3050的數(shù)據(jù)地址總線相連接，但必須輸出一個高電平信號到PI_MODE，表示選用的是Intel系列CPU。MSC1210具有數(shù)據(jù)/地址復用端口P0，同時FB3050也支持數(shù)據(jù)/地址復用，所以無需外接地址鎖存器電路。具體的連接方法是：MSC1210的P0.0～P0.7與FB3050的8位CPU數(shù)據(jù)總線PB_CDATA[0:7]對應相連接，同時輸出一個高電平給FB3050的PI_MUXON表示使用的是地址/數(shù)據(jù)復合總線，并且將MSC1210的地址鎖存信號輸出腳ALE與FB3050的地址鎖存信號輸入腳PI_CAS相連接。MSC1210地址總線的高8位輸出P2端口與FB3050的16位CPU地址總線PI_ADDR的15～8腳對應相連。由于使用了地址/數(shù)據(jù)復用總線，因此FB3050的16位CPU總線的7～0腳需要與地相連接。FB3050的中斷輸出、MSC1210的外部中斷輸入均為低電平有效，所以直接相連即可完成中斷請求的要求。MSC1210的時鐘輸出信號直接可以作為FB3050的系統(tǒng)時鐘輸入。具體的連接如圖2所示，這樣MSC1210與FB3050之間的數(shù)據(jù)和控制信息的通信就得到了解決，也就完成了通信接口的設計。
4、 FF總線PC接口卡的設計
上位PC機與FF現(xiàn)場總線無法直接相連而實現(xiàn)它們之間的信息交換，所以必須設計FF總線PC接口卡來滿足它們之間互相通信的要求。圖3即為本部分的設計簡圖，它主要由雙口RAM芯片IDT7142、單片機INTEL80188、通信控制芯片F(xiàn)B3050和媒體訪問子層四個
圖3 FF總線PC接口卡設計簡圖
部分構成。本部分設計采用嵌入式控制中最常見的INTEL80188CPU作為接口卡上的CPU，INTEL80188提供20條地址總線，存儲器尋址空間為1MB，I/O最大尋址空間為64KB（16位地址線），片內還集成了一套中斷控制器、兩路DMA控制器、三個16位定時器、六條可編程的存儲器片選線、七條可編程的I/O接口片選線，對嵌入式控制線路的設計非常方便。在接口卡CPU與PC機CPU通信方面采用的是雙口RAM方式，因為這種方式可使兩邊的CPU在數(shù)據(jù)塊級同步。
5、媒體訪問單元的設計
媒體訪問單元（MAU）是FF智能壓力變送器和上位PC機能否實現(xiàn)正常通信的重要組成部分，它的功能是發(fā)送和接收符合FF規(guī)范的物理信號。其中FF總線信號的接收部分工作原理為：FF總線信號經(jīng)過三繞組變壓器傳送給由運放OP439構成10～40KHZ的帶通濾波器進行濾波處理，然后處理過后的信號傳送給由運放OP942構成的電壓比較器來完成信號整形，比較器整形后輸出一個比較干凈的數(shù)字信號給FB3050的PI_PHPDU引腳，這樣就完成了對FF總線信號的接收。而需要發(fā)送的信號則是通過由四個74HC126差分驅動器構成的總線驅動發(fā)送到FF總線上去的。四個74HC126分成兩組，每組內的兩個74HC126的輸入端連接在一起，然后兩組的輸入端由反向器相連接后接FB3050的PO_PHPDU引腳，而四個74HC126的允許端全部連接在一起后接FB3050的控制信號PO_TACT信號。還有，圖4中的電容C1和C2是為了隔直而使用的，R1和C3構成終端匹配器，R9、R10是限流電阻。
圖4 MAU簡圖
6、 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)的軟件設計主要由相同設計思想的兩個部分組成：上位PC機與基金會現(xiàn)場總線之間通信系統(tǒng)軟件設計和FF智能壓力變送器與基金會現(xiàn)場總線之間通信系統(tǒng)軟件設計。在這里我就以上位PC機與基金會現(xiàn)場總線之間通信系統(tǒng)軟件設計為例說明此系統(tǒng)的軟件設計。本部分設計的主要思路是：當現(xiàn)場總線上有信號時，信號先通過媒體訪問單元由FB3050接收并傳送給PC接口卡上的接收緩沖區(qū)，然后通過INTEL80188進行選擇后再通過PC_ISA總線接口傳送給PC機應用程序處理;反之，上位PC機需要發(fā)送控制信息時則是通過相反的方式進行發(fā)送。具體的軟件設計簡圖如圖5。
圖5 PC機與FF通信軟件設計圖
7、 結束語
隨著各種現(xiàn)場總線技術的越來越成熟，它們的應用也越來越廣泛，而現(xiàn)在所使用的DCS也將逐步為FCS所替代。作為幾種比較有影響力總線協(xié)議的FF總線更是凸現(xiàn)它的優(yōu)勢,所以基于FF總線技術的測量系統(tǒng)也將越來越被人們所青睞，這個方面研究也就非常有價值。
本文作者創(chuàng)新點在于將FF現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范融合到儀器儀表的設計中，實現(xiàn)了總線上的壓力變送器與上位控制計算機之間的全數(shù)字通信，代替了其他一些總線中模擬信號的存在，降低了受干擾的幾率，大大提高了總線上傳輸?shù)目煽啃裕屨讐毫y量系統(tǒng)適應更加惡劣的測量環(huán)境，具有很大的
