現(xiàn)場(chǎng)總線適配器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用解決方案

一、概述

隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制的廣泛應(yīng)用，控制局域網(wǎng)絡(luò)也深入應(yīng)用到各行各業(yè)之中。現(xiàn)行的諸多控制系統(tǒng)，若采用單機(jī)控制方式已越來越難以滿足設(shè)備控制的要求，因?yàn)橥覀兯刂频脑O(shè)備只是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)基本單元，它既需要外部輸入一些必要的信息，同時(shí)也需要向外部輸出自身的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。所有這些，都要求我們采用控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將眾多設(shè)備有機(jī)的連成一體，以保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

實(shí)際生產(chǎn)的巨大需求促進(jìn)了局部總線的發(fā)展，同時(shí)也帶來了“百花齊放，百家爭鳴”的盛況。從國外到國內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)較為流行的有：RS-232；RS-422/485；HART；ProfieldBus；Dupline；CAN；Lonworks；FF以及未來極有發(fā)展?jié)摿Φ腃Ebus。目前我國的實(shí)際情況是RS-232/RS-422/RS-485應(yīng)用最為普及，CAN網(wǎng)的發(fā)展速度最快而其它優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)（如FF，Lonworks）在國內(nèi)普及尚需時(shí)日?，F(xiàn)在國內(nèi)外大部分的網(wǎng)絡(luò)終端控制設(shè)備帶有RS-232/RS-422/RS-485 或者CAN 接口，為了便于利用這些控制設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成，設(shè)計(jì)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線適配器將十分必要。

二、功能描述

本通訊適配器包括三個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)接口分別是RS-232、RS-422/485和CAN接口能夠完成以下功能：

1、RS-232到RS-422/485之間的通訊適配

帶有RS-232接口的主機(jī)（如PC操作站、過程站等）或從機(jī)（如現(xiàn)場(chǎng)控制單元、智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等）可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線適配器的RS-422/485接口連入由其構(gòu)成的局部控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)RS-422/485網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和命令的傳輸。

2、RS-232到CAN網(wǎng)之間的通訊適配

帶有RS-232接口的主機(jī)（如PC操作站、過程站等）或從機(jī)（如現(xiàn)場(chǎng)控制單元智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等）可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線適配器的CAN接口連入CAN網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于CAN網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和命令的傳輸。

3、RS-422/485到CAN網(wǎng)之間的通訊適配

該通訊適配器能夠?qū)⒁粋€(gè)系統(tǒng)中的RS-422/485網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)實(shí)現(xiàn)相互連接。這樣當(dāng)源地址在RS-422/485網(wǎng)絡(luò)，而目標(biāo)地址在CAN網(wǎng)時(shí)，或者當(dāng)源地址在CAN網(wǎng)絡(luò)，而目標(biāo)地址在RS-422/485網(wǎng)時(shí)，通訊適配器可以完成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)和命令的傳輸。由此解決了系統(tǒng)集成過程中不同網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的互連問題，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更寬的選擇范圍達(dá)到更先進(jìn)的水平。

4、相同或不同網(wǎng)絡(luò)之間的距離、節(jié)點(diǎn)數(shù)和分支擴(kuò)展

由于RS-422/485和CAN網(wǎng)均為總線型網(wǎng)絡(luò)，它們的通訊距離、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)分支擴(kuò)展都有一定程度的限制，采用現(xiàn)場(chǎng)總線適配器后，可以任意擴(kuò)展和連接，這在組建較為復(fù)雜的總線型網(wǎng)絡(luò)時(shí)十分有用。

5、通過連接外置MODEM，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和命令的更遠(yuǎn)距離傳輸

當(dāng)更遠(yuǎn)距離的監(jiān)控或管理中心，需要遙測(cè)或遙控本地網(wǎng)絡(luò)（RS-422/485或CAN網(wǎng)）的設(shè)備時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)通訊適配器可以采用連接外置MODEM方式，通過電話線或?qū)＞€，完成本地RS-422/485網(wǎng)絡(luò)或CAN網(wǎng)與遠(yuǎn)方監(jiān)控或管理中心的數(shù)據(jù)和命令的傳輸。

三、硬件設(shè)計(jì)

我們將網(wǎng)絡(luò)適配器按其功能劃分為五個(gè)部分，包括網(wǎng)絡(luò)適配器的最小系統(tǒng)、RS-232接口、RS-422/485接口、CAN接口和電源等部分。以下是每個(gè)部分的具體實(shí)現(xiàn)方法及其特點(diǎn)。

1、現(xiàn)場(chǎng)總線適配器的最小系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線適配器的最小系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分（CPU、uP監(jiān)控復(fù)位、RAM和非易失性串行EEPROM）：

ATMEL公司的89C51，它是適配器的信息中央處理單元，在軟件的支持下執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)命令、數(shù)據(jù)的接收、處理并發(fā)送出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)命令和數(shù)據(jù)，發(fā)揮總線適配器在現(xiàn)場(chǎng)局部網(wǎng)絡(luò)中的作用。

Maxim公司的MAX824，具有高、低復(fù)位電平輸出，集強(qiáng)大功能（上電復(fù)位、欠電壓復(fù)位、“看門狗”等和微小封裝（SOT23-5）于一身，是uP監(jiān)控復(fù)位電路的理想選擇。

RAM62256（256kbit），用于通訊過程中各網(wǎng)絡(luò)的接收和發(fā)送緩沖區(qū)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接收和發(fā)送緩沖區(qū)及CPU數(shù)據(jù)處理緩沖。

EEPROM 93C46（512kbit），用以存放網(wǎng)絡(luò)配置，包括網(wǎng)絡(luò)種類、各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目及地址信息等。

其電路原理圖如圖1所示。

圖1 總線適配器小系統(tǒng)原理圖

2、RS-232接口部分

由于本現(xiàn)場(chǎng)總線適配器包括RS-232和RS-422/485兩個(gè)獨(dú)立的接口，勢(shì)比需要二個(gè)異步串行口（UART），而CPU89C51只帶有一個(gè)（UART），顯然本系統(tǒng)中需要外擴(kuò)一個(gè)UART。鑒于體積、功耗和性能價(jià)格比上的考慮，傳統(tǒng)的UART控制器如8250等已難以滿足要求，令人鼓舞的是Maxim公司推出不久的SPI接口的UART控制器正好滿足要求，其主要性能為：SPI/Microwire兼容的uP接口，8字節(jié)接收FIFO，9位地址識(shí)別中斷、IrDA SIR時(shí)序兼容、RTS輸出和CTS輸入最高波特率230k、工作電壓+2.7V至+5.5V、工作電流僅0.5mA、DIP14或QSOP16封裝。MAX3100優(yōu)良的性能，更適合在本系統(tǒng)中使用。

RS-232通訊接口部分包括UART控制器和RS-232/TTL電平轉(zhuǎn)換IC。UART采用了MAX3100，而接口芯片采用了單+5V供電的MAX202（傳統(tǒng)上采用±12 或±15V供電的MC1488和MC1489兩片方案）完成電平的相互轉(zhuǎn)換。采用上述方案，使我們大大地簡化了電路和電源設(shè)計(jì)、減小體積、降低功耗和成本。此部分的電路原理如圖2所示。

圖2 RS-232接口電路部分原理圖

3、RS-422/485接口部分

圖3所示的RS-422/485接口部分原理圖是典型的RS-422/485通訊接口電路，即適用于全雙工的RS-422（所有的RS-422/485 選擇開關(guān)斷開），也適用于半雙工的RS-485（所有的選擇開關(guān)閉合）。89C51提供UART控制器，其中P1.5控制發(fā)送使能端Tx-EN。 接口芯片采用的是MAX1482（傳統(tǒng)上采用75174和75175或MC3486和MC3487兩片方案）實(shí)現(xiàn)TTL/RS-422電平的相互轉(zhuǎn)換，除了縮小體積、降低功耗外，還具有最多256個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的收發(fā)能力。

圖3 RS-422/485接口部分原理圖

4、CAN總線接口部分

CAN總線之所以在國內(nèi)乃至全球范圍內(nèi)一直保持高速發(fā)展，這完全取決于其卓越的性能。最早CAN總線主要應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，隨著集成工藝的發(fā)展和成本的降低，被越來越多的控制領(lǐng)域內(nèi)的軟硬件工程師所接受，廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的控制局域網(wǎng)中。應(yīng)該說，F(xiàn)F、Lonworks 或CEbus 與國內(nèi)的技術(shù)狀況和承受能力有一段距離，CAN總線可能更適合我國國情。其主要性能指標(biāo)為：多主站仲裁結(jié)構(gòu)（分地址優(yōu)先級(jí)，非破壞方式仲裁）；支持主從或廣播方式；不加任何擴(kuò)展最多110個(gè)節(jié)點(diǎn)；最高通訊速率1Msps；最遠(yuǎn)通訊距離5kM；通常CAN控制器內(nèi)部設(shè)有接收和發(fā)送緩沖區(qū)，通訊以幀為單位，最多8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，硬件自動(dòng)進(jìn)行16位CRC校驗(yàn)，而且具有極強(qiáng)的總線和通訊錯(cuò)誤的管理能力。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的CAN接口電路中采用了PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN總線控制器和CAN接口芯片，分別為82C200（引腳兼容的升級(jí)版本為SJC1000）和82C250， 圖4為典型的CAN總線接口部分原理圖。由于CAN總線的控制器和接口IC的內(nèi)容太多，在此不作詳細(xì)描述。

圖4 CAN接口部分原理圖

5、電源部分

電源方案采用體積小、重量輕的AC-DC模塊，輸入電壓范圍165-265VAC，輸出兩組電源，分別為VCC，GND（+5V/250mA）和+5V，GND2（+5V/150mA）較簡單地完成電源方案設(shè)計(jì)。

四、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，依據(jù)各個(gè)功能部分進(jìn)行模塊劃分，大致劃分為：總線適配器內(nèi)部參數(shù)初始化；主循環(huán)程序；RS-232、RS-422/485和CAN接口初始化；各總線網(wǎng)絡(luò)、各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送緩沖區(qū)初始化；RS-232、RS-422/485和CAN接口對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序；通訊信息數(shù)據(jù)包的命令解釋和處理程序；RS-232、RS-422/485和CAN接口對(duì)應(yīng)于通訊信息包的裝載和卸載程序；RS-232、RS-422/485和CAN接口對(duì)應(yīng)的出錯(cuò)處理程序。

為便于網(wǎng)絡(luò)命令和數(shù)據(jù)處理，本總線適配器采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包格式，它們是：源邏輯地址（2字節(jié)）、目標(biāo)邏輯地址（2字節(jié)）、命令（1字節(jié)）、數(shù)據(jù)長度（1字節(jié)）、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)累加校驗(yàn)和（2字節(jié)）。其中源地址和目標(biāo)地址定義基本相同，各位定義如下：B15——代表主從方式或廣播方式；B14——代表主機(jī)或從機(jī)；B13，B12——代表第幾個(gè)RS-232網(wǎng)絡(luò)區(qū)間（1至3，0代表不是該網(wǎng)絡(luò)地址，以下定義相同）；B11，B10——代表第幾個(gè)RS-422/485 網(wǎng)絡(luò)區(qū)間；B9，

B8——代表第幾個(gè)CAN 網(wǎng)絡(luò)區(qū)間；B7-B0——對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)間下的物理地址（同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)間下最多允許256個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）。限于篇幅，在此不作更詳細(xì)的討論。

五、應(yīng)用實(shí)例

在赤峰遠(yuǎn)大肉牛加工廠的冷庫計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)中（LJC-1000）采用了該現(xiàn)場(chǎng)總線適配器，圖5為赤峰遠(yuǎn)大肉牛廠冷庫DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。在研制DCS系統(tǒng)過程中，充分利用現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)終端控制設(shè)備在不同控制對(duì)象中的性能和成本優(yōu)勢(shì)，較好地解決了將不同終端網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備連成一個(gè)控制系統(tǒng)的難題，使冷庫的整個(gè)DCS 控制系統(tǒng)自動(dòng)化控制和管理達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。

圖5 赤峰遠(yuǎn)大肉牛廠冷庫DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

六、結(jié)論

實(shí)踐證明，本現(xiàn)場(chǎng)總線適配器能夠較好地解決了不同現(xiàn)場(chǎng)總線之間的相互連接的問題。而且隨著RS-422/485和CAN 總線進(jìn)一步發(fā)展，基于這些網(wǎng)絡(luò)接口的現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備將更趨多樣化，現(xiàn)在以至將來，在系統(tǒng)集成中必不可少地要使用現(xiàn)場(chǎng)總線適配器。因此此類現(xiàn)場(chǎng)總線適配器包括將來兼容FF、Lonworks和CEbus的總線適配器將具有廣泛的應(yīng)用前景。

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