1、一種基于FF總線的智能控制系統(tǒng)設(shè)計摘要: 本文介紹了一種基于FF總線的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，主要解決了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通訊控制器、MCU選型、硬件接口和軟件的設(shè)計問題?？刂葡到y(tǒng)采用通訊控制芯片和CPU，完成現(xiàn)場信號采集、控制，并能通過USB接口上傳數(shù)據(jù)到上位PC機。系統(tǒng)利用FB3050片強大功能，可在低功耗條件下處理實時復(fù)雜通訊協(xié)議，并采用DMA方式，減少CPU開銷。 關(guān)鍵字: FF總線；MCU；控制系統(tǒng)；通訊協(xié)議 1 引言現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個新時代的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影

2、響。現(xiàn)場總線技術(shù)正受到國內(nèi)外自動化設(shè)備制造商與用戶的關(guān)注，它的出現(xiàn)，給自動化領(lǐng)域帶來了一次革命。基于現(xiàn)場總線及智能化儀表的控制系統(tǒng)FCS (Fieldbus Control System將逐步取代傳統(tǒng)DCS。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計本系統(tǒng)中通訊設(shè)備分為兩類，一類是通訊主節(jié)點，可作為總線系統(tǒng)中的鏈路活動調(diào)度器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，P89V51RD2單片機作為CPU，負責(zé)實現(xiàn)FF協(xié)議中的LAS功能。用FB3050作為與現(xiàn)場總線的接口芯片，負責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)包。用IS62C256 SRAM (32K作為CPU與FB3050共用的RAM，實現(xiàn)DMA功能。該主節(jié)點通過USB通訊口與上位機交換數(shù)據(jù)。圖1 通訊主節(jié)點結(jié)構(gòu)框

3、圖另一類是通訊從節(jié)點部分，作為網(wǎng)絡(luò)中的基本設(shè)備，F(xiàn)F通訊部分電路與主節(jié)點相同。數(shù)據(jù)采集與控制模塊中CPU選用AT89S52，該芯片內(nèi)置8K Flash存儲器和256B RAM，可滿足控制要求。CPU通過控制AD7705實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，輸出到DA0832實現(xiàn)對環(huán)境的控制。并設(shè)計有LCD顯示和按鍵功能。該模塊其通過串行通訊口與從節(jié)點網(wǎng)卡CPU相連。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 主CPU與通信控制芯片的選擇FB3050可與大多數(shù)CPU連接，本系統(tǒng)選用PHILIPS公司的P89VS1RD2。P89VS1RD2是一款8位80C51單片機的派生產(chǎn)品。它在完全保留80C51指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)的大框架外，作了很多的加

4、強和擴展。其將原有的對外部數(shù)據(jù)和程序存儲器的16位尋址機制加以應(yīng)用，把片上的RAM擴展到1024字節(jié)，片上Flash EPROM擴展到64kB, 滿足本系統(tǒng)中用C語言編程對片上大存儲器容量的需要。P89VSIRD2的典型特性是它的X2方式選項。利用該特性，設(shè)計者可使應(yīng)用程序以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率(每個機器周期包含12個時鐘或X2方式(每個機器周期包含6個時鐘的時鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的速度。這樣可將時鐘頻率減半并保持特性不變，這種方式運行可以降低EMI。FB3050是smar公司推出的第三代基金會現(xiàn)場總線通信控制芯片，符合ISA SP50-2-1992 

5、; PART2中規(guī)定的現(xiàn)場總線物理層規(guī)范，用作總線主、從設(shè)備的通信接口。芯片設(shè)計時考慮了和各種流行的微處理器接口問題。FB3050內(nèi)部有信號極性識別和矯正電路，因此允許總線網(wǎng)絡(luò)的兩根線無極性任意連接。其數(shù)據(jù)總線寬度為8位，地址可采用復(fù)用方式。3.2 CPU與FB3050的接口電路設(shè)計主節(jié)點網(wǎng)板完成鏈路活動調(diào)度器(LAS功能，同時要完成與上位PC機通訊。因此在網(wǎng)板設(shè)計中，選用高性能CPU P89VS1RD2，對FB3050和USBD12片選，分別使其進入工作狀態(tài)，完成不同功能。圖2 CPU與FB3050接口電路如圖2所示，CPU與FB3050接口電路包括三部分:系統(tǒng)總線接口控制總線接口和存儲總線

6、接口，P89VS1RD2與FB3050系統(tǒng)總線都采用8位數(shù)據(jù)總線，16位地址總線，并運行于數(shù)據(jù)、地址復(fù)用方式，即FB3050的高8位地址線和P89VS1RD2的高8位地址雙向I/O口P2相連，F(xiàn)B3050的數(shù)據(jù)線與P89V51RD2的數(shù)據(jù)雙向I/O口P0相連。而FB3050的低8位地址線接地，利用數(shù)據(jù)總線在讀寫操作的地址周期和數(shù)據(jù)周期，分別傳輸?shù)?位地址和數(shù)據(jù)信息。FB3050與P89V51RD2連接于同一個時鐘電路，由主CPU提供系統(tǒng)復(fù)位信號。3.3 AD轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計AD7705是AD公司推出的高性能、低成本16位- A/D轉(zhuǎn)換器。器件內(nèi)部包括多路開關(guān)、緩沖器、可編程放大器(PGA以及數(shù)

7、字濾波電路等?？芍苯訉鞲衅鞯奈⑷跣盘栠M行A/D轉(zhuǎn)換，簡化了外圍電路，而且因其具有高分辨率，自校準及低功耗等特點，非常適合在傳感器和儀表中進行數(shù)據(jù)采集。本設(shè)計利用RTD線性度高的優(yōu)點，結(jié)合AD7705的可編程放大的特點直接放大采集的差壓信號，將測量的信號送于單片機運算。這一方法特別適合于需要進行兩路測量的場合。如圖3所示，測量系統(tǒng)中AD7705芯片主要參數(shù)設(shè)計為主時鐘:FCLK為2.4576MHz，可滿足低速高精度的要求。AD7705的串行數(shù)據(jù)接口包括:片選輸入口，串行施密特邏輯輸入時鐘口SCLK，數(shù)據(jù)輸入口DIN，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口DOUT，指示數(shù)據(jù)準備就緒的狀態(tài)信號輸出口。其中DRDY輸入口轉(zhuǎn)

8、為低電平時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可讀取;否則不可讀取，本設(shè)計中將其連接于P89V51RD2外部中斷0觸發(fā)引腳(P3.2，通過查詢方式實現(xiàn)對AD7705中寄存器數(shù)據(jù)的讀取。SCLK接P89V51 RD2的P3口中未用的管腳P3.5, 數(shù)據(jù)輸入、輸出端DIN, DOUT共同接P3口中未用的另一管腳P3.4，并外接上拉電阻。在該種連接方式下，用P3.5口編程模擬AD7705的通信時序，以實現(xiàn)對AD7705的操作。圖3 CPU與AD7705接口電路3.4 通訊網(wǎng)卡和采集模塊間通訊    網(wǎng)卡和采集模塊間用串行口UART連接，8051系列芯片中提供了功能很強的全雙工串行通訊口。發(fā)送數(shù)據(jù)

9、由TxD引腳送出，接收時數(shù)據(jù)由RxD輸入。有兩個緩沖器SBUF，一個作為發(fā)送緩沖器，另一個作為接收緩沖器。UART是可編程的全雙工串行口，波特率時魯可由內(nèi)部定時器1或定時器2獲得。使用串口通訊可節(jié)約I/O口數(shù)量，且連接簡單、可靠。應(yīng)用中將網(wǎng)卡側(cè)CPU的TxD引腳與采集模塊RxD連接;網(wǎng)卡側(cè)CPU的RxD引腳與采集移塊TxD連接;并連接共地線，可實現(xiàn)控制模塊與通訊卡間通信。這樣控制器可作為一個懷絡(luò)節(jié)點連入FF總線系統(tǒng)，便于系統(tǒng)對其實現(xiàn)管理。設(shè)計中利用P89VS1RD2增強的多機通信功能，用一個通訊網(wǎng)卡可連接多個采集模塊。其本身硬件具有的自動地址識別功能和錯誤檢測功能，可減少CPU開銷。3.5 U

10、SB接口電路設(shè)計如圖4所示，P89V5IRD2與PDIUSBD 12的通信是通過8位并行數(shù)據(jù)總線UD0UD7，及控制總線即片選引腳CS_N、讀選通引腳RD_N和寫選通引腳WD_N進行的。其中ALE在地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用時使用，本設(shè)計中使用該方式，將其始終接地。CS_U為USB器件的選通信號，由CPU的P1.7引腳提供，可以通過該片選信號使PDIUSBD12進入工作狀態(tài)。PDIUSBD12的A0引腳與P2.0連接，控制地址位選擇。P89V51 RD2的數(shù)據(jù)總線P0直接與PDIUSBD12的數(shù)據(jù)總線相連，并分別連接讀、寫引腳，這樣D12就相當于一片外部RAM了，具有訪問它的數(shù)據(jù)總線、地址總線和讀寫信

11、號，還有不同于一般外部存儲器的中斷信號以及復(fù)位輸入和掛起輸出信號線。圖4 PDIUSBD12接口電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件方面采用Wave6000 IDE環(huán)境，其對用戶源程序大小沒有任何限制，并有豐富的窗口顯示方式，多方位，動態(tài)地仿真的各種過程，使用極為便利。程序設(shè)計語言采用Cx51優(yōu)化的Cx51 C完整的實現(xiàn)了ANSI的C語言標準。對8051來說Cx51不是一個通用的C編譯器，它首先的目標是生成針對8051的最快和最緊湊的代碼，Cx51具有C編程的彈性和高效的代碼和匯編語言的速度。編譯器采用KEIL公司Keil 6.12，該公司編譯器代碼生成方面處于領(lǐng)先地位，可產(chǎn)生最少的代碼，它支持浮點和長整

12、數(shù)，重入和遞歸，是使用單片機的最好選擇之一。本系統(tǒng)用于工業(yè)系統(tǒng)，為降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性，采用時間觸發(fā)方式，設(shè)計合作式任務(wù)調(diào)度器。合理安排任務(wù)的工作時間隔，既可快速響應(yīng)外部事件，又可避免中斷服務(wù)出現(xiàn)的不確定性。軟件系統(tǒng)在該模式的基礎(chǔ)上進行開發(fā)，減少開發(fā)工作量，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。基于該模式開發(fā)的時間觸發(fā)式系統(tǒng)己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)，并在實際中得到了驗證。該模式很簡單，少量代碼即可實現(xiàn)，非常適用于8051系列微控制器，并且完全由C實現(xiàn)，方便移植。在該時間觸發(fā)調(diào)度器中，以定時器2作為中斷源，建立中斷服務(wù)程序，以一定間隔刷新調(diào)度器。設(shè)計中可以向調(diào)度器增加任務(wù)，并由調(diào)度器周期性地調(diào)用任務(wù)。從底層的角度來看，調(diào)度器可以看作是一個由許多不同任務(wù)共享的定時器中斷程序。因此，只需要初始化一個定時器，而且改變定時器的時候通常只