當(dāng)前，國(guó)際上正在進(jìn)行的以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為先導(dǎo)的自動(dòng)化技術(shù)革新，是第四代儀表智能型數(shù)字化產(chǎn)品，這種產(chǎn)品的應(yīng)用必須是普及的、網(wǎng)絡(luò)化的和開放的，也只有在大家都使用統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)并具有可互操作的基礎(chǔ)上，才可能真正地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。對(duì)此，面對(duì)HART儀表和國(guó)際基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)或正在成熟的今天，如何加速開發(fā)國(guó)內(nèi)的智能化儀表是行業(yè)內(nèi)必須考慮的一件事。

一、采用什么樣的專用芯片

      目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)智能型儀表應(yīng)用的最大量的是HART,占40%，其次是FF H1和PROFIBUS PA占10%，剩余的模擬儀表占50%，改造的對(duì)象是面向這部分儀表，開發(fā)的產(chǎn)品應(yīng)該兼顧HART和兩種總線。

      開發(fā)的內(nèi)容主要涉及到現(xiàn)場(chǎng)總線的通信芯片和儀表智能模板，兩部分可分開制作，也可以合起來(lái)。開發(fā)過(guò)程中要使用的工具是開發(fā)的套件和源碼，并在初步完成后，到國(guó)際上相關(guān)單位進(jìn)行測(cè)試認(rèn)證。

      開發(fā)智能型總線儀表，需要的數(shù)字化、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)較高，國(guó)內(nèi)的一般企業(yè)不希望前期的高投入。加之開發(fā)過(guò)程對(duì)需要首先獲得必要的資質(zhì)和獲得相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這些條件阻礙了國(guó)內(nèi)廠家的開發(fā)步伐。

      我國(guó)在"九五"和"十五"期間，國(guó)家科技部和發(fā)改委曾立項(xiàng)資助開發(fā)工作，并在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位獲得了成功，國(guó)內(nèi)企業(yè)的后續(xù)開發(fā)，應(yīng)采取合作的形式，減少開發(fā)時(shí)間，開發(fā)更多的產(chǎn)品。

二、開發(fā)的芯片品種

      根據(jù)市場(chǎng)需要，目前有的品種是，適用于FF H1、PROFIBUS PA總線產(chǎn)品的專用芯片F(xiàn)BC0409和適用于HART總線產(chǎn)品的專用芯片HT1200M，各自的特點(diǎn)是：

1、FBC0409專用芯片

圖一：FBC0409典型應(yīng)用電路

       采用低速總線31.25Kbit/S數(shù)據(jù)傳輸速率，曼徹斯特編碼，具備線路極性自動(dòng)識(shí)別及校正，44腳QFP封裝；適配大多數(shù)微處理器接口，內(nèi)嵌4K BYTE RAM單元，可存放總線報(bào)文；提供DMA控制器和總線仲裁器，實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的高效收發(fā)；支持發(fā)送、接收、目的地址識(shí)別和內(nèi)部總線仲裁機(jī)制，提高報(bào)文處理效率；提供1ms、1/32ms、OCTET time三種定時(shí)器，可滿足協(xié)議定時(shí)需求；FBC0409典型應(yīng)用電路。

2、 HT1200M專用芯片

      HT1200M是用于HART產(chǎn)品開發(fā)的低功耗調(diào)制解調(diào)芯片，只需外接少量元件即可完成HART信號(hào)的調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)，是一款在性能、成本、質(zhì)量等各方面最為理想的通信芯片。HT1200M與市場(chǎng)上廣泛采用的HT20C15及SYM20C15芯片性能、功能及管腳完全兼容，可以直接替代。

     芯片采用單片、半雙工1200b/s速率的頻移鍵控調(diào)制解調(diào)器，集成接收帶通濾波器電路和發(fā)送信號(hào)波形整形電路，外接460.8kHz晶體或陶瓷濾波器和內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器或外部時(shí)鐘輸入。

HT1200M典型應(yīng)用電路

三、如何開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議軟件

       利用傳統(tǒng)開發(fā)模式開發(fā)總線型儀表通信協(xié)議，技術(shù)難度大，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，投入也較大。如果采用新型主流技術(shù)集成模式開發(fā)，可加速開發(fā)速度，減少測(cè)試費(fèi)用，快速使儀表投入市場(chǎng)。

1、FF通信協(xié)議棧特點(diǎn)

      目前，沈陽(yáng)中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司分別開發(fā)完成了FF H1、HSE協(xié)議棧的軟件開發(fā)，且實(shí)現(xiàn)了HSE與H1協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。通過(guò)了FF一致性測(cè)試和互操作測(cè)試，協(xié)議棧支持標(biāo)準(zhǔn)的FMS，SM服務(wù)、Link Master功能、變換塊、標(biāo)準(zhǔn)功能塊和高級(jí)功能塊、支持功能塊實(shí)例化。開發(fā)過(guò)程提供功能塊源文件模板。

      該集成開發(fā)平臺(tái)還支持PROFIBUS PA協(xié)議,可用于開發(fā)Profibus PA產(chǎn)品。

2、選購(gòu)協(xié)議棧軟件源碼

      為加速開發(fā)棧協(xié)議軟件源代碼，最捷徑的做法是，利用已有的源代碼進(jìn)行移植。目前，已開發(fā)成功的FF H1和Profibus PA的源碼是基于FBC0409專用芯片。這種源碼是采用標(biāo)準(zhǔn)C代碼寫成的，使用Nncleus操作系統(tǒng)。

3、選購(gòu)協(xié)議棧開發(fā)工具套件

      對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，需要的條件是，技術(shù)人員需要具備一定的數(shù)字儀表開發(fā)能力，可以讀懂和使用協(xié)議或輔助開發(fā)文本?？梢蕴峁┑臈l件有：硬件原理圖、PCB圖、設(shè)備能力文件（CFF）描述模板（FF H1）、設(shè)備描述模板源代碼（DDL語(yǔ)言，F(xiàn)F H1）、GSD文件模板（文本文件，Profibus PA）、功能塊源代碼（C語(yǔ)言）以及協(xié)議庫(kù)（FF H1或者Profibus PA）和操作系統(tǒng)的接口硬件。

      在開發(fā)圓卡時(shí)，最重要的是掌握開發(fā)包工具，這包括Fieldbus ToolKit For FF/PA。這些工具如果是基金會(huì)會(huì)員可以從基金會(huì)獲得，如果不是會(huì)員，必須通過(guò)合作開發(fā)的方式，借助于合作單位的技術(shù)儲(chǔ)備。

四、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊構(gòu)成

      選擇現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊進(jìn)行OEM定制開發(fā)是快速而有效的產(chǎn)品開發(fā)方法之一。這里需要考慮的有，使用串口：通過(guò)異步串口UART實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、自定義通信協(xié)議，或者是I/O接口：通過(guò)I/O接口直接采集電阻、電壓物理信號(hào)，以便確定如何設(shè)計(jì)儀表卡功耗、功能、性能和功耗之間做平衡選擇。

1、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊

     通信模塊適用于自動(dòng)化儀表中的溫度、壓力、流量、液位、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

     所有用戶以上儀表中的通信模塊，必須符合以下條件，即協(xié)議的一致性測(cè)試、FF/PA的國(guó)際測(cè)試、EMC認(rèn)證和本安認(rèn)證等，這樣才可能正式安裝在儀表中上市。

2、FF/PA圓卡技術(shù)指標(biāo)

CPU：AT91M0800

FLASH：512K

RAM：1M

總線供電：9～32VDC

總線電流：≤15mA

工作溫度：-30℃～+70℃

儀表精度：0.1%

支持FF H1標(biāo)準(zhǔn)功能塊（AI、AO、DI、DO、PID、IS等）；或者支持滿足Profibus PA標(biāo)準(zhǔn)功能塊（AI、AO、DI、DO）。

3、HART現(xiàn)場(chǎng)總線圓卡的技術(shù)指標(biāo)

•  通過(guò)物理層一致性測(cè)試

• 4～20mA輸出疊加HART協(xié)議數(shù)字通訊（兩線制）

• 可通過(guò)手持器或PC機(jī)組態(tài)調(diào)試軟件遠(yuǎn)程管理

• 通過(guò)IECEx體系防爆認(rèn)證

• 通過(guò)電磁兼容測(cè)試認(rèn)證

• 支持CPU故障報(bào)警,寫保護(hù)跳線

• 接口卡通信：串口及I/O方式，最多4個(gè)I/O

• 與傳感器的連接部分：光耦隔離

  
  

五、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的開發(fā)

圖四：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

       在完成總線性智能儀表開發(fā)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行總線控制系統(tǒng)的合作開發(fā)，此項(xiàng)工作要求用戶應(yīng)有一定的系統(tǒng)集成能力，并正在使用著某種控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造、升級(jí)和軟硬件的移植，才可能掌握難度較高的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

       目前，中科博微具有的項(xiàng)目是，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（NCS4000）；裝備專用一體化控制器（NCS-MPLC ）和FF網(wǎng)關(guān)設(shè)備（NCS-LD105）。對(duì)于儀表的自動(dòng)化儀表企業(yè)來(lái)說(shuō)，后續(xù)的系統(tǒng)開發(fā)可能需要考慮的因素較多，應(yīng)根據(jù)自身和市場(chǎng)條件制定出長(zhǎng)遠(yuǎn)的開發(fā)計(jì)劃。

       目前，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中科博微和國(guó)內(nèi)及國(guó)外多個(gè)企業(yè)合作開發(fā)了多項(xiàng)產(chǎn)品，其中有壓力變送器、溫度變送器、電磁流量計(jì)、電動(dòng)執(zhí)行器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。希望能采用OEM的方式，雙方本著各自的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行合作，定能將國(guó)內(nèi)的智能型總線產(chǎn)品搞上去。

       中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中科搏微是國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的會(huì)員單位，希望國(guó)內(nèi)有條件的單位加入到現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)中來(lái)，同時(shí)也歡迎利用我們已取得的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有產(chǎn)品，進(jìn)行OEM式的開發(fā)，共同把智能化儀表搞上去。

FBC0409:

HT1200M: