FF現(xiàn)場總線硬件開發(fā)平臺設計.pdf

1、現(xiàn)場總線技術是上世紀80年代末發(fā)展起來的一種新的工業(yè)控制底層網絡,已經成為控制網絡的典型實現(xiàn)模式.基金會現(xiàn)場總線(FF)是IEC61158現(xiàn)場總線標準中的一員,主要用于儀表行業(yè).現(xiàn)場總線協(xié)議復雜,因此現(xiàn)場總線產品的開發(fā)過程周期長,費用高,開發(fā)難度大,工作量大.系統(tǒng)設計平臺化已經成為一種需要,目前,現(xiàn)場總線核心技術多掌握在國外一些大公司的手中,中國現(xiàn)場總線研究還處于起步階段.實用的通用開發(fā)平臺幾乎沒有,各個廠家均是按自己的需要,開發(fā)各自不

2、同的產品,針對不同的儀表設計專用的硬件,重復性強,造成了不必要的浪費.該文首先簡單闡述了現(xiàn)場總線的特點及其優(yōu)點,分析了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點,介紹了現(xiàn)場總線儀表的構成.然后根據(jù)基金會現(xiàn)場總線協(xié)議要求,詳細分析了現(xiàn)場總線通用開發(fā)平臺所需的硬件資源,提出一種開發(fā)設計方案,并根據(jù)需要,適當擴充了一些附加功能的開發(fā),設計出一種基于USB接口的基金會現(xiàn)場總線通用硬件開發(fā)平臺.在本次設計過程中,先后進行了開發(fā)平臺的系統(tǒng)功能分析、硬件電路原理設計與調

3、試、軟件程序開發(fā)設計.作為通用開發(fā)平臺,要求平臺的功能盡可能全,因此,設計的難度也就加大了.本次設計的開發(fā)平臺主要可以實現(xiàn)以下功能開發(fā):實現(xiàn)FF現(xiàn)場總線協(xié)議棧的開發(fā),即實現(xiàn)最基本的功能;支持FF現(xiàn)場總線SOC功能的開發(fā)初期的調試和驗證;實現(xiàn)現(xiàn)場總線分析器功能的開發(fā);實現(xiàn)現(xiàn)場總線儀表的開發(fā).該文對FF現(xiàn)場總線硬件設計進行了比較全面和系統(tǒng)的研究,特別是討論了現(xiàn)場總線儀表的核心器件——通訊圓卡的硬件設計方法,并給出了完整的電路構成圖.在硬件設

4、計過程中,詳細分析了各個器件的選擇原則,電路連接情況,以及在調試過程中應注意的問題等.在設計過程中,優(yōu)先選擇集成電路以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.該開發(fā)平臺以基于32位精簡指令集架構的單片機AT91M42800A作為核心器件,支持在線編程;現(xiàn)場總線控制器選擇專用集成電路FB3050,實現(xiàn)現(xiàn)場總線物理層和部分數(shù)據(jù)鏈路層功能;為支持開發(fā)平臺與計算機的通訊,在開發(fā)平臺上設計了USB接口電路;同時,設計了RS232接口電路用以實現(xiàn)開發(fā)平臺與其它平

5、臺或系統(tǒng)的通訊.利用平臺上的與FPGA的接口,可進行部分FF現(xiàn)場總線SOC開發(fā),另外,在開發(fā)板上設計了按鍵、顯示、時鐘、復位等必需的外圍電路.在電路設計過程中,考慮到開發(fā)平臺要實現(xiàn)的功能盡可能多,并且注意到功耗問題,因此,整個開發(fā)平臺的布局及組織的難度大大增加了.本次設計采用先進的ARM處理器和FB3050相結合設計圓卡,解決了ARM處理器和FB3050接口的驅動程序設計難題,并給出了完善的驅動程序,成為該文的一大亮點.本開發(fā)平臺支持F

6、F現(xiàn)場總線協(xié)議棧的開發(fā),可移植嵌入式操作系統(tǒng),還可通過USB接口與計算機進行通訊.利用USB接口可帶電插拔、傳輸速度快的優(yōu)點,可將總線上的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到計算機上,在計算機上開發(fā)FF現(xiàn)場總線分析器軟件,對現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)流進行分析,解碼,利用計算機顯示屏進行滾動顯示.在軟件程序設計過程中,主要由以下幾部分構成,一是USB接口程序設計,包括計算機上的應用軟件程序設計、固化到程序存儲器中的固件程序以及USB接口驅動程序設計,這是本次

7、設計中的難點之一.二是通訊圓卡的接收部分程序調試,主要是從總線上將數(shù)據(jù)準確無誤地接收后,存儲到外部存儲器中,這里有一個中斷處理速度問題,該文也給出了解決方案.三是現(xiàn)場總線分析器中協(xié)議分析部分,工作量極大,同樣也要求速度快,因此在調試軟件過程中,還要協(xié)調USB和FB3050兩個中斷源,處理好中斷.在開發(fā)設計現(xiàn)場總線分析器軟件時,主要是分為兩個部分來進行的,一是駐留在通訊圓卡的FLASH中的下位機軟件設計,二是在計算機上應用Visual C

8、++開發(fā)的顯示及分析程序,二者通過USB接口進行通訊,由于USB設備不能做為通訊的主機,因此,每次傳輸數(shù)據(jù)都是從計算機開始的,增加了整個設計的難度.該文很好地解決了這一難題.本次設計首次將USB接口與現(xiàn)場總線圓卡相結合,是目前市場上所沒有的,也成為本次設計的一個創(chuàng)新點.FF現(xiàn)場總線產品種類繁多,協(xié)議復雜,給產品的開發(fā)帶來很大難度,該文根據(jù)現(xiàn)場總線協(xié)議要求進行了基于USB接口的FF現(xiàn)場總線通用開發(fā)平臺的硬件設計,并在硬件平臺的基礎上進行了

9、部分軟件測試和設計,主要有以下幾項:1)、現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的正確接收和發(fā)送;2)、實現(xiàn)開發(fā)平臺與計算機之間通過USB接口進行通訊;3)、開發(fā)平臺之間通過AT91M42800A的SPI口進行通訊,為測試部分FF現(xiàn)場總線SOC功能,進行了一系列對SPI口的操作,測試了SPI主模式和從模式,取得良好的效果;4)、通過JTAG接口,可以對FPGA在線下載程序;5)、現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路層的軟件調試;6)、現(xiàn)場總線分析器的調試.總之,現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn),

10、為過程控制的實現(xiàn)帶來了許多便利.現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網.智能化儀表代表著未來現(xiàn)場儀表的發(fā)展方向.開發(fā)平臺的研發(fā),有助于促進現(xiàn)場總線技術的推廣,為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的底層智能儀表開發(fā)提供理論和實踐基礎,從而為現(xiàn)場儀表的發(fā)展提供新的思路.關鍵詞:基金會現(xiàn)場總線 USB接口 開發(fā)平臺 現(xiàn)場總線分析器摘要基金會現(xiàn)場總線(FF)是IEC61158現(xiàn)場總線標準中的一員,主要用于儀表行業(yè).目前,現(xiàn)場總

11、線核心技術多掌握在國外一些大公司的手中,中國現(xiàn)場總線研究還處于起步階段.該文首先簡單闡述了現(xiàn)場總線的特點及其優(yōu)點,分析了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點,介紹了現(xiàn)場總線儀表的構成.然后根據(jù)基金會現(xiàn)場總線協(xié)議要求,詳細分析了現(xiàn)場總線通用開發(fā)平臺所需的硬件資源,提出一種開發(fā)設計方案,并根據(jù)需要,適當擴充了一些附加功能的開發(fā),設計出一種基于USB接口的基金會現(xiàn)場總線通用硬件開發(fā)平臺.在本次設計過程中,先后進行了開發(fā)平臺的系統(tǒng)功能分析、硬件電路原理設計與

12、調試、軟件程序開發(fā)設計.在硬件設計過程中,詳細分析了各個器件的選擇原則,電路連接情況,以及在調試過程中應注意的問題等.在設計過程中,優(yōu)先選擇集成電路以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.該開發(fā)平臺以基于32位精簡指令集架構的單片機AT91M42800A作為核心器件,支持在線編程;現(xiàn)場總線控制器選擇專用集成電路FB3050,實現(xiàn)現(xiàn)場總線物理層和部分數(shù)據(jù)鏈路層功能;為支持開發(fā)平臺與計算機的通訊,在開發(fā)平臺上設計了USB接口電路;同時,設計了RS232