基于现场总线的自动化仪表的智能化实现技术

【摘要】现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络。这里讨论了以现场总线的理论实现智能化技术的智能仪表的两种处理器：32位RISC处理器、实时嵌入式操作系统（RTOS）

【关键词】现场总线 自动化仪表 智能化实现 技术 通信标准

通信及网络技术中常用的通信标准主要有：RS-232C，RS-485，MODBUS及RTU等。这些通信标准在传统的自动化仪表中得到广泛应用。随着工业控制系统逐步从集中走向分散以及管控一体化和企业综合自动化的发展趋势，对自动化仪表的通信提出了更高的要求：更高的通信速率、更丰富的信息、更节省的安装维护费用、更高的可靠性和互可操作性。同时，通信技术、网络技术和微电子技术的发展也为新通信标准的出现奠定了基础。

一、现场总线理论分析

根据国际电工委员会（IEC）的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络。与传统的控制系统相比，现场总线控制系统具有以下特点：数字信号传输；系统的开放性；互可操作性；现场设备智能化；系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性。

由于历史原因，在不同的应用领域存在多种总线标准，总数超过400种。1999年底，8种现场总线成为IEC62258国际标准：FF的H1，ControlNet，Profibus，Interbus，P-Net，WorldFIP，SwiftNet以及FF的高速EthernetHSE。此外，LonWorks，CAN，CC-Link，DeviceNet，HART等总线的应用也较为广泛。现场总线今后的发展将呈以下趋势：（1）多种总线并存，每种总线将形成其特定的应用领域，未来能占有市场的总线将集中在少数有竞争力的总线上；（2）以太网的引入渐成热点。FF，ControlNet，Profibus分别推出了基于以太网的HSE，Ethernet/IP和Profibus，，Interbus也提出了以太网解决方案，此外还有Modus-TCP和IDA等。

下面以HART仪表为例说明现场总线仪表的开发。HART协议采用了Bell标准的FSK频移键控技术，在4～20mA的模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波，实现了模拟信号与数字通信的兼容。其关键技术是智能变送模块的低功耗技术。由于变送器是靠4～20mA信号来供电的，还因为HART通信的要求（在电源线上叠加±0.5mA的FSK信号），所以整个变送器的耗电必须小于3.5mA。这通过分层供电的设计思想，采用低功耗芯片，建立合理的电源管理电路予以实现。

二、智能化实现技术

自动化仪表的智能化包括两个层次：首先是指现场仪表具备了数字通信接口，这是为提高控制质量、可靠性和安全性而大量增加传感器和执行器的结果；由于微处理芯片处理能力的不断增强，实时嵌入式操作系统（RTOS的功能逐渐下放到仪表中，使其处理能力大大提高，这就进入仪表智能化的第二个层次———智能仪表层次。

（一）32位RISC处理器。

传统自动化仪表的主处理器主要由CISC结构主导，其代表是Motorola的68000系列、Intel的80X86系列以及8051内核系列。随着自动化仪表的发展，对主处理器提出了高性能、低功耗的要求，这使得仪表的主处理器迅速朝着32位RISC处理器发展。目前，ARM7/9内核系列、STRONGGARM系列、MIPS系列、Motorola公司的M-CORE系列等32位RISC处理器正逐步成为应用主流。

32位RISC处理器能达到67位的强大的运算处理能力和寻址空间，而又没有相应的传统32位处理器的开销，成为高性能自动化仪表的首选。以ARM7 Thumb系列为例，主要的性能参数为：时钟速度为66MHz，性能为40MIPS（66MHz），平均功耗为0.6Mw/MHz，32位寻址空间—4GB线性地址空间，32x8 DSP乘法器，32位寄存器区和ALU，三级流水指令结构，32-Bbit桶状移位器。

（二）实时嵌入式操作系统（RTOS）。

当自动化仪表功能逐渐增强时，程序将越来越复杂，资源的合理安排以及任务的调度将是很大的挑战。采用实时嵌入式操作系统（RTOS）将很好地解决这些问题，并降低开发难度，缩短开发周期。RTOS的基本功能是：抢先多任务，硬实时，代码少（适合于嵌入式系统），可以扩展图形、网络协议等功能。目前应用较多的RTOS主要是Vxworks，Nucleus，PSOS及ThreadX。

基金会现场总线（FF）圆卡的开发就是采用处理器采用ARM7，RTOS采用Nucleus ，开发工具为C语言编译工具和仿真器。

参考文献：

[1]阳宪惠，现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999

[2]唐敏，黄刚，开关电源及其功率材料的现状与发展[J].电子元件与材料.

[3]赵葵银，唐勇奇，数字电位器及其应用[J].电子元件与材料.

[4]白连润，现场仪表的总线化问题[J].中国仪器仪表.

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