模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置的製作方法

2023-04-23 17:11:01

專利名稱：模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於工業自動化領域，特別涉及現場總線技術在產品上開發應用的一
種模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置。
背景技術：
現場總線技術在產品上開發應用還沒有形成一個品種齊全、功能完善的產品系 列；由於目前存在多種現場總線標準，使得現有的產品還不能完全滿足用戶的需要，因此一 些暫時市場上還沒有的現場總線規格的儀表只能使用常規4 20mA信號設備。另外一個 重要的原因是，對於用戶來說，儘管現場總線系統有著這麼多的優點，但工程費用也是他們 是否採納該產品的考慮因素之一。現場總線智能儀表目前較常規儀表價格高出15%左右， 在相對於可以使用非智能儀表的分散控制系統(DCS)中，即使考慮到接口卡等元件和電纜 的節省後，現場總線系統硬體開支仍可能比使用非智能儀表的DCS有所增加，所以一些用 戶在不重要的位置還願意使用非智能儀表來節省投資。第三，對於項目改造，許多常規4 20mA信號設備還不能一概廢棄，必須利用部分原有的常規4 20mA信號設備，於是一種"混 合型"方案在現階段是一種極為經濟、合理的系統數位化改造的解決方案。對此，一個很好 的解決的辦法是通過一種轉換裝置將傳統的模擬信號儀表"轉接"到現場總線上來，這樣， 既發揮了現場總線技術的各種優勢，同時又大大節省了成本，特別是對於系統改造用戶來 說，可以很好地利用現有的模擬信號儀表。

發明內容本實用新型的目的是針對現有技術中目前存在多種現場總線標準，使得現有的產 品還不能完全滿足用戶的需要的不足提供一種模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置， 其特徵在於，該智能轉換裝置是一種將4 20mA標準電流信號轉換為WorldFIP現場總線 數位訊號的轉換裝置，所述智能轉換裝置包括轉換模塊、主模塊、顯示模塊及其軟體設計； 主模塊分別與轉換模塊、顯示模塊連接。 所述主模塊包含微處理器、通信模塊及通信接口單元；通信模塊的地址總線 A[0:8]和數據地址復用總線AD[0:7]分別連接微處理器的地址總線A[0:8]和D[0:7]，及 與微處理器內部存儲器片選線接地。 所述轉換模塊包括多路開關、信號調理、A/D轉換器及信號隔離構成， 所述顯示模塊選用字符型LCD點陣模塊作顯示器件；通過並行接口與微處理器總
線連接。 本實用新型的有益效果，該裝置可將儀表控制系統中廣泛使用的規4 20mA信號 設備轉接到WorldFIP現場總線上，使傳統的模擬信號設備融入到網絡化的數字控制系統 中，充分利用現有的設備實現了系統的改造，大大降低了成本和投資；具有如下特點 1)該裝置具有智能化，具有輸入信號自動校正、非線性補償、數字濾波等功能，修 正和克服了所連接的各類模擬電流設備引進的誤差和幹擾，從而提高了裝置的的測量轉換精度； 2)該裝置具有自測試和自診斷功能，通過現場總線網絡可為用戶提供診斷信息， 提高了裝置自身的信息化程度； 3)具有可擴展的就地控制功能，裝置內設計了基於功能塊組態技術的功能塊應用 軟體，為基於現場總線技術的全分布式控制的實現創造了條件。

圖1為智能轉換裝置的結構。 圖2為轉換模塊結構和組成。 圖3模擬/數字轉換器ADS1110。 圖4為AT91M40800結構。 圖5為主模塊的微處理器子模塊設計圖。 圖6為智能轉換裝置的通信子模件。 圖7為微處理器模件與通信子模件的連接電路。 圖8為顯示模塊與主模塊的微處理器子模塊的連接電路。
具體實施方式本實用新型為模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置。
以下結合附圖對本發明 予以說明。 圖1所示為智能轉換裝置的結構。所述智能轉換裝置包括轉換模塊、主模塊、顯示 模塊及其軟體設計。主模塊分別與轉換模塊、顯示模塊連接，並且主模塊將傳統的模擬信號 儀表"轉接"到WorldFIP現場總線上，即把採集來的4 20mA的模擬電流信號轉換為符合 WorldFIP現場總線協議的數位訊號，完成與現場總線之間的通信；同時完成實時計算，就 地控制的基本任務， 圖2所示為轉換模塊結構。包括多路開關、信號調理、A/D轉換器及信號隔離構 成，轉換模塊的主要功能是將來自常規儀表的4 20mA標準信號，經過信號調理，轉換為適 合A/D轉換器轉換的電壓，經信號隔離後，以數字量的形式送往主模塊處理。其中多路開 關的功能是將多個通道的信號傳送道公共數據線上。本設計選用的多路轉換器MUX採用 Fairchild公司生產的八選一晶片CD4051BC，可以從八路模擬量輸入中，通過CPU對三個控 制管腳A、B、C以及使能信號的控制來選擇任意一路從管腳COM端輸出。A/D轉換器在選擇 時應考慮的主要指標為解析度、量化誤差、線性誤差、零位誤差、轉換時間等。綜合以上各種 指標，在裝置中採用了 16位的模擬/數字轉換器ADS1110，可充分保證轉換精度。如圖3所 示。 主模塊包含微處理器、通信模塊及通信接口單元 (1)微處理器 在用戶微處理器的選擇上，選用ATMEL公司的AT91M40800，集成了 ARM7TDMI核、 嵌入式ICE接口，存儲器以及外圍部件(如圖4所示)，AT91M40800內部主要有兩條總線 先進系統總線(Advanced System Bus)和先進外圍總線APB (Advanced Peripheral Bus)。 ARM7TDMI通過ASB接口實現與片內32位存儲器、外邊總線接口 EBI以及AMBA橋的互連。
4[0025] 在設計時充分考慮了用戶微處理器的通用性以及功能的可擴展性。在主模塊的 微控制單元板上擴展了 256KBX16bit Flash、256KBX 16bit SRAM和16KBEEPR0M。擴展了 20個並行接口 ，其隔離中有四個並行接口用高速光耦6N137隔離，三個作為微處理器的隔 離輸出， 一個作為微處理器的輸入，這4個並行接口用作與D/A或A/D的接口 (實現SPI功 能)。並且在微處理器板上設計了一個隔離的+5V和-5V電源，用來給輸入輸出板需要隔離 供電的器件供電。主模塊的微處理器設計圖如圖5所示。 (2)通信模塊 通信模塊的設計主要是WorldFIP現場總線通信模塊及其鏈路器件的選擇和連 接。針對不同的現場需要，有多種類型的WorldFIP現場總線通信控制器可供選擇，對於功 能較為簡單、通信數據量較小的通信單元如智能傳感器、智能調節器或現場PLC，可以選擇 低成本並且易於使用的MICROFIP晶片；對於需要功能完善、通信數據量較大通信單元如通 信控制單元，則可以選擇FULLFIP2晶片。本專利所設計的智能轉換裝置在連入WorldFIP 現場總線網絡後作為基本站使用，故通信控制器採用MICR0FIP晶片作為通信控制器，我們 在設計中採用了 1M的通信配置。通信通信模塊的組成如圖6所示。 (3)微處理器與通信模塊的連接 MICR0FIP的地址總線A[0:8]和數據地址復用總線AD[0:7]分別與AT91M40800的 地址總線A[0:8]和D[0:7]相連，MICROFIP的內部存儲器片選信號線接地，兩者採用共享 512位元組存儲器的交換信息。通信控制器MICROFIP選用微處理器工作模式，通過一條中斷 申請信號線向微處理器申請中斷；當在WorldFIP網絡上接收使用變量、發送生產變量、傳 輸消息及收到同步標識時均會觸發中斷。微處理器與通信模塊的連接電路如圖7所示。 所述顯示模塊選用字符型LCD點陣模塊作顯示器件；顯示模塊的引腳包括8位數 據信號DB[7:0]和三路控制信號讀寫信號R/W，片選信號E，寄存器選擇信號RS。顯示模 塊與主模塊的微處理器子模塊的連接電路如圖8所示。 通過並行接口與微處理器總線連接。LCD模塊根據來自主模塊的信號，根據需要， 可以顯示各種可能的數據，同時還可以顯示各種故障信息等。在本裝置中採用了一種字符 型LCD點陣模塊HD44780,可提供LCD顯示屏的驅動信號和一個簡單的並行接口與微處理器 總線連接，它的體積小、重量輕、功耗低、可靠性高。可顯示5X7點字型192種字符，5X10 點字型32種字符，可自編8(5X7點)或4(5X10點)種字符。該模塊的指令功能強，可組 合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的要求，顯示的形式也很靈活，有許多不同規格， 可以顯示不同行，每行可以顯示不同個字符數。本裝置選用可以顯示2行，每行可以顯示 8個字符的模塊，其中每個字符使用5X7點陣的象素顯示。顯示模塊接口電路簡單，帶有 8X8bit RAM，工作溫度寬，在0 5(TC範圍內。LCD顯示模件由液晶板、LCD驅動器HD44100 和控制器組成。驅動器HD44100是低功耗CMOS技術的LCD驅動晶片，它即可以當行驅動用， 也可以作為列驅動使用，由20X2bit數據鎖存器和20X2bit驅動器組成。
權利要求一種模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置，其特徵在於，該智能轉換裝置是一種將4～20mA標準電流信號轉換為WorldFIP現場總線數位訊號的轉換裝置，所述智能轉換裝置包括轉換模塊、主模塊和顯示模塊；主模塊分別與轉換模塊、顯示模塊連接，並且主模塊將傳統的模擬信號儀表「轉接」到WorldFIP現場總線上。
2. 根據權利要求1所述模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置，其特徵在於，所述 主模塊包含微處理器、通信模塊及通信接口單元；通信模塊的地址總線A[0:8]和數據地址 復用總線AD分別連接微處理器的地址總線A[0:8]和D，及與微處理器內部存儲 器片選信號線接地。
3. 根據權利要求1所述模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置，其特徵在於，所述 轉換模塊包括多路開關、信號調理、A/D轉換器及信號隔離構成。
4. 根據權利要求1所述模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置，其特徵在於，所述 顯示模塊選用字符型LCD點陣模塊作顯示器件；其並行接口與微處理器總線連接。
專利摘要本實用新型公開了屬於工業自動化領域的一種模擬電流與現場總線信號的智能轉換裝置。所述智能轉換裝置包括轉換模塊、主模塊、顯示模塊及其軟體設計；主模塊分別與轉換模塊、顯示模塊連接，並且主模塊將傳統的模擬信號儀表「轉接」到WorldFIP現場總線上。該裝置具有智能化，具有輸入信號自動校正、非線性補償、數字濾波等功能，具有自測試和自診斷功能，修正和克服所連接的各類模擬電流設備引進的誤差和幹擾，從而提高了裝置的測量轉換精度，提高了自身的信息化程度。
文檔編號H03K19/0175GK201509188SQ20092010992
公開日2010年6月16日 申請日期2009年7月3日 優先權日2009年7月3日
發明者李文, 楊國田, 梁庚, 白焰 申請人:華北電力大學