FF現(xiàn)場(chǎng)總線硬件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì).pdf

1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是上世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一種新的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò),已經(jīng)成為控制網(wǎng)絡(luò)的典型實(shí)現(xiàn)模式.基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)是IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中的一員,主要用于儀表行業(yè).現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議復(fù)雜,因此現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的開發(fā)過程周期長(zhǎng),費(fèi)用高,開發(fā)難度大,工作量大.系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)化已經(jīng)成為一種需要,目前,現(xiàn)場(chǎng)總線核心技術(shù)多掌握在國(guó)外一些大公司的手中,中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線研究還處于起步階段.實(shí)用的通用開發(fā)平臺(tái)幾乎沒有,各個(gè)廠家均是按自己的需要,開發(fā)各自不

2、同的產(chǎn)品,針對(duì)不同的儀表設(shè)計(jì)專用的硬件,重復(fù)性強(qiáng),造成了不必要的浪費(fèi).該文首先簡(jiǎn)單闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn),分析了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的構(gòu)成.然后根據(jù)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議要求,詳細(xì)分析了現(xiàn)場(chǎng)總線通用開發(fā)平臺(tái)所需的硬件資源,提出一種開發(fā)設(shè)計(jì)方案,并根據(jù)需要,適當(dāng)擴(kuò)充了一些附加功能的開發(fā),設(shè)計(jì)出一種基于USB接口的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通用硬件開發(fā)平臺(tái).在本次設(shè)計(jì)過程中,先后進(jìn)行了開發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)功能分析、硬件電路原理設(shè)計(jì)與調(diào)

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

4、計(jì)過程中,詳細(xì)分析了各個(gè)器件的選擇原則,電路連接情況,以及在調(diào)試過程中應(yīng)注意的問題等.在設(shè)計(jì)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(tái)以基于32位精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)的單片機(jī)AT91M42800A作為核心器件,支持在線編程;現(xiàn)場(chǎng)總線控制器選擇專用集成電路FB3050,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層功能;為支持開發(fā)平臺(tái)與計(jì)算機(jī)的通訊,在開發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了USB接口電路;同時(shí),設(shè)計(jì)了RS232接口電路用以實(shí)現(xiàn)開發(fā)平臺(tái)與其它平

5、臺(tái)或系統(tǒng)的通訊.利用平臺(tái)上的與FPGA的接口,可進(jìn)行部分FF現(xiàn)場(chǎng)總線SOC開發(fā),另外,在開發(fā)板上設(shè)計(jì)了按鍵、顯示、時(shí)鐘、復(fù)位等必需的外圍電路.在電路設(shè)計(jì)過程中,考慮到開發(fā)平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能盡可能多,并且注意到功耗問題,因此,整個(gè)開發(fā)平臺(tái)的布局及組織的難度大大增加了.本次設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的ARM處理器和FB3050相結(jié)合設(shè)計(jì)圓卡,解決了ARM處理器和FB3050接口的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)難題,并給出了完善的驅(qū)動(dòng)程序,成為該文的一大亮點(diǎn).本開發(fā)平臺(tái)支持F

6、F現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊.利用USB接口可帶電插拔、傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn),可將總線上的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到計(jì)算機(jī)上,在計(jì)算機(jī)上開發(fā)FF現(xiàn)場(chǎng)總線分析器軟件,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線上的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析,解碼,利用計(jì)算機(jī)顯示屏進(jìn)行滾動(dòng)顯示.在軟件程序設(shè)計(jì)過程中,主要由以下幾部分構(gòu)成,一是USB接口程序設(shè)計(jì),包括計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用軟件程序設(shè)計(jì)、固化到程序存儲(chǔ)器中的固件程序以及USB接口驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),這是本次

7、設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一.二是通訊圓卡的接收部分程序調(diào)試,主要是從總線上將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地接收后,存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中,這里有一個(gè)中斷處理速度問題,該文也給出了解決方案.三是現(xiàn)場(chǎng)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(diào)試軟件過程中,還要協(xié)調(diào)USB和FB3050兩個(gè)中斷源,處理好中斷.在開發(fā)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線分析器軟件時(shí),主要是分為兩個(gè)部分來進(jìn)行的,一是駐留在通訊圓卡的FLASH中的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì),二是在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用Visual C

8、++開發(fā)的顯示及分析程序,二者通過USB接口進(jìn)行通訊,由于USB設(shè)備不能做為通訊的主機(jī),因此,每次傳輸數(shù)據(jù)都是從計(jì)算機(jī)開始的,增加了整個(gè)設(shè)計(jì)的難度.該文很好地解決了這一難題.本次設(shè)計(jì)首次將USB接口與現(xiàn)場(chǎng)總線圓卡相結(jié)合,是目前市場(chǎng)上所沒有的,也成為本次設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn).FF現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品種類繁多,協(xié)議復(fù)雜,給產(chǎn)品的開發(fā)帶來很大難度,該文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議要求進(jìn)行了基于USB接口的FF現(xiàn)場(chǎng)總線通用開發(fā)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì),并在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了

9、部分軟件測(cè)試和設(shè)計(jì),主要有以下幾項(xiàng):1)、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)的正確接收和發(fā)送;2)、實(shí)現(xiàn)開發(fā)平臺(tái)與計(jì)算機(jī)之間通過USB接口進(jìn)行通訊;3)、開發(fā)平臺(tái)之間通過AT91M42800A的SPI口進(jìn)行通訊,為測(cè)試部分FF現(xiàn)場(chǎng)總線SOC功能,進(jìn)行了一系列對(duì)SPI口的操作,測(cè)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(duì)FPGA在線下載程序;5)、現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路層的軟件調(diào)試;6)、現(xiàn)場(chǎng)總線分析器的調(diào)試.總之,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn),

10、為過程控制的實(shí)現(xiàn)帶來了許多便利.現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一,被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng).智能化儀表代表著未來現(xiàn)場(chǎng)儀表的發(fā)展方向.開發(fā)平臺(tái)的研發(fā),有助于促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣,為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的底層智能儀表開發(fā)提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ),從而為現(xiàn)場(chǎng)儀表的發(fā)展提供新的思路.關(guān)鍵詞:基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 USB接口 開發(fā)平臺(tái) 現(xiàn)場(chǎng)總線分析器摘要基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)是IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中的一員,主要用于儀表行業(yè).目前,現(xiàn)場(chǎng)總

11、線核心技術(shù)多掌握在國(guó)外一些大公司的手中,中國(guó)現(xiàn)場(chǎng)總線研究還處于起步階段.該文首先簡(jiǎn)單闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn),分析了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),介紹了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的構(gòu)成.然后根據(jù)基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議要求,詳細(xì)分析了現(xiàn)場(chǎng)總線通用開發(fā)平臺(tái)所需的硬件資源,提出一種開發(fā)設(shè)計(jì)方案,并根據(jù)需要,適當(dāng)擴(kuò)充了一些附加功能的開發(fā),設(shè)計(jì)出一種基于USB接口的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通用硬件開發(fā)平臺(tái).在本次設(shè)計(jì)過程中,先后進(jìn)行了開發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)功能分析、硬件電路原理設(shè)計(jì)與

12、調(diào)試、軟件程序開發(fā)設(shè)計(jì).在硬件設(shè)計(jì)過程中,詳細(xì)分析了各個(gè)器件的選擇原則,電路連接情況,以及在調(diào)試過程中應(yīng)注意的問題等.在設(shè)計(jì)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(tái)以基于32位精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)的單片機(jī)AT91M42800A作為核心器件,支持在線編程;現(xiàn)場(chǎng)總線控制器選擇專用集成電路FB3050,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線物理層和部分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層功能;為支持開發(fā)平臺(tái)與計(jì)算機(jī)的通訊,在開發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了USB接口電路;同時(shí),設(shè)計(jì)了RS232