专利名称：嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有现场总线接口的传感器或变送器，特别是一种嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置。
背景技术：
近年来，现场总线已成为工业过程测控系统的主导系统结构形式。在现场总线系统结构要求下，工业过程传感器及其仪表必须实现智能化(包括数字化和现场总线化)。以CPU为处理核心，以数字通信为变送方式的传感器和变送器的统一体，这就是现场总线智能变送器，也称为网络化的变送器。
现场总线智能变送器要求具有如下特点①能通过内装高性能处理器和存储器内的各种应用程序，完成多种复杂运算；能通过软件进行不同的组态；②具有信号传输、通信、电源供电3种功能，能实现1对n的变送器导线连接，并实现双向通信；③电子部件采用表面贴装技术(SMT)，设计选择专用电路(ASIC)和微处理器，实现小型轻量化和提高可靠性；④可进行实时诊断，故障报警，不需现场维修和系统维护。
目前，多数仪表厂商采用的HART协议智能变送器是一种“过渡性”的产品，虽然已经具备了一部分现场总线智能变送器的特点，但过程数据仍然使用4～20mA模拟信号，其载波数字信号只能进行设备管理组态等有限功能，并且不具备总线供电能力，能够建立的网络规模较小，结构简单，可靠性较差。
另一方面，实现统一、开放的现场总线标准始终是广大用户的愿望。作为现场总线标准之一的CAN总线，与其他总线相比具有可靠性高、价格低廉的优势，目前已不局限于汽车行业，开始向工程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、楼宇自动化、医疗设备、嵌入式网络设备、家用设备及传感器等领域发展。但是，CAN协议是一个非常简单的协议，它只定义了物理层和数据链路层，作为一种并不完整的总线底层通讯协议，设备及系统之间通讯等复杂的应用问题需另外定义应用层规范来实现，这大大限制了其开放性，通用性。
DeviceNet是得到CiA支持的基于CAN总线协议规范的完整现场总线协议规约之一，也是IEC公布的总线国际标准。它将基本工业设备(如限位开关、光电传感器、阀组、变频驱动器、物料流量计等)连接到网络，是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间，其直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。
目前，在智能变送器方面已有多种总线支持，如FF、LonWorks、Profibus等，但在ODVA的DeviceNet产品目录中尚无智能变送器注册。在国内的专利检索中，浙大中控技术有限公司在2002年8月14日提交的发明专利“能实现以太网通讯并由网络冗余供电的变送器”(申请号01132306.X)中给出了一种具有以太网通讯功能及总线供电能力的变送器。中国船舶重工集团公司第七一一研究所在2002年11月18日提交的实用新型专利“基于现场总线的温度/压力传感器的主电路板”(申请号02261659.4)给出了一种带CAN接口的传感器电路板装置，能够实现将处理好的数字信号传送到CAN总线网络的功能，但不具有DeviceNet总线的特征。在已公布的专利文献中尚未有涉及到具有DeviceNet现场总线功能的智能变送器装置的内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够接入标准DeviceNet现场总线网络的嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置，包括一个DSP变送器电路，将多参数被测量转换为高精度数字量并进行处理运算；一个电源电路，将DeviceNet现场总线电源线的24伏电源转换为5伏电源，为变送器装置各组件提供直流电源；其特征在于所述的DSP变送器电路通过高速异步串口连接一个DeviceNet总线接口电路，并有一个数字逻辑电路与DSP变送器电路和DeviceNet总线接口电路相连接，实现LCD控制、地点译码和按键逻辑。
上述的DSP变送器电路结构是一个信号调理电路接口经一个多路A/D转换器及电压基准电路连接一个DSP处理器，还有一个双按键盘和一个LCD显示器连接DSP处理器；多路A/D转换器采集多参数被测量，转换为14位高精度数字量，通过DSP处理器的同步串口发送至DSP处理器内部数据储存器，然后进行处理运算。
上述的嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置，其特征在于DeviceNet总线接口电路的结构是一个通过高速异步串口连接DSP处理器的微处理器连接一个DeviceNet模块和状态双色指示灯电路、一个看门狗芯片、一个静态数据储存器和一个非易失性电可擦除数据储存器，并通过一个独立CAN控制器和CAV收发器连接DeviceNet现场总线的通信线；微处理器实现DeviceNet应用层规约，CAN控制器和CAN收发器实现物理层和数据链路层规约。
上述的数字逻辑电路的结构是一个可编程逻辑器件芯片分别与DSP处理器、微处理器、双按键盘、LCD显示器、静态数据储存器和CAN控制器连接。
上述的DeviceNet现场总线的电源线的24伏电源经一个集成稳压电源模块输出5伏电源为内部数字电路供电，另一路进入一个DC/DC隔离转换模块为AD转换及信号调理电路供电。
本发明实现了具有总线供电能力的嵌入DeviceNet通讯功能的智能变送器装置。其突出优点和效果在于(1)、将DSP处理器应用于现场变送器，利用DSP强大的信号处理功能进行滤波、干扰的补偿、非线性修正等，使变送器具有很高的实时数据处理能力，为高度智能化提供支持；(2)、嵌入集成的DeviceNet通讯功能，使变送器具有先进的全数字现场总线通讯能力，远程监控、组态等功能；(3)、由于采用DeviceNet总线标准，利用DeviceNet总线电缆为传感器、调理电路、信号处理电路、DeviceNet总线通讯接口电路提供电源，使工业现场变送器不再有功耗的限制及优秀的通讯抗干扰能力。
图1是本发明实施例的硬件结构示意图。
图2是本发明实施例的电源部分电路原理图。
图3是本发明实施例的主电路图。
具体实施方法下面结合附图对本发明的一个优选实例进行详细说明参见图1，本实施例的具有DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置包括DSP变送器电路、DeviceNet总线接口电路及数字逻辑电路和电源电路。
所述DSP变送器电路包括信号调理电路接口1、多路A/D转换器及其电压基准电路2、DSP处理器3、双按键盘11、和LCD显示器12。多路A/D转换芯片同时采集温度、静压、差压信号，转换为14位高精度数字量，通过DSP芯片的同步串口发送至DSP内部数据储存器，然后采用数字信号处理方法，经过一定的数据融合算法，结合设定的组态参数，获得所需静压值、差压值、流量值或(和)液位值、密度值等。双按键盘11以单键及组合键的形式和点阵式LCD构成就地人机接口。显示界面在运行状态显示用户选定的一个或轮换显示多个结果参数；在配置状态以菜单形式显示可配置参数。涉及DeviceNet的波特率和从站地址通过按键在配置菜单中软件设定。DeviceNet网络的关断与复位可在按键菜单中相关配置信息有变化时自动进行。
所述DeviceNet总线接口电路包括微处理器6、数据储存器15、非易失性电可擦除数据储存器16、看门狗芯片19、独立CAN控制器7、DeviceNet模块和状态双色指示灯14、CAN收发器17。微处理器6实现DeviceNet应用层规约，与微处理器6连接的独立CAN控制器7及CAN收发器17实现物理层和数据链路层规约。DSP处理器3通过全双工高速异步串口5将过程实时数据送到微处理器6，构成DeviceNet的I/O数据；微处理器6接收通过DeviceNet显式报发送的自上位机(或主站)的组态配置参数，并将它们通过串口发送至DSP处理器3。
所述数字逻辑电路由可编程逻辑器件芯片13实现，分别与DSP处理器3、微处理器6、双按键盘11、LCD显示器12、静态数据储存器15、CAN控制器7连接，实现LCD控制、地址译码、按键逻辑等。
所述电源电路由集成稳压电源模块8和DC/DC隔离转换模块4构成。设备供电自DeviceNet现场总线18的24V电源线10首先进入集成稳压电源模块8，输出5V电源为内部数字电路供电；另一路进入DC/DC隔离转换模块4为AD转换器2及信号调理电路接口1供电。
上述DSP变送器电路和DeviceNet总线接口电路之间的通讯通过高速异步串口5进行连接，其通讯功能特征为(1)、双向全双工数据通讯；(2)、通讯帧分为数据帧和信息帧两类，数据帧包含DeviceNet关于变送器应用对象实例的I/O数据，信息帧包含就地人机接口设定的设备参数、DeviceNet网络节点参数、DSP对DeviceNet网络的控制信息和支持显示报的参数数据。
参见图3DSP变送器电路部分(虚线下半部)。DSP处理器3采用TI公司的TMS320F206，AD转换器部分2选用TI公司的14位四通道AD转换芯片TLC3544和精确参考电压输出芯片MAX875；LCD显示器12选用带HD44780控制器的8×2字符点阵式显示屏；双按键盘11通过图3所示可编程逻辑器件13与DSP处理器连接。
AD转换器部分TLC3544的管脚1、2、3、5分别与DSP处理器3的高速同步串口管脚84-CLKR、85-FSR、90-DX、86-DR连接，其中84和87、85和89信号短接；TLC3544的中断信号线4通过上拉电阻R8连接至DSP处理器3的中断2管脚19，利用中断触发来通知DSP模数转换结束，数据准备完毕。A/D转换所用模拟电源来自附图2电源电路4的DC/DC转换器U19的0V输出脚5和-5V输出脚7；其模拟参考电源连接至MAX875的输出管脚6。MAX875的电压输入脚接至附图2电源电路4的DC/DC转换器U19的+5V输出脚6。
LCD接口的数据线7～14连接至DSP处理器3的I/O口管脚22～31；控制信号RS连接至I/O口32脚；读写信号R/W连至47脚；使能端E连至图3可编程逻辑器件13的13脚，该信号由可编程逻辑器件13的输入信号管脚3、4、5产生；管脚15、16为电源；2脚为背光亮度调节输入。
TMS320F206的管脚76～82为DSP处理器3的JTAG接口，接至端口J2，用来进行程序烧录以及在线编程调试。
参见图3，DeviceNet总线接口电路(虚线上半部)，微处理器6选用Winbond的W78E58B，具有32K程序存储器，使用24MHz晶振；数据储存器电路15由74HC373和32KRAM高速储存器组成，CAN控制器7选用PHILIPS的SJA1000T，选用晶振16MHz；CAN收发器17选用PHILIPS的TJA1050T，看门狗电路19选用MAX813芯片；非易失性电可擦除数据储存器16选用Atmel的AT93C66，其CS、SK、DI/O引脚分别与微处理器6的P1.5 P1.6 P1.7端口相连，具有512个八位字，用来保存节点配置信息；可编程逻辑器件13选用Lattice的GAL16V8D，完成逻辑译码的功能。
微处理器6的异步串口11、13脚与DSP处理器3的93、95脚连接构成双CPU数据交换通道；与CAN控制器U5通过并口连接。U5的片选脚4与可编程逻辑器件13译码输出脚12连接，复位信号脚与微处理器6的2脚连接。U5的输出连接至U15的输入，然后连接至DeviceNet总线接口J2，J2选用DeviceNet规约中的Sealed Mini接头。
参见图2，电源电路部分主要选用LM2576集成稳压电路U18及其附属电路和DC/DC隔离电源BB公司的DCP010505DP正负5V输出芯片U19组成。电源电路由总线接头J2的1、5脚提供24V电源。三极管Q1(2N391)和二极管D4(1N5819)组成防接反及断线保护电路。U18集成稳压电源模块和C19、L1、D5、C20提供输出5V、3A的供电能力，L2和C21组成滤波电路。U19直流电源隔离模块输出+/-5V，将其-5V输出管脚7作为模拟地，获得输出为+5V的模拟供电管脚5及+10V的电压基准模块输入管脚6。
权利要求
1.一种嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置，包括一个DSP变送器电路，将多参数被测量转换为高精度数字量并进行处理运算；一个电源电路，将DeviceNet现场总线(18)电源线(10)的24伏电源转换为5伏电源，为变送器装置各组件提供直流电源；其特征在于所述的DSP变送器电路通过高速异步串口(5)连接一个DeviceNet总线接口电路，并有一个数字逻辑电路与DSP变送器电路和DeviceNet总线接口电路相连接，实现LCD控制、地点译码和按键逻辑。
2.根据权利要求1所述的嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置，其特征在于DSP变送器电路结构是一个信号调理电路接口(1)经一个多路A/D转换器及电压基准电路(2)连接一个DSP处理器(3)，还有一个双按键盘(11)和一个LCD显示器(12)连接DSP处理器(3)；多路A/D转换器采集多参数被测量，转换为14位高精度数字量，通过DSP处理器(3)的同步串口发送至DSP处理器(3)内部数据储存器，然后进行处理运算。
3.根据权利要求1或2所述的嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置，其特征在于DeviceNet总线接口电路的结构是一个通过高速异步串口(5)连接DSP处理器(3)的微处理器(6)连接一个DeviceNet模块和状态双色指示灯电路(14)、一个看门狗芯片(19)、一个静态数据储存器(15)和一个非易失性电可擦除数据储存器(16)，并通过一个独立CAN控制器(7)和CAV收发器(17)连接DeviceNet现场总线(18)的通信线(9)；微处理器(6)实现DeviceNet应用层规约，CAN控制器(7)和CAN收发器(17)实现物理层和数据链路层规约。
4.根据权利要求3述的嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置，其特征在于数字逻辑电路的结构是一个可编程逻辑器件芯片(13)分别与DSP处理器(3)、微处理器(6)、双按键盘(11)、LCD显示器(12)、静态数据储存器(15)和CAN控制器(7)连接。
5.根据权利要求3述的嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置，其特征在于电源电路的结构是DeviceNet现场总线(18)的电源线(10)的24伏电源经一个集成稳压电源模块(8)输出5伏电源为内部数字电路供电，另一路进入一个DC/DC隔离转换模块(4)为AD转换(2)及信号调理电路(1)供电。
全文摘要
本发明涉及一种嵌入DeviceNet现场总线接口的智能变送器装置。它包括一个DSP变送器电路，将多参数被测量转换为高精度数字量并进行处理运算；一个电源电路，将DeviceNet现场总线(18)电源线(10)的24伏电源转换为5伏电源，为变送器装置各组件提供直流电源；其特征在于所述的DSP变送器电路通过高速异步串口(5)连接一个DeviceNet总线接口电路，并有一个数字逻辑电路与DSP变送器电路和DeviceNet总线接口电路相连接，实现LCD控制、地点译码和按键逻辑。本智能变送器装置能够接入标准DeviceNet现场总线网络，具有很高实时数据处理能力，为高度智能化提供支持；具有全数字现场总线通讯能力，远程监控，组态等功能；具有强大的总线供电能力及通讯抗干扰能力。
文档编号G06F13/38GK1603753SQ20041006778
公开日2005年4月6日 申请日期2004年11月3日 优先权日2004年11月3日
发明者付敬奇, 王海宽, 费敏锐 申请人:上海大学