专利名称：模拟电流与现场总线信号的智能转换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于工业自动化领域，特别涉及现场总线技术在产品上开发应用的一
种模拟电流与现场总线信号的智能转换装置。
背景技术：
现场总线技术在产品上开发应用还没有形成一个品种齐全、功能完善的产品系 列；由于目前存在多种现场总线标准，使得现有的产品还不能完全满足用户的需要，因此一 些暂时市场上还没有的现场总线规格的仪表只能使用常规4 20mA信号设备。另外一个 重要的原因是，对于用户来说，尽管现场总线系统有着这么多的优点，但工程费用也是他们 是否采纳该产品的考虑因素之一。现场总线智能仪表目前较常规仪表价格高出15%左右， 在相对于可以使用非智能仪表的分散控制系统(DCS)中，即使考虑到接口卡等元件和电缆 的节省后，现场总线系统硬件开支仍可能比使用非智能仪表的DCS有所增加，所以一些用 户在不重要的位置还愿意使用非智能仪表来节省投资。第三，对于项目改造，许多常规4 20mA信号设备还不能一概废弃，必须利用部分原有的常规4 20mA信号设备，于是一种"混 合型"方案在现阶段是一种极为经济、合理的系统数字化改造的解决方案。对此，一个很好 的解决的办法是通过一种转换装置将传统的模拟信号仪表"转接"到现场总线上来，这样， 既发挥了现场总线技术的各种优势，同时又大大节省了成本，特别是对于系统改造用户来 说，可以很好地利用现有的模拟信号仪表。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术中目前存在多种现场总线标准，使得现有的产 品还不能完全满足用户的需要的不足提供一种模拟电流与现场总线信号的智能转换装置， 其特征在于，该智能转换装置是一种将4 20mA标准电流信号转换为WorldFIP现场总线 数字信号的转换装置，所述智能转换装置包括转换模块、主模块、显示模块及其软件设计； 主模块分别与转换模块、显示模块连接。 所述主模块包含微处理器、通信模块及通信接口单元；通信模块的地址总线 A[0:8]和数据地址复用总线AD[0:7]分别连接微处理器的地址总线A[0:8]和D[0:7]，及 与微处理器内部存储器片选线接地。 所述转换模块包括多路开关、信号调理、A/D转换器及信号隔离构成， 所述显示模块选用字符型LCD点阵模块作显示器件；通过并行接口与微处理器总
线连接。 本实用新型的有益效果，该装置可将仪表控制系统中广泛使用的规4 20mA信号 设备转接到WorldFIP现场总线上，使传统的模拟信号设备融入到网络化的数字控制系统 中，充分利用现有的设备实现了系统的改造，大大降低了成本和投资；具有如下特点 1)该装置具有智能化，具有输入信号自动校正、非线性补偿、数字滤波等功能，修 正和克服了所连接的各类模拟电流设备引进的误差和干扰，从而提高了装置的的测量转换精度； 2)该装置具有自测试和自诊断功能，通过现场总线网络可为用户提供诊断信息， 提高了装置自身的信息化程度； 3)具有可扩展的就地控制功能，装置内设计了基于功能块组态技术的功能块应用 软件，为基于现场总线技术的全分布式控制的实现创造了条件。
图1为智能转换装置的结构。 图2为转换模块结构和组成。 图3模拟/数字转换器ADS1110。 图4为AT91M40800结构。 图5为主模块的微处理器子模块设计图。 图6为智能转换装置的通信子模件。 图7为微处理器模件与通信子模件的连接电路。 图8为显示模块与主模块的微处理器子模块的连接电路。
具体实施方式本实用新型为模拟电流与现场总线信号的智能转换装置。
以下结合附图对本发明 予以说明。 图1所示为智能转换装置的结构。所述智能转换装置包括转换模块、主模块、显示 模块及其软件设计。主模块分别与转换模块、显示模块连接，并且主模块将传统的模拟信号 仪表"转接"到WorldFIP现场总线上，即把采集来的4 20mA的模拟电流信号转换为符合 WorldFIP现场总线协议的数字信号，完成与现场总线之间的通信；同时完成实时计算，就 地控制的基本任务， 图2所示为转换模块结构。包括多路开关、信号调理、A/D转换器及信号隔离构 成，转换模块的主要功能是将来自常规仪表的4 20mA标准信号，经过信号调理，转换为适 合A/D转换器转换的电压，经信号隔离后，以数字量的形式送往主模块处理。其中多路开 关的功能是将多个通道的信号传送道公共数据线上。本设计选用的多路转换器MUX采用 Fairchild公司生产的八选一芯片CD4051BC，可以从八路模拟量输入中，通过CPU对三个控 制管脚A、B、C以及使能信号的控制来选择任意一路从管脚COM端输出。A/D转换器在选择 时应考虑的主要指标为分辨率、量化误差、线性误差、零位误差、转换时间等。综合以上各种 指标，在装置中采用了 16位的模拟/数字转换器ADS1110，可充分保证转换精度。如图3所 示。 主模块包含微处理器、通信模块及通信接口单元 (1)微处理器 在用户微处理器的选择上，选用ATMEL公司的AT91M40800，集成了 ARM7TDMI核、 嵌入式ICE接口，存储器以及外围部件(如图4所示)，AT91M40800内部主要有两条总线 先进系统总线(Advanced System Bus)和先进外围总线APB (Advanced Peripheral Bus)。 ARM7TDMI通过ASB接口实现与片内32位存储器、外边总线接口 EBI以及AMBA桥的互连。
4[0025] 在设计时充分考虑了用户微处理器的通用性以及功能的可扩展性。在主模块的 微控制单元板上扩展了 256KBX16bit Flash、256KBX 16bit SRAM和16KBEEPR0M。扩展了 20个并行接口 ，其隔离中有四个并行接口用高速光耦6N137隔离，三个作为微处理器的隔 离输出， 一个作为微处理器的输入，这4个并行接口用作与D/A或A/D的接口 (实现SPI功 能)。并且在微处理器板上设计了一个隔离的+5V和-5V电源，用来给输入输出板需要隔离 供电的器件供电。主模块的微处理器设计图如图5所示。 (2)通信模块 通信模块的设计主要是WorldFIP现场总线通信模块及其链路器件的选择和连 接。针对不同的现场需要，有多种类型的WorldFIP现场总线通信控制器可供选择，对于功 能较为简单、通信数据量较小的通信单元如智能传感器、智能调节器或现场PLC，可以选择 低成本并且易于使用的MICROFIP芯片；对于需要功能完善、通信数据量较大通信单元如通 信控制单元，则可以选择FULLFIP2芯片。本专利所设计的智能转换装置在连入WorldFIP 现场总线网络后作为基本站使用，故通信控制器采用MICR0FIP芯片作为通信控制器，我们 在设计中采用了 1M的通信配置。通信通信模块的组成如图6所示。 (3)微处理器与通信模块的连接 MICR0FIP的地址总线A[0:8]和数据地址复用总线AD[0:7]分别与AT91M40800的 地址总线A[0:8]和D[0:7]相连，MICROFIP的内部存储器片选信号线接地，两者采用共享 512字节存储器的交换信息。通信控制器MICROFIP选用微处理器工作模式，通过一条中断 申请信号线向微处理器申请中断；当在WorldFIP网络上接收使用变量、发送生产变量、传 输消息及收到同步标识时均会触发中断。微处理器与通信模块的连接电路如图7所示。 所述显示模块选用字符型LCD点阵模块作显示器件；显示模块的引脚包括8位数 据信号DB[7:0]和三路控制信号读写信号R/W，片选信号E，寄存器选择信号RS。显示模 块与主模块的微处理器子模块的连接电路如图8所示。 通过并行接口与微处理器总线连接。LCD模块根据来自主模块的信号，根据需要， 可以显示各种可能的数据，同时还可以显示各种故障信息等。在本装置中采用了一种字符 型LCD点阵模块HD44780,可提供LCD显示屏的驱动信号和一个简单的并行接口与微处理器 总线连接，它的体积小、重量轻、功耗低、可靠性高。可显示5X7点字型192种字符，5X10 点字型32种字符，可自编8(5X7点)或4(5X10点)种字符。该模块的指令功能强，可组 合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求，显示的形式也很灵活，有许多不同规格， 可以显示不同行，每行可以显示不同个字符数。本装置选用可以显示2行，每行可以显示 8个字符的模块，其中每个字符使用5X7点阵的象素显示。显示模块接口电路简单，带有 8X8bit RAM，工作温度宽，在0 5(TC范围内。LCD显示模件由液晶板、LCD驱动器HD44100 和控制器组成。驱动器HD44100是低功耗CMOS技术的LCD驱动芯片，它即可以当行驱动用， 也可以作为列驱动使用，由20X2bit数据锁存器和20X2bit驱动器组成。
权利要求一种模拟电流与现场总线信号的智能转换装置，其特征在于，该智能转换装置是一种将4～20mA标准电流信号转换为WorldFIP现场总线数字信号的转换装置，所述智能转换装置包括转换模块、主模块和显示模块；主模块分别与转换模块、显示模块连接，并且主模块将传统的模拟信号仪表“转接”到WorldFIP现场总线上。
2. 根据权利要求1所述模拟电流与现场总线信号的智能转换装置，其特征在于，所述 主模块包含微处理器、通信模块及通信接口单元；通信模块的地址总线A[0:8]和数据地址 复用总线AD分别连接微处理器的地址总线A[0:8]和D，及与微处理器内部存储 器片选信号线接地。
3. 根据权利要求1所述模拟电流与现场总线信号的智能转换装置，其特征在于，所述 转换模块包括多路开关、信号调理、A/D转换器及信号隔离构成。
4. 根据权利要求1所述模拟电流与现场总线信号的智能转换装置，其特征在于，所述 显示模块选用字符型LCD点阵模块作显示器件；其并行接口与微处理器总线连接。
专利摘要本实用新型公开了属于工业自动化领域的一种模拟电流与现场总线信号的智能转换装置。所述智能转换装置包括转换模块、主模块、显示模块及其软件设计；主模块分别与转换模块、显示模块连接，并且主模块将传统的模拟信号仪表“转接”到WorldFIP现场总线上。该装置具有智能化，具有输入信号自动校正、非线性补偿、数字滤波等功能，具有自测试和自诊断功能，修正和克服所连接的各类模拟电流设备引进的误差和干扰，从而提高了装置的测量转换精度，提高了自身的信息化程度。
文档编号H03K19/0175GK201509188SQ20092010992
公开日2010年6月16日 申请日期2009年7月3日 优先权日2009年7月3日
发明者李文, 杨国田, 梁庚, 白焰 申请人:华北电力大学