第３Ｏ卷第３期 上海电 力 学 院学报 Ｖｏ１．３０．Ｎｏ．３ ２０１４年６月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｊｕｎ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—４７２９．２０１４．０３．０１５ 基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ的多通道温度变送器设计 包伟华 ，章俊辉 ，夏飞 ，孙波 （１．上海电力学院自动化工程学院，上海２０００９０； ２．上海自动化仪表股份有限公司技术中心，上海２０００７０） 摘要：提出了一种基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ的多通道温度变送器的硬件设计方案．分别阐述了该方案中信号采集、 ＡＲＭ处理平台、系统电源、通信系统４个部分的设计原理与选型思路．此设计支持Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ通信协议，利 用单协议栈实现多通道温度测量，同时提供数据的高速、可靠传输，实现了由Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ总线供电，以应用于 具有本质安全防护要求的场合． 关键词：多通道；温度变送器；嵌入式系统 中图分类号：ＴＰ２７２．１１；ＴＰ２７３．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６—４７２９（２０１４）０３—０２６１—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｒｏｆｉｂｕｓ．ＰＡ ＢＡＯ Ｗｅｉｈｕａ ，ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎｈｕｉ ，ＸＩＡ Ｆｅｉ ，ＳＵＮ Ｂｏ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ ｉＳ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ＡＲＭ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｄｅａｓ ｏｆ ｄｅｖｉｃｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｅａｃｈ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｓｕｐｐｏｒｔｓ Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｕｓｉｎｇ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｌｅ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ．Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｂｅ Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ ｂｕｓ—ｐｏｗｅｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｐｌａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ 温度变送器是一种将温度变量转换为可传送 测温度，使其性能达到最佳．然而这些温度测点的 的标准化输出信号的仪表，工业中被广泛应用于 设置通常比较传统，需要分别安装测量仪表，进行 对温度的测量与控制．现代工业要求对工业过程 调试与提供维护． 进行精密控制，需要通过设置多个温度测点来检 经过市场调研发现，国外生产的温度变送器 收稿日期：２０１４—０４—２２ 通讯作者简介：包伟华（１９７２一），男，博士，教授级高级工程师，浙江东阳人．主要研究方向为现场总线，智能检测 技术．Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｗｈ＠ｓａｉｃ．ｓｈ．ｃａ． 基金项目：国家“８６３”计划资助项目（２０１２ＡＡ０４１７０４）． 上海电力学院学报 多数均支持多通道温度采集，并且已经完全智能 以满足化工、石化等工业要求，设备在危险区域 化和数字化，可以根据用户或系统的要求，选择传 可进行带电操作（测量和校正）和拔插；耗电量 统的４—２０ ｍＡ模拟通信技术，或使用包括 较大的设备（四线制）可通过单独现场电源供 Ｐｒｏｆｉｂｕｓ和ＦＦ在内的多种现场总线通信技术．国 电；低功耗的现场设备（压力或温度变送器）可 内生产的温度变送器大多不支持多通道温度采 以由两线制总线供电，并传送数字信号，保证其 集，或仅支持ＨＡＲＴ通信协议．目前，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ 本质安全．Ｉ ３］ 协议产品有较高市场占有率和良好市场前景，在 ＰＡ的数据传输采用曼彻斯特编码，其技术特 此环境下，对基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ的多通道温度变送 点为：在每一比特时间内，有一次信号电平的跳 器进行设计和研究，具有重要的现实意义． 变，前半个时间段为比特值本身，后半个时间段为 Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ现场总线专为过程自动化设计，通过 比特值的反码，即０到１的跳变作为逻辑０，１到０ 段耦合器或者链接器接人到ＤＰ网络中，在保持 的跳变作为逻辑１，以此便可携带同步信息，且无 ＤＰ通信协议的基础上，优化传输技术．ＰＡ在现场 需再另外传送同步信号．另外，该编码中的正、负 设备的规划、电缆敷设、调试、投入运行和维护方 电平各占一半，当信号本身不存在直流分量时，信 面可节省成本，并可提供多功能和安全性．１１ 在 号传输不会造成电缆上的基本电平发生变化．１４ 目前的各类现场总线技术中，只有Ｐｒｏｆｉｂｕｓ与ＦＦ 在ＰＡ网络架构中，只有段耦合器才能向导 协议考虑了本安特性，而相较于ＦＦ协议，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ 线输出功率，所有其他站点（现场仪表和总线终 协议在过程自动化领域更加成熟，应用更为广泛． 端电阻）只消耗功率．每台仪表平均至少消耗１０ 它只需通过一根双绞线就可既传送信息又向现场 ｍＡ电流，以此作为设备基本电流．设计时以不超 设备供电，并且不再需要绝缘装置和隔离装置． 出１０ ｍＡ的能耗为最佳，否则可连接的仪表数量 本文所设计的多通道温度变送器安装在被监 将会减少． 由ＰＡ网络引起的延迟约为９６０ ｍｓ． 测设备附近，取代传统的单点连线、低成本单通道 可通过减小信号获取时间和周期、保持模拟输入 输人变送器和多路转换器的温度测量方法，同时 输出块的执行与ＰＡ网络通信同步等方式减小此 采集８路温度信息，并通过ＰＡ现场总线将信息 延迟．另外，ＰＡ协议并不支持总线设备功能块的 传送到上位控制系统中．该设计减少了用户的使 执行与网络通信保持同步，这就对硬件设备提出 用步骤、降低了复杂性、提高了操作效率，同时可 了更高的要求．－ｏ 简化工厂过程架构，降低工业成本。 ２ 设计方案 １ Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ现场总线技术 本设计方案包括信号采集、ＡＲＭ处理平台、 Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ的物理层符合ＩＥＣ ６１１５８－２传 系统电源和通信系统４个部分，系统结构框图如 输技术，传输速率为３１．２５ ｋＢ／ｓ．该传输技术可 图１所示． 图１系统结构示意 包伟华，等：基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ的多通道温度变送器设计 ２．１信号采集部分 本设计采集８路温度信息，分别为４路热电 阻（ＲＴＤ）信号和４路热电偶（ＴＣ）信号．其中热 电阻测温不使用电流源激励，而采用三线制桥式 测温电路，其工作原理如图２所示． 图２三线制桥式测温原理 图２中，Ｒ 为待测热电阻，ｒ为引线内阻，尺。， 为精密电阻，且Ｒ。＝Ｒ：，Ｕ。为电源电压．当 Ｒ ＝Ｒ 时，电桥平衡，压差信号 为零．相比于 两线制测温，此电路能很好的减小引线内阻带来 的影响，使得热电阻测量更为精确． 热电偶测温需要考虑冷端补偿问题，由于本 方案采用的ＡＤ芯片提供内部冷端补偿，在ＰＣＢ 设计时，需要将ＡＤ芯片尽量安排在电路板边缘， 以降低补偿温度误差，使得热电偶测温更加准确． 本设计通过上位机组态选择温度传感器类型（热 电阻或热电偶）以及型号（Ｐｔｌ００热电阻或不同分 度号的热电偶）． 滤波电路采用经典的ＬＲＣ低通滤波，以屏蔽 工业现场的干扰信号，具体参数选择需要综合考 虑滤波器的截止频率和响应时间．截止频率可以 根据幅频响应曲线得到，即为使得输出信号降至 最大值的０．７０７倍的频率．响应时间可以根据阶 跃响应曲线得到． 考虑到本设计采用的ＡＤ芯片其参考电压由 内部提供，且芯片内部提供的最大放大倍数为１６ 倍，为提高测量精度，需要采用外部信号放大电 路．放大倍数的选择根据ＡＤ芯片所提供的参考 电压范围，以将前端电压信号放大到尽量覆盖此 范围内作为标准，即不同类型的热电阻或热电偶 具有不同的放大倍数．根据经验，覆盖范围可定为 参考电压范围的０．７倍．本设计采用两级放大，硬 件电路先将电压信号放大８倍，再根据具体ｉ贝０量 类型，通过ＡＤ芯片的控制字，软件选择合适的放 大倍数．为避免出现过多的放大倍数，可根据热电 阻和热电偶的温度／电压特性曲线，将电压值划分 为几个区间，再根据区间进行放大． 以Ｐｔ１００热电阻为例，其温度跨度为一２００ ～８５０℃，电阻跨度为１８．５２～３９０．４８ Ｑ．ＡＤ芯 片的参考电压为２．０４８ Ｖ．根据上述测温电路， 计算出压差信号在０～８３．７５ ｍＶ之间，可知放 大倍数选择１６倍比较合适．通过硬件将电压信 号放大８倍后，再通过ＡＤ芯片选择放大２倍即 可实现． 通道与通道之间的切换采用８选１的多路 选择开关，通过ＣＰＵ对选择开关的Ａ，Ｂ，Ｃ ３个 二进制输入端和ＩＮＨ禁止端的控制选择采样 通道． ２．２ ＡＲＭ处理平台 本方案所设计的多通道温度变送器的ＣＰＵ 采用以ＡＲＭ７ＴＤＭＩ为内核的低功耗、高性能微 处理器．ＡＲＭ处理器具有体积小、低功耗、低成本 的特点．ＡＲＭ７ＴＤＭＩ是基于ＡＲＭ体系结构的 Ｖ４版本，目前属于比较低端的ＡＲＭ核，在工业 设备中具有广泛的应用．ＡＲＭ７ＴＤＭＩ使用流水线 以提高处理器指令的流动速度，流水线允许几个 操作同时进行，以及处理和存储系统的连续 操作．［ ］ 本设计所使用的ＣＰＵ为高性能３２位ＲＩＳＣ 架构，拥有２５６ ｋＢ的内部高速闪存，支持３—２０ ＭＨｚ的晶振频率，含有两组ＵＳＡＲＴ接口与一组 ＳＰＩ接口等符合本设计要求的特点．同时，所选的 ＣＰＵ包含３个ＰＩＯ控制器，８８个可编程Ｉ／Ｏ，避 免了因Ｉ／Ｏ不足而需要加入锁存电路． 考虑到系统的稳定性，ＣＰＵ还需要外接一个 看门狗电路，当ＣＰＵ发生故障、程序跑飞时，提供 一个复位信号给ＣＰＵ，同时也可为ＣＰＵ提供一个 ＥＥＰＲＯＭ，用来存储掉电后需要保存的数据，比如 组态信息、设备管理信息等． ２．３系统电源 本设计由Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ总线负责供电．介质 存取单元（ＭＡＵ）电路是实现总线供电的关键， 它负责从总线上获取能量供内部使用，维持设 备的正常工作，同时可以调制和解调信号，联络 ＣＰＵ与ＰＡ总线，其结构框图如图３所示．１８ 本 设计的ＭＡＵ电路由专用芯片加外围电路的方 式组成． 上海电力学院学报 ２０１４正 本设计的总线供电／电流调制电路由前级稳 压电路、电流调制电路和二级稳压电路组成．前级 稳压电路采用线性低压差三端稳压器，将输出电 压转变为５ Ｖ．电流调制电路采用运算放大器将 电路的输出电流在１２ ｍＡ左右，保证ＰＡ网 络的性能．二级稳压电路由并联稳压电路和串联 稳压电路组成，可以稳定输出５Ｖ ＤＣ，为必要器 件供电，保证运算放大器的线性工作空间，同时还 可以吸收多余的输出电流，保证系统稳定性．最 后，通过ＤＣ／ＤＣ变换电路，将电压降至３．３ Ｖ和 １．８ Ｖ供其余器件使用． 图３ ＭＡＵ结构示意 ２．４通信系统 本设计采用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ现场总线与上位系 统之间进行通信．温度变送器作为工业现场底层 的监测设备，在ＰＡ网络中扮演着从站的角色，即 只需要响应来自主站的读取或写入请求，不主动 发送数据． 进行Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ通信时，采用其协议芯片， 可以自动检测并调整数据传输速率，实现 Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ的同步传输模式和电平转换，从而简 化设计、缩短开发周期．此外，协议芯片还可以实 现电源和信号之间的隔离，不需要再增加其余隔 离电路，就可以保证系统的稳定性．常用的ＰＡ通 信协议芯片有ＳＰＣ４—２和ＤＰＣ３１． 考虑到ＤＰＣ３１是一个带处理器接口和集成 处理器芯子（８０Ｃ３１核）的预处理通信芯片，附加 的处理器芯子可用于其他应用程序．而ＳＰＣ４—２是 一个带有不同控制器处理接口的预处理通信芯 片．相比之下，ＳＰＣ４．２虽然缺少集成Ｃ３１芯，但由 于其低功率管理特性，更适用于本质安全系统，所 以本设计采用ＳＰＣ４—２协议芯片，其连接示意图如 图４所示． ＳＰＣ４—２采用Ｉｒｌｔｅｌ异步模式接法，即ＴＹＰ（８） 与ＭＯＤＥ（２３）硬件置低．数据总线ＤＢ０．ＤＢ７和地 址总线ＡＢ０一ＡＢ９分别与ＣＰＵ相连．中断ＸＩＮＴ（９） 和复位ＲＥＳＥＴ（３６）分别与ＣＰＵ外部中断和复位 端口相连．ＲＴＳ（２７），ＴＸＤ（２６），ＲＸＤ（３０）作为与 ＭＡＵ交换数据的通道，分别与其相连． 图４ ＳＰＣ４—２连接示意 ３ 结 语 本文所设计的多通道温度变送器通过静电放 电抗扰度（６ ｋＶ接触放电、８ ｋＶ空气放电）、射频 电磁场辐射抗扰度（试验场强为１０ Ｖ／ｍ）、电快 速瞬变脉冲群抗扰度（Ｉ／Ｏ信号、数据端口电压峰 值为１ ｋＶ，频率为５ ｋＨｚ，供电电源端口、保护接 地端电压峰值为２ ｋＶ，频率为５ ｋＨｚ）、工频磁场 抗扰度（磁场强度为１０ Ａ／ｍ）４项ＥＭＣ（电磁兼 容）测试，以及串模与共模干扰测试． 在带有现场总线的温度变送器的基础上加入 多个通道，可以利用单协议栈，实现多通道测量， 节约了工业成本．目前，国内生产的多通道温度变 送器，大多不支持现场总线技术，数据传输效率 低，工业成本高．由此可见，对基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＰＡ的 多通道温度变送器进行研究具有重要的现实意义 和工程价值． 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．１９９９：２３８－３０６． ［２］ 魏军．ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线技术研究及监控系统的实现［Ｄ］．南 京：南京航空航天大学，２００４． ［３］徐春玲，凌志浩，王秀英．Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＰＡ总线系统结构及其接 口模块设计［Ｊ］．自动化仪表，２００７，２８（８）：３２—３５． ［４］ 高振江．基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＰＡ协议的嵌入式系统硬件平台 的研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２００９． （下转第２６８页） ２６８ 上海电力学院学报 ２０１４年 过程中，实际过热汽温对象要求温度动态和稳态 偏差均较小，并给ＰＩＤ控制器保留了较大的稳定 裕量，导致系统初期响应速度比ＰＩＤ控制要慢，但 通过模糊控制减小了系统的超调量，系统的稳定 性，从而增加了ＰＩＤ控制器较高的稳态精度，保证 了系统较好的动态和稳态特性． 参考文献： ［１］杨锡运，徐大平，柳亦兵，等．过热汽温多模型预测函数控制 策略的研究［Ｊ］．动力工程，２００５，２５（４）：５３７－５４０． ［２］赵峻彦．模糊控制现状与展望［Ｊ］．吉林工程技术师范学院 学报：自然科学版，２００６，２２（９）：１－４． ［３］刘红波，李少远，柴天佑．一种基于模糊切换的模糊复合控 制器及其应用［Ｊ］．控制与决策，２００３，１８（５）：１２—１５． ［４］ 金以慧．过程控制［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９３： 时间明显加快，而且衰减率大大增加，也就是说稳 定裕量大大增强．图５可以明显看出复合模糊控 制器有着较小的动态偏差、快速的调整时间及接 近１００％的衰减率．由此说明改进型Ｓｍｉｔｈ复合模 糊控制器具有理想的动态挣ｌ生． ４ 结 语 本文采用了改进型Ｓｍｉｔｈ预估复合模糊控制 方法，仿真结果表明，该Ｓｍｉｔｈ预估方案有着较理 想的鲁棒性，能够适应补偿模型与实际对象之间 １３６—１４０． ［５］胡中功，宗毅，徐利新．Ｓｍｉｔｈ预估器的一种改进方案及其 仿真研究［Ｊ］．武汉化工学院学报，２００１，２３（４）：７５－７７． ［６］李旭．过热汽温的动态特性与控制［Ｊ］．动力工程，２００７，２７ （２）：１９９－２０３． 无论是时间常数还是系统增益的偏差．而模糊控 制方案与ＰＩＤ控制器的并行控制，利用了模糊控 制在大偏差时的快速性，小偏差下理想的动态特 （编辑胡小萍） （上接第２６４页） ［５］惠敦炎．ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＰＡ网络概述［Ｊ］．测控技术，２００１（３）： ８．１４． 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