1 引言
現場總線儀表的重要特點是總線供電。總線供電是指儀表從傳輸數據的信號總線上獲取維持其工作所需的電源。而無需本地電源供電。但由總線供電的儀表具有較嚴格的功耗約束和復雜的系統，設計可在10 mA下工作的現場總線儀表仍具有挑戰性。這里提出一種基于SIMl-2的現場總線儀表電路設計方案。
2 媒體結合單元(MAU)
典型的現場總線儀表由媒體結合單元MAU(Medium Attachment Unit)、數字系統、A／D轉換器、信號調理電路和傳感器組成。其中MAU電路通常與數字系統設計在一個圓形線路板上，因此又稱為“通訊圓卡”。
MAU電路分為總線供電和非總線供電兩種類型，主要實現標準邏輯信號與傳輸介質上的物理信號之間的轉換，總線供電的MAU電路用于從總線吸收電流，產生系統所需的工作電源。而早期集成的MAU電路性能差，功耗較大。其設計思想是片內集成易于集成的器件(如運算放大器、DC／DC變換器和基準源等)，而較大數值的電阻、電容和較大功率的電流調整管等器件仍使用分立元件。MAU電路設計難點是在滿足各項性能指標的前提下降低其自身的工作電流以提高能量利用率。而西門子公司的SIMl-2是新型的集成化的MAU電路。
3 SIM1-2器件主要功能與使用
SIMl-2(Siemens IEC MAU)西門子現場總線MAU器件采用符合IEC61158—2的曼徹斯特碼技術，最大數據傳輸速率31．25 Kbit／s，采用SMD housing MLPQ40封裝，器件尺寸小。SIMl-2的結構框圖如圖l所示。
SIMl-2支持所有發送與接收功能，吸收總線上附加電源電流并具有高阻特性，采用兩種穩壓電源供電并允許電源具有電隔離。SIMl-2具有以下主要功能：支持所有發送和接收功能；對來自總線的能量起到高阻抗退耦作用：可連接所有曼徹斯特碼編解碼器，符合IEC61158-2的曼徹斯特碼技術；MAU器件和通訊控制器之間集成接口邏輯，降低電流消耗；為用戶提供穩定的輸出電壓，電壓設置范圍2~5 V(誤差+3％)，可用電流最高可達50 mA；閑聊(JABBER)禁止。其接口邏輯是指從該器件到通訊控制器的接口，采用以下3種不同的工作模式：
(1)不采用電流式隔離 如果特殊應用的器件的總線接口無需電流式隔離，此時使使能信號GIM為低電平。接收和發送信號未經處理和轉換而通過。其電路如圖2所示。
(2)光耦隔離 為了得到數據和相關信號的線性電流式隔離，使用不同的隔離器件和隔離電路。常用方法是在每個信號端(TxS，TxE，RxS，RxA)放置光耦，如圖3所示。
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(3)功率隔離 使用功率隔離只需2個光電耦合器，數據被轉換為脈沖調制信號，如圖4所示。此時使能信號GIM為高電平。
SIMl-2器件不僅能為內部器件提供電源供給，滿足電路自身的消耗，還可根據用戶需要為其提供穩定的電源電壓。其電路如圖5所示。
圖5中，穩壓器W1產生的VCCD／VCCA作為數字電路和模擬電路的供電電壓。穩壓器W2從恒定電流中產生穩定電壓VE，而無需通過外部負載直接流向地。穩壓器W3產生VREC，為外部應用元件進行無漂移電源供給，可驅動最大50 mA的負載。在打開外部電子設備供電后，不能立即使用VE，這樣將破壞SIMl-2的啟動。SIMl-2啟動后，由RESETXN指示對外部設備供電，如果VE降到80％以下，DC／DC轉換器調制關斷，只有當VE達到92％以上才能重新工作。
DC／DC轉換器采用電壓轉換模式，使能信號VCM為高電平時，DC／DC轉換器控制輸出Sl，S2；VCM為低電平時，輸出S1，S2用高阻替換。DC／DC轉換器通過開關S1和S2，對固定負載的供電進行推挽式轉換。在推挽式電路中，兩個開關S1和S2交替導通，在繞組W1’和W2’兩端分別形成相位相反的交流電壓。Sl導通時，二極管VD9處于通態，S2導通時。二極管VDIO處于通態。當兩個開關都關斷時，二極管VD9和VDIO都處于通態。如果Sl和S2同時處于通態，就相當于變壓器一次繞組短路。因此，必須避免兩個開關同時導通，每個開關各自的占空比不能超過50％，并且要留有死區。
閑聊(JABBER)禁止功能是指節點發生故障時，中斷數據流以避免整個網絡阻塞。如果信息時間超過120～240 ms，傳輸將會中斷，同時RxS數據和RxA信號到節點的傳輸也被禁止；1．5~4．5 s后，禁止被取消。[next]
圖6為SIMl-2器件的典型應用電路。該系統采用ARM核單片機STM32Fl0lRDT6作為信號和協議的主要處理器件，該款單片機引腳數目少，器件體積小。外掛EEPROM用于存儲用戶定義的信息。基金會現場總線通信控制器FBC0409收發符合FF總線物理層標準的總線信號，單片機接收及發送FF總線數據通過其轉換。MAU部分主要由SIMl—2器件完成。該部分還包括少量總線接口電路。圖6中的復位電路和4 MHz晶振用于給STM32F101RDT6單片機和FBC0409提供復位信號及系統時鐘。SIMl-2使用單獨的2 MHz晶振時鐘。另外，STM32F101RDT6單片機、FBC0409、SRAM、EEPROM及傳感器電路的電源由低壓差穩壓片(LDO)提供，而LDO的電源來自MAU電路(間接來自總線)。即所有電源均由總線提供，系統無需外接電源。各個器件的連接方式可直接參照數據手冊。接收數據時，通信控制器FBC0409通過SIMl—2接收來自FF總線的數據幀，提取出數據字段供上層進一步處理并保存到接收數據緩沖區，CPU訪問后將這些數據傳遞給單片機。發送數據時，單片機將發送數據交付給通信控制器FBC0409，并保存到發送數據緩沖區，在接到令牌后將其轉為曼徹斯特碼，通過MAU單元發送到FF總線上。
總線供電的現場總線儀表系統設計難點在于解決功耗與處理速度和處理能力之間的矛盾。由于系統電路本身的消耗和接口電路的需要，供給單片機，通訊控制器，MAU電路使用的電能很有限。因此器件選型尤為重要。現場總線的軟件比較復雜龐大，單片機必須要有足夠的尋址空間。ARM核單片機STM32F101RDT6其片上擁有384 KB Flash存儲器、48KB SRAM，滿足系統對尋址能力的要求。通訊控制器采用FBC0409，可滿足高性能基金會總線網絡主、從設備的使用要求，也適用于PROFIBUS—PA總線的現場設備。FBC0409內置4 KB數據RAM和DMA控制器，數據的接收、發送、地址表的查找均無需CPU，大大減輕CPU負擔，滿足處理速度的要求。對于MAU電路，除了要求較高質量的傳輸信號外，還必須能高效率從總線上獲取能量以維持儀表工作。西門子現場總線MAU器件SIMl—2不僅能滿足以上性能指標，而且工作電流的利用率較高，自身功耗小。
5 結束語
本文介紹一種新型的媒體結合單元電路器件SIMl-2的系統結構、主要功能和系統應用。在應用系統中，用SIMl—2器件替代分立元件，有效地減小器件面積，而且SIMl-2具有較高的傳輸質量，能夠降低其自身的工作電流提高利用率。通信控制器FBC0409將RAM集成到器件內部，減少線路板連線。單片機STM32F101RDT6引腳數目少，減小了器件體積，節約設計空間。總之，使通訊圓卡在器件數量和功能上相比原來的電路都有明顯提高。