基于SIMl-2的现场总线仪表电路设计

1 引言
    现场总线仪表的重要特点是总线供电。总线供电是指仪表从传输数据的信号总线上获取维持其工作所需的电源。而无需本地电源供电。但由总线供电的仪表具有较严格的功耗约束和复杂的系统，设计可在10 mA下工作的现场总线仪表仍具有挑战性。这里提出一种基于SIMl-2的现场总线仪表电路设计方案。

2 媒体结合单元(MAU)
    典型的现场总线仪表由媒体结合单元MAU(Medium Attachment Unit)、数字系统、A／D转换器、信号调理电路和传感器组成。其中MAU电路通常与数字系统设计在一个圆形线路板上，因此又称为“通讯圆卡”。
    MAU电路分为总线供电和非总线供电两种类型，主要实现标准逻辑信号与传输介质上的物理信号之间的转换，总线供电的MAU电路用于从总线吸收电流，产生系统所需的工作电源。而早期集成的MAU电路性能差，功耗较大。其设计思想是片内集成易于集成的器件(如运算放大器、DC／DC变换器和基准源等)，而较大数值的电阻、电容和较大功率的电流调整管等器件仍使用分立元件。MAU电路设计难点是在满足各项性能指标的前提下降低其自身的工作电流以提高能量利用率。而西门子公司的SIMl-2是新型的集成化的MAU电路。

3 SIM1-2器件主要功能与使用
    SIMl-2(Siemens IEC MAU)西门子现场总线MAU器件采用符合IEC61158—2的曼彻斯特码技术，最大数据传输速率31．25 Kbit／s，采用SMD housing MLPQ40封装，器件尺寸小。SIMl-2的结构框图如图l所示。

    SIMl-2支持所有发送与接收功能，吸收总线上附加电源电流并具有高阻特性，采用两种稳压电源供电并允许电源具有电隔离。SIMl-2具有以下主要功能：支持所有发送和接收功能；对来自总线的能量起到高阻抗退耦作用：可连接所有曼彻斯特码编解码器，符合IEC61158-2的曼彻斯特码技术；MAU器件和通讯控制器之间集成接口逻辑，降低电流消耗；为用户提供稳定的输出电压，电压设置范围2~5 V(误差+3％)，可用电流最高可达50 mA；闲聊(JABBER)禁止。其接口逻辑是指从该器件到通讯控制器的接口，采用以下3种不同的工作模式：
    (1)不采用电流式隔离 如果特殊应用的器件的总线接口无需电流式隔离，此时使使能信号GIM为低电平。接收和发送信号未经处理和转换而通过。其电路如图2所示。

    (2)光耦隔离 为了得到数据和相关信号的线性电流式隔离，使用不同的隔离器件和隔离电路。常用方法是在每个信号端(TxS，TxE，RxS，RxA)放置光耦，如图3所示。

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  (3)功率隔离 使用功率隔离只需2个光电耦合器，数据被转换为脉冲调制信号，如图4所示。此时使能信号GIM为高电平。

    SIMl-2器件不仅能为内部器件提供电源供给，满足电路自身的消耗，还可根据用户需要为其提供稳定的电源电压。其电路如图5所示。

    图5中，稳压器W1产生的VCCD／VCCA作为数字电路和模拟电路的供电电压。稳压器W2从恒定电流中产生稳定电压VE，而无需通过外部负载直接流向地。稳压器W3产生VREC，为外部应用元件进行无漂移电源供给，可驱动最大50 mA的负载。在打开外部电子设备供电后，不能立即使用VE，这样将破坏SIMl-2的启动。SIMl-2启动后，由RESETXN指示对外部设备供电，如果VE降到80％以下，DC／DC转换器调制关断，只有当VE达到92％以上才能重新工作。
    DC／DC转换器采用电压转换模式，使能信号VCM为高电平时，DC／DC转换器控制输出Sl，S2；VCM为低电平时，输出S1，S2用高阻替换。DC／DC转换器通过开关S1和S2，对固定负载的供电进行推挽式转换。在推挽式电路中，两个开关S1和S2交替导通，在绕组W1’和W2’两端分别形成相位相反的交流电压。Sl导通时，二极管VD9处于通态，S2导通时。二极管VDIO处于通态。当两个开关都关断时，二极管VD9和VDIO都处于通态。如果Sl和S2同时处于通态，就相当于变压器一次绕组短路。因此，必须避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50％，并且要留有死区。
    闲聊(JABBER)禁止功能是指节点发生故障时，中断数据流以避免整个网络阻塞。如果信息时间超过120～240 ms，传输将会中断，同时RxS数据和RxA信号到节点的传输也被禁止；1．5~4．5 s后，禁止被取消。

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4 SIMl-2器件典型应用
    图6为SIMl-2器件的典型应用电路。该系统采用ARM核单片机STM32Fl0lRDT6作为信号和协议的主要处理器件，该款单片机引脚数目少，器件体积小。外挂EEPROM用于存储用户定义的信息。基金会现场总线通信控制器FBC0409收发符合FF总线物理层标准的总线信号，单片机接收及发送FF总线数据通过其转换。MAU部分主要由SIMl—2器件完成。该部分还包括少量总线接口电路。图6中的复位电路和4 MHz晶振用于给STM32F101RDT6单片机和FBC0409提供复位信号及系统时钟。SIMl-2使用单独的2 MHz晶振时钟。另外，STM32F101RDT6单片机、FBC0409、SRAM、EEPROM及传感器电路的电源由低压差稳压片(LDO)提供，而LDO的电源来自MAU电路(间接来自总线)。即所有电源均由总线提供，系统无需外接电源。各个器件的连接方式可直接参照数据手册。接收数据时，通信控制器FBC0409通过SIMl—2接收来自FF总线的数据帧，提取出数据字段供上层进一步处理并保存到接收数据缓冲区，CPU访问后将这些数据传递给单片机。发送数据时，单片机将发送数据交付给通信控制器FBC0409，并保存到发送数据缓冲区，在接到令牌后将其转为曼彻斯特码，通过MAU单元发送到FF总线上。

    总线供电的现场总线仪表系统设计难点在于解决功耗与处理速度和处理能力之间的矛盾。由于系统电路本身的消耗和接口电路的需要，供给单片机，通讯控制器，MAU电路使用的电能很有限。因此器件选型尤为重要。现场总线的软件比较复杂庞大，单片机必须要有足够的寻址空间。ARM核单片机STM32F101RDT6其片上拥有384 KB Flash存储器、48KB SRAM，满足系统对寻址能力的要求。通讯控制器采用FBC0409，可满足高性能基金会总线网络主、从设备的使用要求，也适用于PROFIBUS—PA总线的现场设备。FBC0409内置4 KB数据RAM和DMA控制器，数据的接收、发送、地址表的查找均无需CPU，大大减轻CPU负担，满足处理速度的要求。对于MAU电路，除了要求较高质量的传输信号外，还必须能高效率从总线上获取能量以维持仪表工作。西门子现场总线MAU器件SIMl—2不仅能满足以上性能指标，而且工作电流的利用率较高，自身功耗小。

5 结束语
    本文介绍一种新型的媒体结合单元电路器件SIMl-2的系统结构、主要功能和系统应用。在应用系统中，用SIMl—2器件替代分立元件，有效地减小器件面积，而且SIMl-2具有较高的传输质量，能够降低其自身的工作电流提高利用率。通信控制器FBC0409将RAM集成到器件内部，减少线路板连线。单片机STM32F101RDT6引脚数目少，减小了器件体积，节约设计空间。总之，使通讯圆卡在器件数量和功能上相比原来的电路都有明显提高。