如何加速FF现场总线自动化智能仪表开发进度

　　当前，国际上正在进行的以现场总线技术为先导的自动化技术革新，是第四代仪表智能型数字化产品，这种产品的应用必须是普及的、网络化的和开放的，也只有在大家都使用统一的现场总线标准并具有可互操作的基础上，才可能真正地实现扩大的网络化应用。对此，面对HART仪表和国际基金会现场总线技术已经或正在成熟的今天，如何加速开发国内的智能化仪表是行业内必须考虑的一件事。

　　一、采用什么样的专用芯片
　　目前，国际和国内智能型仪表应用的最大量的是HART,占40%，其次是 FF H1和PROFIBUS PA占10%，剩余的模拟仪表占50%，改造的对象是面向这部分仪表，开发的产品应该兼顾HART和两种总线。
　　开发的内容主要涉及到现场总线的通信芯片和仪表智能模板，两部分可分开制作，也可以合起来。开发过程中要使用的工具是开发的套件和源码，并在初步完成后，到国际上相关单位进行测试认证。
　　开发智能型总线仪表，需要的数字化、计算机和网络等技术较高，国内的一般企业不希望前期的高投入。加之开发过程对需要首先获得必要的资质和获得相应的标准，这些条件阻碍了国内厂家的开发步伐。
　　我国在"九五"和"十五"期间，国家科技部和发改委曾立项资助开发工作，并在中国科学院沈阳自动化研究所等单位获得了成功，国内企业的后续开发，应采取合作的形式，减少开发时间，开发更多的产品。
　　二、开发的芯片品种
　　根据市场需要，目前有的品种是，适用于FF H1、PROFIBUS PA总线产品的专用芯片FBC0409和适用于HART总线产品的专用芯片HT1200M，各自的特点是：
　　1、FBC0409专用芯片

图一：FBC0409典型应用电路

　　采用低速总线31.25Kbit/S数据传输速率，曼彻斯特编码，具备线路极性自动识别及校正，44脚QFP封装；适配大多数微处理器接口，内嵌4K BYTE RAM单元，可存放总线报文；提供DMA控制器和总线仲裁器，实现总线数据的高效收发；支持发送、接收、目的地址识别和内部总线仲裁机制，提高报文处理效率；提供1ms、1/32ms、OCTET time三种定时器，可满足协议定时需求；FBC0409 典型应用电路。
　　2、HT1200M专用芯片
　　HT1200M是用于HART产品开发的低功耗调制解调芯片，只需外接少量元件即可完成HART 信号的调制解调电路设计，是一款在性能、成本、质量等各方面最为理想的通信芯片。HT1200M与市场上广泛采用的HT20C15及SYM20C15芯片性能、功能及管脚完全兼容，可以直接替代。
　　芯片采用单片、半双工1200b/s 速率的频移键控调制解调器，集成接收带通滤波器电路和发送信号波形整形电路，外接460.8kHz 晶体或陶瓷滤波器和内部时钟振荡器或外部时钟输入。
　　HT1200M 典型应用电路。

图二：HT1200M典型应用电路

　　三、如何开发现场总线协议软件
　　利用传统开发模式开发总线型仪表通信协议，技术难度大，调试时间长，投入也较大。如果采用新型主流技术集成模式开发，可加速开发速度，减少测试费用，快速使仪表投入市场。
　　1、FF通信协议栈特点
　　目前，沈阳中科博微自动化技术有限公司分别开发完成了FF H1、HSE协议栈的软件开发，且实现了HSE与H1协议转换功能。 通过了FF一致性测试和互操作测试，协议栈支持标准的FMS，SM服务、Link Master功能、变换块、标准功能块和高级功能块、支持功能块实例化。开发过程提供功能块源文件模板。
　　该集成开发平台还支持PROFIBUS PA协议,可用于开发Profibus PA产品。
　　2、选购协议栈软件源码
　　为加速开发栈协议软件源代码，最捷径的做法是，利用已有的源代码进行移植。目前，已开发成功的FF H1和Profibus PA的源码是基于FBC0409专用芯片。这种源码是采用标准C代码写成的，使用Nncleus操作系统。
　　3、选购协议栈开发工具套件 
　　对于用户来说，需要的条件是，技术人员需要具备一定的数字仪表开发能力，可以读懂和使用协议或辅助开发文本。可以提供的条件有：硬件原理图、PCB图、设备能力文件（CFF）描述模板（FF H1）、设备描述模板源代码（DDL语言，FF H1）、GSD文件模板（文本文件，Profibus PA）、功能块源代码（C语言）以及协议库（FF H1或者Profibus PA）和操作系统的接口硬件。
　　在开发圆卡时，最重要的是掌握开发包工具，这包括Fieldbus ToolKit For FF/PA。这些工具如果是基金会会员可以从基金会获得，如果不是会员，必须通过合作开发的方式，借助于合作单位的技术储备。
　　四、现场总线通信模块构成
　　选择现场总线通信模块进行OEM定制开发是快速而有效的产品开发方法之一。这里需要考虑的有，使用串口：通过异步串口UART实现数据交换、自定义通信协议，或者是I/O接口：通过I/O接口直接采集电阻、电压物理信号，以便确定如何设计仪表卡功耗、功能、性能和功耗之间做平衡选择。

 

图三：现场总线通信模块的仪表应用

　　1、现场总线通信模块
　　通信模块适用于自动化仪表中的温度、压力、流量、液位、执行机构
　　所有用户以上仪表中的通信模块，必须符合以下条件，即协议的一致性测试、FF/PA的国际测试、EMC认证和本安认证等，这样才可能正式安装在仪表中上市。
　　2、FF/PA圆卡技术指标
　　CPU：AT91M0800
　　FLASH：512K
　　RAM：1M
　　总线供电：9 ～ 32VDC
　　总线电流：≤ 15mA
　　工作温度：-30℃ ～ +70℃
　　仪表精度：0.1% 
　　支持FF H1标准功能块（AI、AO、DI、DO、PID、IS等）；或者支持满足Profibus PA标准功能块（AI、AO、DI、DO）。
　　3、HART现场总线圆卡的技术指标
　　通过物理层一致性测试
　　4～20mA输出叠加HART协议数字通讯（两线制）
　　可通过手持器或PC机组态调试软件远程管理
　　通过IECEx体系防爆认证
　　通过电磁兼容测试认证 
　　支持CPU故障报警,写保护跳线
　　接口卡通信：串口及I/O方式，最多4个I/O
　　与传感器的连接部分：光耦隔离
　　五、现场总线控制系统的开发

图四：现场总线控制系统

　　在完成总线性智能仪表开发的基础上，可以进行总线控制系统的合作开发，此项工作要求用户应有一定的系统集成能力，并正在使用着某种控制系统，在此基础上进行改造、升级和软硬件的移植，才可能掌握难度较高的现场总线控制系统。
　　目前，中科博微具有的项目是，现场总线控制系统（NCS4000）；装备专用一体化控制器（NCS-MPLC ）和FF网关设备（NCS-LD105）。
　　对于仪表的自动化仪表企业来说，后续的系统开发可能需要考虑的因素较多，应根据自身和市场条件制定出长远的开发计划。
　　目前，中国科学院沈阳自动化研究所、中科博微和国内及国外多个企业合作开发了多项产品，其中有压力变送器、温度变送器、电磁流量计、电动执行器、执行机构等。希望能采用OEM的方式，双方本着各自的优势，进行合作，定能将国内的智能型总线产品搞上去。
　　中国科学院沈阳自动化研究所、中科搏微是国际现场总线基金会的会员单位，希望国内有条件的单位加入到现场总线基金会中来，同时也欢迎利用我们已取得的经验和现有产品，进行OEM式的开发，共同把智能化仪表搞上去。
　　FBC0409：

　　HT1200M: