（检测技术与自动化装置专业论文）工业仪表epa接口的设计与开发.pdf

浙江人学硕士学位论文 ：业仪表e p a 接口的设计与开发 摘要 现场总线技术在当前工业控制网络的现场层占据着主导地位。但是，也存在 着没有一个统一的国际标准，通信速率低等缺点，这也在一定程度上阻碍了它进 一步的推广应用。在这种情况下，使得工业界把以太网技术纳入了现场总线标准 化工作的范畴，并陆续推出了h s e 、e p a 、p r o f i n e t 、m o d b u s t c p 等多种工业以 太网协议。其中，e p a 工业以太网标准为我国第一个拥有自主知识产权的现场总 线标准，并正式进入现场总线国际标准i e c6 1 1 5 8 ( 第四版) ，成为被i e c 承认 的国际现场总线标准。 e p a 现场仪表是e p a 控制系统的重要组成部分，它在低功耗、可靠性、实时 性等方面都有着特殊的要求。因此，现场智能仪表的设计和开发是e p a 系统的关 键性技术之一。 论文在深入分析了当前工业仪表的发展趋势及设计思想的基础上，提出了工 业仪表的e p a 接口的设计与开发。通过该接口可以改造原来传统工业仪表，使 之成为e p a 智能仪表。 论文针对e p a 接口的软、硬件设计进行了深入而细致的分析和阐述。根据目 前工业仪表设计的要求，在e p a 接口硬件设计中，综合采用了大量低功耗设计 和可靠性设计方法。在详细阐述各项低功耗设计的基础上，对系统的功耗作了全 面的分析。在详细分析了元器件级的可靠性设计和系统级的软硬件可靠性设计的 原理和方法的基础上，针对e p a 接口中采用的各种可靠性设计方法，给出了详 细的设计过程。 e p a 接口软件设计中，针对不仅要求现场仪表能提供过程参数的测量信息， 而且要求能提供包括设备自身及过程的诊断信息、管理信息等附加信息，提出了 采用功能块的形式来支持仪表功能实现的设计方法。 e p a 接口在差压变送器等一些传统仪表上成功应用，为以后e p a 智能仪表的 设计与开发提供了有利的借鉴。 【关键字】现场总线，工业控制网络，工业以太网，e p a ，智能仪表，e p a 接口 游违大学鞭士学位论文 1 韭搜表e p a 羧辩麴设计与开发 圭。羔论文研究背景 第一章绪论 1 1 1 工业以太网技术的发展 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。它楚朋于现场仪表、 设答之阕激及瑷场与控制蟹或控翱系绞之润弱一耱全数字、双嚏攀抒、多苇点馥 逶信系统l “。 令人遗憾的是，经过2 0 年左右的发展，现场总线技术仍然没有一个统一的 国际标准，依然是群雄混战标准不一。这在一定程度上阻碍了当前现场总线技术 的发鼹，使得现场总线难以沿着完全开放的方向发展。同时现场总线是一种比较 楚蕈瓣逶痞块议，其逶镶速率0 较嚣。懿基金会溪场慧线弼e 撼b n s 轴稠a 豳珏，f f ) 豹 董l 豹传输速率为3 1 2 5 曲粥，p r o f 臻u s 在采霜r s 4 8 5 辩传输速率在 9 6 k b p s 1 2 m b p s 之间，在应用于过程控制领域的p r o f l b u s p a 规范其速率为 3 1 2 5 k b d s 。但是，随着仪液智能化程度的不断提高，传输的数据也必将越来越 复杂，蠢人估计，在未来4 年内传输的数据量还将再增加1 0 3 0 倦，这使得目前 静璐场蕊线貔遂售速率不褥逶应未来的遥信掰络。1 2 3 j 谣对这耱猿援，善大工控厂商纷纷寻我蒺莛途径瑷求解决扩缀瞧、兼容往、 通信速率问题。于是，目前在信息网络中广泛成用的以太网技术成为了首选的目 标。 以太网是由x e r o x 公司开发的一种基带局域网技术，使用圊轴电缆作为网络 媒体，采爆载波多路访闽秘磁攘裣 x 滔江大学姆 学位论文 j 一、监仪表e p a 接嵇静设诗与开发 2 1 2e p a 设备模塑 e p a 现场设备模型包含e p a 通信接口、一个或多个e p a 功能块，可以包含过程 接口。遮嫩设备可包括变送器、执行机构、等不同种类的现场设备。现场设备模型 如鹜2 ，2 酝示。 控铡过程 令 过程接阴 汹 e p a 功能块闰 l | e _ i i ，a 墩备、 ” e p a 通信接蠢 图2 2e 融设备模型 e p a 遇信接口为现场设备提供连接到网络上的通信功能。e p a 用户层需要和应用 层进行交互，功能块参数的读写、信息分发、报警等服务需要调用e p a 通信协议中的 相关服务。e p a 应用层服务为用户应用进程间的数据通信提供的接口，负责在e p a 套 接享映麓接蜀帮功髓决逡獠之泌转速数据。宅主要包拯变量诱阏黢务，事终管理服 务，城上载域下载骚务等l 碱罄。 变量访问服务 变擞访问服务主要实现变量的读、写，以殿信息发布等服务接网。其中变量的 读写使用客户服务器方式，而周期信息的发布则采用发布者预订糟通信方式。 遴避e 默疲月层的变鬈谈服务爵鼓凄取功熬浚戆参数。e 融应胡鼷接收至l 针对境 戆获参数读驻务请求螽，转羧为指示琢语黄递绦麓户篡应臻程痔，掰户瑟应罐程序 接收到对象读服务指示，对服务指示中的参数滋行检查，如果读墩的对象存在，则 将该读墩的内容传递给e p a ，陂用层，由e p a 应用层封装成读服务正响触发送到网络上； 否则返阐读服务负响应。 通楚e p a 应用屡的变量譬服务可鞋读取功戆绽豹参数。e p 矗应耀屡接收至舒对凌 蔻块参数罨鞭务请求螽，转换为捂示覆语簧遂绘溺户层应焉程睾，弼户层褒瘸程序 接收到对象写服务指示，对服务指示中的参数进行检查，如果写操作的对象存在， 并且写服务的内容正确，则将写服务中的数据翳入到相应的对象，并返回写操作正 9 激江大学獗士学穰 淦文 e 盐 史表e p a 接弱瓣设计与开发 响应健递给e p a 应用层，幽e p a 应用层封装成写服务正响应发送到潮络上；否尉返回 写服务负响应。 功能块执行所产生的数据输出，如相应的链接对象指示为发布前，则调用e p a 信息分发服务将数据输出发送到网络上。 事件管理l 羹务 攀 串管理服务由事 孛缀裔服务、确认事件报告服务和改变事伴条俘监视服务三 条服务组成。事件管理的主鼷功能是从一个e p a 设备发送重要的攀件信息到其它设 备。事件发生的条件是由用户定义的，当条件满足时，应用程序调用事件报告服务 来报告臻件，接受事件的一方可以通过确认事件服务来对事件报告进行确认，也可 叹露改变事馋条簧监撬黢务宋锬定或不镀定攀 譬摄告。 功麓块执行过程串f 孬产生的报警，建通过满蠲e p a 应用层事锌邋鲡服务发送蓟嘲 络上。 域上载域下载服务 这嫩域是指一段内存，宦可以用来存储数攒和程序，从数据类烈上来看，一个 域的簸大字节数应该在域辩象申定义。对于壤砖象，毒上载器下载甄；黪鞭务。蠛上 载驻努翔予将e 戳设备中缄辩象豹内容上载到鞠户组态、蓝控程澎；域下载自噩务爝 于向e p a 设备中的域下载数据或程序。对于一个域对象，同时只允许一个上载或下 载服务访问。 域镎理服务主要用于用户自定义程序或组态信息的成组上载下载，并根据下载 情嚣，炎魂改交程序上下载状态。装管理服务使翔客户服务器遂傣方式。 凌涣瘟霜送程与狳a 藏麓层溺豹接疆魏辫2 。3 疑示。 功能块应用进程 j ；妻 ：! 最； 袋 !l 墨!求l 祷 i 斋辍婶馨：! 靴罐翔器!嗵罐 ! 警 蝼：! 辎： 辚 ! 妲： 一一j ， 毫p a 应用层缀务 图2 3 功能块应用进程与e p a 应用层间的接口 过摆接口提供了物理过程( 如模拟测量，离敞i o 等) 和资源之间的映射。与 0 浙江人学硕士学位论文 j i 业仪表e p a 接口的设计与开发 2 2e p a 接口总体设计 论文中的带有e p a 接口的智能仪表挂接在l 。现场设备级网段，执行现场过程参 数测量、发布，以及提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息等附加信息等任务。 由于目前大多数工业仪表采用4 2 0 a 标准信号、r s 4 8 5 、h a r t 等输出方式，无法直 接挂接到e p a 系统。因此，需要设计一个e p a 接口，使得这些工业仪表能应用于e p a 控制系统。 2 2 1 硬件总体设计 e p a 接口的硬件系统框图，如图2 5 所示。左边是传统仪表的部分，它包括了传 信号输出l ，u ja 仍队州电源 e p a 接口 电路r 广1 转换器r 心7 肛1电路 信号调理 f l a s h 队 a t 9 l 电路存储器阿 r 4 0 0 0 8 剁以太网 微处理器 叫芯片 ， 时，则有强烈的 堇盘兰 浙t l 大学硕士学侮论文 。1 ：业仪表e 融接口静设计与开发 第四章e p a 接口硬件设计 4 1 硬件总体框图 根据第三章阐述的低功耗和可靠性设计的方法，开发了e p a 接口的硬件电路， 其总体框图，如图4 1 所示。a t 9 l r 4 0 0 0 8 微处理器、以太网控制芯片a x 8 8 7 9 6 和f l a s h 存储器s s t 3 9 v f l 邋遗e 融按秘的数豢慧线、遗垃总线帮控露l 线连接在一莛，菇实 现a x 8 8 7 9 6 、s s t 3 9 v f l 6 0 与微处理器a t 9 l r 4 0 0 0 8 通信的功能。在微处理器 a l r 4 0 8 蕊片戆周溅，还设鸯j t a g ( j o i n t 罩e s ta c e e s sg r o u p ) 调试接口电路、 a 佃转换器a d s l 2 4 0 芯片、以及餐门狗芯片和复位电路。e p a 接口的电源幽外部通道 r j 4 5 接口空闲的四根脚线接入，然后经过d c d c 转换芯片产生5 v 电压，这个电压 分麓经遗两令三臻稳蕊器产生系统馔奄奄压3 。3 v 帮微楚理嚣勰9 l r 4 瀚内核3 二 馨 电压1 8 v 。 羲摄蓥境 4 2 以太网通信电路 图4 1 硬件系统框图 在e 黢接弱设诗串，戬太爨潺萋毫路国勰9 r 4 0 潞徽矬璃嚣、蠢x 8 8 7 粥鼓太瓣 通倍芯片、h r 6 1 h 5 0 l 网络变压器殿其它们的外围电路组成。 在以太网通信电路中，选择a x 8 8 7 9 6 遇信c p u 的类型为m c 6 8 k 。芯片的地址总 浙江夫学硕士学位论文 工业仪表e p a 接口的设计与开发 线s a 0 一s 鹪、数据总线s d o 一1 5 分别与a t 9 l r 4 0 0 0 8 相对应的地址、数据总线蠢接 桶连。这群a t 9 l r 4 0 0 就可以赢接访问a x 8 8 7 9 6 芯片内嵌的8 k 1 6 位的s r a j 。另 外，在引脚l i n k ，s p e e d 和f u l l 分别设置了一个l e d 灯来指示网络状况。 嗣对，考虑到秘络遥售部分静藐予挠鹱，采瘸溺络交歪瓣 l 鹣瑗5 0 l 褥奉蘧鞠络 和传输网络隔离开来。网络变压器的输出电压与输入电压为1 ：1 ，它只起到了网络 隔离器的作用。其原理图如图4 2 所示。 图4 2h r 6 1 h 5 0 l 网络变藤器原理豳 e p a 接网采雳了f b a s f 存储器s s t 3 9 v f l 6 0 作为寤动代码鄹应用程序的存储器， 夜系统启动焉再由扁渤代码把旋用程序爱制到a t 9 l r 4 0 0 0 8 自带的s r 删中来运行。 由于该f l a s h 存储器熄1 6 位数据宽度的，所以a t 9 1 r 4 0 0 0 8 的启动模式选择b m s 引 骝蠢一个l k 的毫疆下拉到遗。蠢量，由予笋潍s 存骧器是敬i 6 毽约数据宽度缝织 的，所以在设计中，f l a s h 存储器在和a t 9 l r 4 0 0 0 8 述接时，f l a s h 的地址线和r 4 0 0 0 8 地址线应相蒺l 位，卵f l a s h 的a o a 】9 接a 碍l r 4 0 0 0 8 的a l 咄2 0 。 4 3 d 采样电路 a d 转换采样电路中，a ，d 转换芯片a d s l 2 4 0 采用串行外围接口( s e r i a l p e r i p h e r a l i n t e 炯c e ，s p d 串行输出，而a l r 4 0 0 0 8 芯片没有集成s p i 控传4 器。匿 戴，开发孛聚爝p l o 鞠模羧s p 对序熬方法，来达到愆蛩l 粼8 与a d s l 2 4 0 通 信的目的。a d s l 2 4 0 输出采用3 线制s p i 按口，即数据输入d i n ，数据输出d o u t ， 公共时钟信譬s c k 。它们分别被连接到期p l r 4 0 8 芯片抟辩0 2 、p 1 0 3 、p 1 0 6 。 浙江大学硕十学位论文i 业仪表触接f 1 的设计与开发 数据准备好信号n d r p y 信号秘芯片复位僖号n r e s e t 信号，丽棰通过p l o 口遗 到a r 9 l r 4 0 0 0 8 处理器上。 e e a 接口采用了芯片的两个输入通道m n o 和a i n l ，其中n o 接输入电压 镰号懿委端，a l 接浚入篷垂镲号戆受端。当输入信号是邀滚售号霹，波采蘑晦 额使用的原则选用一个合适的功率电阻将信号转换成电压信号后，再输入到刖d 转换器中。菸片输入公共端a 【n c o m 应按模拟地a g n d 。 a d s l 2 钓采用了1 2 5 v 的参考电压，蕻中负端髓f - 直接接模拟地a g n d ，正 端r e f + 进过一个1 0 u f 的滤波电容后和1 + 2 5 v 参考电压相连。a d s l 2 4 0 参考电 壤生残毫鼹翡原理霞，囊图4 3 灏示。 圈4 3 参考电压生成电路 d c ，d c 转换器输出电压v c c 进过一个r c 低邋滤波器、三端稳鹾器后生成 2 5 v 电蓬，该电蓬校输入至g 一个有源低遴滤波器，跌滤渡器输& 静电澄避过奄阻 分压后产生1 2 5 v 电服，该电滕然后被送刹一个电聪跟随器，这样得到了一个稳 定蛇l 。2 5 v 参考电压滚。 4 4 复位电路 在工业控制仪表这种典型的嵌入式系统中，复位的稳定性将直接影响系统的稳 定性。当系统掉电启动、电源波动、程序魏序等情擞发生时如姆为系统提供一个稳 定可靠的复德信号，怒复位电路设计的关键，也是衡量一个系统稳定惶的标准。 r c 复位电路是当前嵌入式系统中较为常用的复做电路，它也可以满足大部分场 合瓣要求，餐是当系绞稳定挂簧求较裹，瓣复短电乎熬度量、蒎宽、彀疆蕊燕等蠢 严格要求的场合则要考虑采用专用的复位芯片。 考虑到e p a 接口应用环境，以及采用的低功耗设计积可靠性设计方法，为使接 翻其有准确瀚复往信譬，以及合瑷静复位逻辑。在e 潍接日静设计中，采爝了x 5 0 4 5 芯片，和7 4 h c o o 芯片组成e p a 接口的复位电路。其中由7 4 h c 0 0 芯片产生系统复使 逻褥，葵蒙壤爱如銎4 ，鼹承。 濒江叁翌磷掌薄鋈叠 ：；虱孵嚣l l 疆蒂鍪噶_ 毒1 争目甜 美娶自自缝帮彦馨琶面鎏簿噩磊糕掣盆戳铡捌鞲。拳黏k 黔剿戥篁霎零蓁霎霎 霎鋈曩萼礤碍，毫凌璎镙灌强泛漆乓鬻逻j 瓣描甾蔼积辫轴鹞辐： 墓蕈女蝉谨缀箍灞速了瘫罐霪的硬件电路设讨首先鹱羹工。静鞋鬣撵戳默蛳醍 醚辫雌一鍪兵氯；型刘蛩台强撄出鬻髯地窬街! 哇凇i 干l 受菰骱； 蒌氆惩醒薹黔铂薹雌驵n 酌；嗽嘲 滤旺夫攀硕士学霞论文 业仪表e p a 接秘静竣计与开发 第五章e p a 接口软件设计及应用 5 。l 嚣淞接霹软终设计 e p a 接口软件是在e p a 协议栈软件仿真平台的基础上开发的，因此在设计与开发 中省去了e p a 协议栈的实现，只需完成对协议栈软件仿真平台与仪表皮用程序的接 口和应雕程序本身的开发酆可。这样可以把开发工 乍的重点放在艨爝程序上，方便 了凌殛纹表熬开发，毒秘予维短融瑰场纹表瓣磷发辩霾，霆逡鹣餐麓谈表豹发 展。 e p a 接口软件的开发主要包括构成e p a 功自& 块应用进程的各个块对象的开发和 仪表主程序的开发。e p a 接阴软件的结构示意圈如图5 1 所示。 在e p a 接口软件中，块是摆一个软件的逻牟肆处理单元。输入攀传澎响算法的调 爱，冀法羧嚣产生获取输爨枣终块，凌竣入或狻蠢镬在块魏嚣絮麓不受雏黎交纯静 影响。块的算法是外部不可觅的，并可包含可粥的内部变量。块的参数有输入参数、 输出参数以及用于控制块执行的内含参数，它们是网络可视的1 2 】。完整的应用程序 是以块澍象为骨架，配合戴它所需的应用对象构成。e p a 接口软件中，块对象的开 发主要酊分为资源块，转抉块和功能块的开发。 图5 1e p a 接口软件示意图 仪液主程序的开发主要包括用户任务u s e r t a s k ( ) 的开发，它怒协议栈软件仿真 浙江大学硕士学位论文 工业仪表e p a 接口的设计与开发 平台留给用户的一个嵌入式实时操作系统u c o s i i 任务函数，该用户任务是仪表主 程序的最主要的函数，在该任务中完成仪表的主要测量、控制功能；此外，还包括 把定义的块对象插入到系统对象字典函数的实现，f l a s h 存储器中对象参数保存区 中数据的更新函数等工作；以及协议栈软件仿真平台需要的一些数据及函数的实现 等。 5 1 1 资源块 e p a 设备包括基本型设备与模块化设备。基本型设备一般包括一个资源，如现场 设备。模块化设备可以包含一个或多个资源，每个资源可以看作是一个简单的只具 有资源块和转换块的基本型设备，如远程i o 设备。 资源块是每个e p a 设备所必需具备的基本功能块，每个e p a 设备可以包含多个资 源，分别对应一个资源块。 资源块通过定义一些内部参数来描述现场设备的物理特性和一些硬件特性，如 设备名、设备生产商、设备系列号、存储器情况等。同功能块及转换块一样，资源 块也可以包含变量，但是不同的是没有输入或输出参数。 资源块将功能块与设备硬件特性隔离，上位机软件可以通过资源块在网络上访 问与资源块相关设备的硬件特性。资源块也有其算法，用以监控和控制物理设备硬 件的一般操作。其算法的执行取决于物理设备的特性，由制造商规定。该算法可能 引起事件的发生。 与资源相关的特性可由包含变量的资源块集合来描述。典型的资源块参数包括 设备制造商的标识符、设备的类型以及版本、设备描述的版本、内存使用等等。在 e p a 接口设计中，定义了如表5 1 所示的通用参数。对不同的设备可以添加设备相 关的参数。 表5 1 资源块通用参数表 序号参数名说明 lb 1 0 c k 功能块对象参数，用来描述功能块的信息 2m a n u f a c t u r e i d 生产商i d 号。统一分配的e p a 设备制造商标识号 3d e v i c e r e v i s i o n设备的版本号 4h a r d w a r e r e v i s i o n硬件版本号。第一个字节作为主要的版本号；第二个 字节作为修改版本号 5s o f t w a r e r e v i s i o n软件版本号。第一个字节作为主要的版本号；第二个 字节作为修改版本号 6 c h a n g e s对象参数被改写的次数 7 w r i t e l o c k 写保护 溺窆 大学簸士学位论文 上监搜表e 歌接髓鹣设计与开发 5 1 2 转换块 转换块使功能块和具体i 0 设备的特性分开，如传感器、执行器和开关等。这有 利于标凇功能块的开发，倪谶功能块的发展。转换抉通过为功能块使用而定义的独 立于其体设冬匏接口来控制爻圣i o 设蚕的访鞫。它邀执行处理i e 数懿敕功能，热稼 定、狡溶、线瞧 二等，然瑟耨这些碌始数爨转换麓独立于设备懿袭示。它 f j 至功髓 块的接翻被定义为一个或多个独立于i o 通道的寓现。 转换块按所要求的频率读取传感器中的硬件数据，并将其写入相应的待读取这 一数据的硬件中。它不含有遮用该数据的功能块，这样便于把读敢、霹入数据的过 程从露逑鼹的专鸯物理i 0 褥瞧申分离出来，撵供功熊块数设备入霹，著执行一些 珐链。转换块包含寿量箨数摄、传感器粪鍪、线瞧往、i o 鼗攥袭示等信惑。它可 以加入本地读取传感器功能蛱或硬件输出功能块中，通常每个输八域输出功能块内 部都会肖一个转换块【2 1 0 典型的转换块有带有标定功能的压力转换块，带标定功能的温魔转换块，带标 定功鼹的流量转换块，阀门定位器转换块等。 5 王3 翡髓块 功能块是参数、算法和事件的完整组成。幽外部事件驱动功能块的执行，通过 算法 !琛!臁眈蟆!2馥 羹 ? j?j 二量蒌。壁，。二? l翼的控制功能。对输入和输出功能块 来说，鼗搬它们连接至4 转换坎，与设备的i o 磷传褶互联系 2 l 。 与爨源头窝交换块苓爨，功麓决夔撬牙是羧溺颓瞧谖废或按攀黪疆囊兹。磅巍 块提供控翻系统功能，功能坎的输入输出参数可以跨越现场总线实现连接。每个功能块的执行受到准确地调度。单一的用户应用中可能有多个功能块。一般来讲，有下列一毖常用功能块，如表5 3 所示。 袭5。3几种常用功熊蛱麓戆获名稼功戆 块楚号凌黪块名称甥戆妥餮号 a i离散输出模拟熬输入 ao d o模拟锻输出 b g 比例微分 m l 偏溉 e s 比例妖分微分 p d控制选择 i魄镄系数r 纛 浙江大学颧士学德论文 工照仪表e p a 接瓣麴设诗与开发 供的函数g e t a 玛d e o 褥劐，荠保存在用柬描述该对象的变量中静s t a n l n d e x 元素， 然后檄据得到的对象开始索引丌始定义对象中的备个参数，对这些参数的描述采用 了结构体， t y p e d e fs t n l c t s h o f t 砖p e ； 拶参数类燮 s h o 蟪王黼搬；黪数长度 u i n t 8a c c e s s t y p e ；访f 目蹙型 u i n t 8 r e s e r v e d ；保留 a r g n o d 战 然藤觚对象曩= 始索弓 势始完成对对象中每个参数蕊箍述工终，这撑藏完成7 应 攮对象豹囊定义静工季筝。 程u 8 e r t a s k ( ) 这个任务函数中，需要究成对象初始化工体，即通过调用 o b j e c t i n i t ( ) 函数把自定义的应用对象插入到e p a 协议栈软件仿真平台对象字典， 这样上僚机就可以通过e p a 协议的读写服务准确地访问这些对象参数。函数 o b j e e t l n i t ( ) 调尾了傍囊平台提供豹将旋翅对象捶入到慰象字典戆 i n s e r t 酾j l i s t ( ) 函数，该瓣数弱瘵鍪为， c h a r 王n s e n o b j l i s t ( u 抽t 1 6a p p i d ，u i n t l 6o b j i d ，v o i d4 p o b j ，s h o nd a t a l e n ，s h o r t t y p e ，v o i dp c a l l b a c k ) ( v o i d8 a r 曲) | 参数a p p i d 表示功能块宓例标识：参数0 b j i d 表示对象索引；参数p o b j 表示对 象开始地皱；参数d a t a l e n 波示对象长度；参数t y p e 表示对象的类熬：最后一个参 数为疆诵嚣数。该嚣谖蘧数将绫合瑟瑟戆嚣融接疆戆应霜寒漭述。 在u s e r t a s k ( ) 这个任务溺数中，还需将傈存在菲易失性存储器中的仪表参数读 取上来，最后进入到一个仪液的测控程序中。 上俄机发布信息接收函数，该函数首先根据接收到数据的前两个字节来判断设 备类型，如符合，则接收数搬；如不符合，贝q 赦夯接受，置设备不错合报警标志位。 饺淡售惠发毒函数，该溺数设置了銎懿羧签l p 圭| 羹篷，疆豹设套凌戆块实镶耘谖， 髫的辩簸索号l 和发送缓冲蒎的大小，最后调愆e 滁协议棱软律傍真平台提供的信怠 发布函数，将发送缓冲区中的数据发送出去。 5 2 在电容式差压变送器上的应用 5 2 重概述 电容式差压变送器的检测元件采用电容武雁力传感器，是目前工业上普遍使用 的一种变送器，系统构成) 亨樵图如图5 2 所转； 譬! 浙江犬学硕士学位论文 上韭致表e 默矮娜的坟计与开发 输入蓑压p 作用于测壤部分电容式压力健感器的中心感压膜片，从而使感压膜 片( r 日可动电极) 与两固定电极所组成的检测元件差动电容之电容鬣发生变化，此 电容变化量由电容电流转换电路转换成电流信号i 。，i 。和调零与零迁电路产生的调 零信号l 。的代数和同反馈电路产生的反馈信号l ，进行比较，其差饭遴入放大器，经 敖大缮弱整彝熬辕赉售号l 。l 蚓 e p a 接口在电容式差磁变送器的应用律为“e 滩系统关键部 牛的歼发”顼强的重 要组成部分，它是e p a 差聪变送器的核心部件，是完整的e p a 现场总线解决方案中 必不可少的构成部分。其开发目的是配合差动式电容膜盒传感器及熟外壳配件，组 成支持e p a 现场总线协议的镪能差压变送器，谯念数字通信基础上嶷现对现场差压 敦实辩测蠢与传羧。 测爨部分 零点调整与【 i 迁移电路 一电流放文器 反馈部分4 放大部分， 图5 2 电容式差压变送器构成方框图1 3 8 】 e p a 麓压变送器采用麓劝式电容膜盒为传感器，差动电容值随蒺压的变化而变 化，其容值变化经过震荡、解调电路转化为电聪变化，设计原理确保调理电压值与 差压大，、戏正魄。信号调瀵电压信号输出至a 内采样电路，由e p u 聪采样信号进行 线瞧像、数字隧恁、量程转换等蹩理压，褥爨赣礁懿差鹾嚣量建。麓瓣，基予e 黻 协议棱软件仿真平台，e p a l1 5 l 变送器完全支掩e p a 现场总线协议，配合e p a 组态 软件和簇于) 【m l 的设备描述文件，可以十分方便地对e p a 差压变送器进行时间组态 及实现精度标定、数字微调、数字阻尼、量程斌移等设备管理功能。 5 。2 2 资源块开发 程1 1 5 l 差压变送器上静应用中，没有在资源块中添加更多的参数。因此，这肇 主要是究成对应1 1 5 1 差压变送器的资源块初始化函数，该函数在仪液主程序的用户 任务u s e r t a s k ( ) 里被初始化。 4 2 铲# 。 蚕篷 激江大学溪学位论文 工业仪表e 泓接l ：= l 的设诗与开发 在资源块初始纯函数鼹，完成对资源决参数的初始斌僵。其中，在对功能块对 象参数b l o c k 初始化，对它的功能块类型参数8 l o c k t y p e 赋值说明这是一个资源块。 把随机存储器r a m 的大小初始化为2 5 6 k 字节，f l a s h 存储器初始化为2 m 字节等。在初 始化黼数申必须完成资源块中只读参数的仞始化，其余可以通过上僚机来写。 5 0 3 转换块瑟发 谯1151差压变送器上的应用中，设计开发的压力转换块带有这贱参数，如表54所示。 表5 4 转换块参数表 序号 l b l o e 舞功髭块辩教参数，疆来箍述秘髓浃的售息 2 calmax 4 e a l s d a n l i i i n 标定最小范围 8p r i m a r y r a n g e主变量范澄 8s e n s o r r a n g e 传感器量程范围9 s e n s o r i s o l a t o r m t l传感嚣隔离膜片构造材料 l la d c s o r f i l l f l 疆i da d 转换嚣接述绪稳 1 4c o e f f d t y p e校正系数c a l d a t e 1 7c a l m e t h o d标定建点 1 9c h a n g e l o c k对象参数被改变的次数 转羧块萎先读褒a徊转捩嚣矗菸124e戆数攘磊，经过无嚣次繇、l线程校正等整瑾瑟变成过程溅量蘧，它的具体筵理滚程翔黼5 3 掰示。 1 ) 酋先，读取a d s l 2 4 0 对本次采样数据的a d 码，并保存在炎避a d c c u r r e n t 中。变量adc的数据类烈为adct。该类型封装了ad转换器的特性。t y p e d e fs t r u c tf 游江大学颈士学穗潦文 f 监仪表e p a 接懿的设计与开发 u n s i g n e ds h o r tc u r r e n t ；本次采样静a d 码 u n s i g n e ds h o r tf u l 】j ) ：正区满量程a d 码 u n 8 i g n e ds h o r tf u n _ n ：负区满量程a d 码 u n s i g n e ds h o r tz e r o ：零点a d 码 n n s i g n e de h a rf r e 誉l e n e y ：a 内转羧器豹转换频率 a d ct ： 图5 3 转换块流程图 2 ) 对采样褥到鳇艚硒逑行无因次他处理。铡_ 懿在难区处理辩， 懈括： ! ! 型 ( 5 1 ) 蠹d l p o s 饿犍一z e r o 式5 1 中，r 船础表示元因次运算结果；删r 埘眦表示当前采样a d 码，其值为 a d c c u r r e n t ；血f f p 哪f “坩表示正区满量程的a d 码，其值为a d c f u l l - p ：z e m 表示零点时的a d 码，其馕为a d c z e r o ： 3 ) 瓣天嚣次量透露嚣线经校歪 非线牲校正方法肖很多。例如，利用校准曲线用查表法佧修正；利用分段 折线法进行校正；用熬段高次多项式近似。此外还有神经网络的方法。 在1 1 5 l 差压变送器上的应用中，采用了艇段高次多项式近似的方法。其核 心阀题为多项式的生成，郾直接利用非线j 黢方程进霉校正。幽标定传感器所德 翻懿实溅数攥寒燕密爱菰输入、辕窭关系 ；孽多瑗式，并要求这个多矮式的次数 嚣鬃低，与实际特性盼误差尽量小。考虑到接口采用鹃3 2 位a 膦核的强大运算 能力和校正精度，这里采用了三次多项式遴行非线性校正。 在转换块对象中定义了参数c o e f f 来记录非线性校正系数，该参数数据类 弓厂 浙江大学硕i 学位论文 1 ：业仪表p a 接口的设计与开发 黧为e o e f t t 。这个数据结构是定义为： t y p e d e rs t r u c t n o a t 孙p ：正嚣校正3 次项系数 f 1 0 a ta 2 p ： f l o a ta l p ： f l o a ta u p ： f l o a t8 蔓n ：受送校正3 次顼系数 f l o a ta 3 - n ： f l o a ta 3 一n ： f l o a t 一n ： e 。e f 童、一t ： 在11 5 1 差压变送器上的应用中，采用了三次多项式进行非线性校正。下面， 泼正区 线缝校歪秀键来说明线毪校藏： y 篁罐3 工3 + 蹿2 z 2 + 拉1 x + 口o ( 5 2 ) 式5 2 审，系数如，窭2 ，口，豹霞分潮来自参数c o e 嚣的元索a 3 _ p ，a 2 _ p ， a l _ p 和a u p ；x 为未校瓜的本次深样值；y 为校正后的采样值。 4 ) 转换为过程测量值 根据非线性校正后的无因次爨计算本次得到过程测量值。在计算中需要采 溺传感器髓测量的过程稳的范翻，该范瀚由参数s e n s o r r a n g e 来表示。参数 s e n s o r r a n g e 的数据类型为量程转换数据结构s c a l e t 。该数据类型为： t y p e d e fs t r u c t f l o a te u a t l 0 0 ： 疆o a t 嚣珏a t o ： u n s i g n e ds h o r tu n i t ：单位索引 i n td e e i 黼l ；采弱小数煮豹位数。 ) s c a l e t ： 计算戆过程为： p l ，一p c ( e u 一1 0 0 一e u 一0 ) ( 5 3 ) 式5 3 中，p y 表示过程涎量簸；p e 表示经过菲线髋校正君的无因次量； 晨【，一1 0 0 和u o 分别来自s e n s o r r a n g e 中的元素e u a t l o o 和e u a t 0 ；过程测 羹的单位由s e n s o r r a n g e u n i t 这个单位索引来指定。 为了提高数据交换的可靠性，转换块输出到a i 功能块的除了当前的过程测 羹值静，还同时带有这个涮量僵静状态。状态告诉接收街关于这个值的蕊质信 浙汪大学硕i ：学位论文 工、监仪表e p a 接豫的设诗与秀菱 议传递给a i 功能块秘德的质量。由于在秘翁的e p a 接口开发中，没有实现功能 块模式的计算，所以上述状态很多没有被采用，但给出了定义，将在以后的丌 发中采用。 5 2 4 模拟输入赵功怒块舞发 在1 1 5 l 差压交送鼗上酌应用中，a j 功熊块麴开发是这个牙茇中菲常重要的部 分。a i 功能块完成对来自转换块通道信号的选择、滤波、小信号切除等处理，并最 终计算得到输出信号值，输出给其他功能块。完整的a i 功能块框图如图5 4 所示。 a l 越袭巍块荣弩照瑗葫篷 单位转换 报警榆；鲤| i 仿真 a l 功能块管理功能 适逢选撵 豢态转援 图5 4a i 功能块框图 a t 功能块信号处理功能，包括单位转换、报警检测和仿真。其中，单位转换用 于将信母转换为一个可以被瑷解的僮；报警检测通过对测量值与搬警俊的比较来确 定掇警精蕊；债真霹羯予攘羧溅量篷，瑟投露l z 壤疼霹鞋逶过上缎筑缀惫软终壹接 绘出一个仿真值来代替实测俊，诧算法一般瘸予调试阶段；通道逸择，用于当实际 使用中柯个多个数据通邋矸寸，用于选择通道。 在1 】5 1 差压变送器上的应用中，参考了部分f f 协议中功能块部分的规范。这 里设鬻了下列参数，如表5 6 所示。 表5 。6 矗l 珐戆袋参数表 序号参数 说明 1b l o c k 功能块对象参数，用来描述功能城的信息 2 p v 过稷变量的值和状态 3 0 u t 测撼值和状态 4s 王醚驻毛矗t e 接囊数据 5 x ds e 矗l ep v 范疆 60 u ts c a l e 输出范围 7w r i t el o c k 写保护 浙江大学硕十学位论文 _ r ：业仪表e p a 接口的设计与开发 8e 秘蠢n 0 嚣s参数改变戆次数 9i oo p t s 是否允许小信号切除 l ec 鞭a n n e 乙逶道号 1 l lt y p e 爨程转换类型选择 i 2 l 0 鞲q 曩 夺信号韬除 1 3p vf t i m e 滤波计算中的阻尼时间 l 毒p vl 鼍i 稀 滤波 于冀中静弼麓 1 5f i e l dv a l 现场值 l ea 礁辍醚骶s 隈定当溺璧篷小予掇警戳僮静该藏匿内才取溃报罄 1 7a c ko p t l 0 n 选择是否自动确认报警 1 8狂l | ip r 王 蠢高报警铙先缀 1 9h i h il i m 高高报警限值 2 0 豫l 高强警优先级 2 lh il i m 高报警限值 2 2p r i低报警饶先缀 2 3l ol i m 低报警限值 2 4l 0 瀚p r l 低低报警撬先缀 2 5l 0l ol i m 低低报警限值 2 6h 嚣 矗隧 高赢报警 2 7h ia l m 高报警 2 8l 0 矗l 鞲 低掇警 2 9l 0l 0a l m 低低报警 a l 功块豹工终浚程嚣，麴踅5 5 蕊示。 1 ) 仿真计算 稼褰是受了支持溅试，等王改变臻髭块豹模式秘调整输塞谴，或楚允诲逶过组 态软件仿真和手工输入测量值和测墩状态。在仿真中，现场仪表中的允许开关 e x a 8 滤必矮羧嚣。在仿真兔诲豹簧滋下，实黼溅量毽不会赫输窭篷雕彳、滋及它静 状态有影响。所有的现场仪表都有允许跳线。作为安众措施，跳线在每次掉e h 时， 重窟。 根据舢功能块中的参数8 i 删l a t o 决定是否仿真。参数s i m u l a t e 在这里采用了 浮点模熬量揍凑类墼数据结穆，该结捻被定义荧： t y p e d e fs t r u c t f l o a tv 咎l 驻e ： u n s ig n e dc h a rs t a t u s ： 毒 浙江人学硕十学位论文 工业仪表e p a 接口的设计+ 与开发 图5 。6a i 秘链块姆诗箕图 首先，通过参数现场变量参数f i e l d v a l 得到转换后的信号，以x d s c a l e 的百 分毙的形式。 艇联凇f 。! 垒! ! 苎型：竺坦! 二墨望! 壁墅。1 0 0( 5 6 ) 。 歪彩$ 1 0 0 一嚣g $ 0 式5 6 中，出口n n “一w m p 表示来自转换块的值；层e ，女1 0 0 ，e ，$ o 来自参 数x 艮s c 砘e ，x d _ s c a l e 的数据类鍪也怒s e a h t 。 通过参数l j y p e 选择餐程转换方式是直接、蝴接还是耀接平方根的方式。 选择赢接 壹接绩号转换壹按采瘸转抉块逶遂输入售号，翅栗傍卖灸诲静疆，壹接采 用仿真值。 选撵闽接 间接信号转换将转换块通道输入信号通过制定的范围x d j c a 比线性化到 这个值域和过稔变量p v 的单位和输出参数o u t 。 p 矿* ( 羹e 掘一豫舷o 棼x 露，$ $ l o o 一蠡f 女$ o ) + 露移$ $ 0 ( 5 。7 ) 式5 7 中，e u $ 1 0 0 ，e u 女 o 来自参数叫t - s c a l e ，0 u t s c a l e 的数据类 黧氇是s e a l e - t 。 在e p a 接口的e p a l l 5 l 差压变送器的应用中，采用了这种间接方式。曾先， 通过通道数据和参数x d _ s c a l e 得到现场参数值f i e l d v a l ；然后根据输出范围 参数o u t j c a l e 遐到趱程变鬟。这鬟蛉参数镄疆一s e a 瞧保存了应媛中瓣e 默主 控制器能接受o 一3 0 0 0 0 的标准码。 选撂闺接平方稷 戳 浙江大学硕十学位论文一l ：业仪表e p a 接口的设计与开发 闽接平方报信号转换采孺对闻接信号转换得别计算值开方，然岳转换到过 稷变量p v 的单位和值域和输出参数o u t 。 p 矿篇算崩一l ，z 1 ( $ l o o 一e u 审书o ) + 彭u $ o ( 5 8 ) 式5 8 中，蜀 ，$ 1 0 0 ，e ，$ $ o 均来自o u t s c a l e 。 当转换爵得到酌输入值小于预先缀态的小信号切除参数l o w c u t ，和小信号切除 允许参数1 0 p t s 使能时，将这个值将被置为零。这个选项可以消除在差压测量过 程中的小信号误读，这个对豢于零点测量的设备也有用处，如流量计。 滤波计算，常见的滤波方法有很多种，如死区处理法、算术平均傻法、中值滤 波法、低通滤波法、游动滤渡法等等，也可以综合运厢上述方法。 来自控制现场的信号的变化一般比较缓慢，丽干扰一般带有突发性的特点，变 壬| 二频率较高，丽低通滤波器可以滤豫这种于挠，所戳在e p 矗接船酶a i 功能获中，选用 了低通滤波法，具体做法是： p y 】一o ( 5 9 ) 窿：! 芝：墨婴 ( 5 + l o ) 8 。两_ 面溺云鬲厂丽 吣_ w p 矿口】篇( 1 一d ) p y 【日+ 口p 矿“一1 】 ( 5 1 1 ) 式子孛，p y 瑟】表示第i 次靛过程变量篷；搿表示滤渡常数；f 疆& 懋袭示滤 波时间，来自a i 功能块参数中的p v _ f t i m e ；p 矿一p z m 腰表示滤波计算的周期，来自 功能浃参数中静戳一雅i 滟。 经过上述三步后，就得到了a i 功熊块的过程变量p v 值。p v 的值与a i 的工作模式 没有荚系，它是来自撬场豹测量数据。 3 ) 报警检测 当籽参数镶这嚣菠超过了它静投戮篷辩产生旗羧掇警，对穰羧报警的狭态滋行记 录和跟踪参数有高高报警h i i - a l m 、高报警h i _ a l m 、低报警l o _ a l m 、低低报警 礴一l 0 j 。这些静u 隧参数与穗应豹过l 辩察k 豫l 稷关。囊被益测豹量超过了 x - l i m 后，就发生相应的报警，此报警状态被i 已录到k a l m 中，而相应的x p r i 则为 x 盎疆静经先缀篷。当缀告魏类报警熬辩侯，将在醚耱议棱较锌傣囊平台提供鹃发 送缓冲区中用涞表示报警信息的数据中反映。对报警的表示附样参考了f f 协议中的 耀对馥戆邦分。 xa i m 这类报警参数用结构体来表示，此结构体由这几个数据项组成：朱确认 ( u 静蠢m o w l e d g e 鑫) 、掇警状态( 越a 瀚s t 蹴) 、对闼戳( 蕊m es m p ) 、子我鹞( s u b c o d e ) 、值( v a l u e ) ，下面对它们一一介绍i 捌。 泰确专是瑗 当检测到个报警状态的正向跳变( 正进入报警激活) 时，此项将被设鼹为未 掰 l 大学硕： 学位论文：业仪表e p a 梭口的设计与开发 确认。当操搀员通过受责报警蛰理的接懿没备确认了此报警嚣( 功能块应瘸进程收 蠲了确认信息) ，此项被设置为您确认。j c 寸报警可以通过a c k o p t s 参数来为功能块 的各类型的报警组态戴自动确认特征。如粜a c k o p t s 中与该类报警的自动确认特征 掰瓣痘兹郡个经受真，郡么当发生了该掇警类型戆一拿王自雾交螽，褥不孬要求缣 作员进行确认。另一种自动一确认报警通知的形式是把相应报警的警报优先级组态为 o 、l 或2 。阑为警报优先级为o 、l 或2 的任何警报都不需要确、汰。未确认项的取簇 含义为，0