（模式识别与智能系统专业论文）worldfip—rs485协议转换器.pdf

华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 摘要 现场总线控制系统是继分散控制系统之后出现的新一代控制系统。现场总线 控制系统的出现使工业现场仪表也面临着一场新的变革。数字化、智能化以及网络化 是现场仪表的发展方向。 交流变频调速技术及装置自2 0 世纪9 0 年代以来，就已在我国有了突飞猛进的 发展。变频器作为交流调速的一种重要手段，以其很强的可靠性和抗干扰能力，在 工业生产中得到了越来越广泛的应用。但是，市场上大多数变频器只具有r s 4 8 5 通 信接口，无法直接应用于w o r l d f i p 总线控制系统中。 本文旨在自主设计一款协议转换器，实现4 8 5 总线和w o r t d f i p 总线协议的转换， 通过它完成变频器与w o r l d f i p 总线之间的通信。此协议转换器是对w o r l d f i p 总线 设备的有益补充和扩展，具有很强的实用性。 论文阐述了w o r l d f i p r s 4 8 5 协议转换器硬件设计和软件开发，包括元器件的选 择、具体电路的设计和程序的编写；并对转换器软硬件调试过程作了介绍。 关键词；现场总线，w o r l d f i p ，r s 4 8 5 ，变频器，协议 a b s t r a c t f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi san e wg e n e r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma p p e a r i n ga f t e rd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m t h ea p p e a r a n c eo ff i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mm a k e st h ef i e l di n s t r u m e n tf a c ea n e wc h a n g e d i g i t a l i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t ，a n dn e t w o r k e di st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ff i e l d i n s t r u m e n t s t h et e c h n o l o g ya n de q u i p m e m so fa cs p e e dr e g u l a t i n gh a v eb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l y s i n c e1 9 9 0 s i n v e r t e r sw h i c ha r ei m p o r t a n te q u i p l m e n t sf o ra cs p e e dr e g u l a t i n ga r ea p p l i e d w i d e l yi ni n d u s t r i e sb e c a u s eo fi t shj i g hd e p e n d a b i l i t ya n da n t i j a m m i n ga b i l i t i e s b u tm o s t i n v e r t e r si nt h ec u r r e n tm a r k e tc a l ln o tc o n n e c tw i t ht h ef i e l d b u ss y s t e md i r e c t l y t h ea i mo ft h i st h e s i si st oi n t r o d u c eak i n do ft h ew o r l d f i p r s 4 8 5p r o t o c o l t r a n s f o r m e r , w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n v e r t e r sa n dt h ew o r l d f i pf i e l d b u s t h r o u g hp r o t o c o lt r a n s f o r m i n g t h ew o r l d f i p - - r s 4 8 5p r o t o c o lt r a n s f o r m e ri sac o m p l e m e n t o ft h ew o r l d f i pf i e l d b u se q u i p m e n t s a n di th a saw i d e l yp r a c t i c a l i t y t h i st h e s i se x p a t i a t e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ew o r l d f i p r s 4 8 5p r o t o c o lt r a n s f o r m e r , i n d u d i n gt h ec o m p o n e n t ss e l e c t i n g , t h ec i r c u i td e s i g n i n ga n d p r o g r a m m i n g t h ep r o c e s so fd e b u g g i n g i se x p l a i n e da tt h es a m et i m e w a n gm i n a ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f b a iy a n k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，w o r l d f ip r s 一4 8 5 i n v e r t e r , p r o t o c o l 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 摘要 现场总线控制系统是继分散控制系统之后出现的新一代控制系统。现场总线 控制系统的出现使工业现场仪表也面临着一场新的变革。数字化、智能化以及网络化 是现场仪表的发展方向。 交流变频调速技术及装置自2 0 世纪9 0 年代以来，就己在我国有了突飞猛进的 发展。变频器作为交流调速的一种重要手段，以其很强的可靠性和抗干扰能力，在 工业生产中得到了越来越广泛的应用。但是，市场上大多数变频器只具有r s 4 8 5 通 信接口，无法直接应用于w o r l d f i p 总线控制系统中。 本文旨在自主设计一款协议转换器，实现4 8 5 总线和w o r t d f i p 总线协议的转换， 通过它完成变频器与w o r l d f i p 总线之间的通信。此协议转换器是对w o r l d f i p 总线 设备的有益补充和扩展，具有很强的实用性。 论文阐述了w o r l d f i p r s 4 8 5 协议转换器硬件设计和软件开发，包括元器件的选 择、具体电路的设计和程序的编写；并对转换器软硬件调试过程作了介绍。 关键词；现场总线，w o r l d f i p ，r s 4 8 5 ，变频器，协议 a b s t r a c t f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mi san e wg e n e r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma p p e a r i n ga f t e rd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m t h ea p p e a r a n c eo ff i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mm a k e st h ef i e l di n s t r u m e n tf a c ea n e wc h a n g e d i g i t a l i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t ，a n dn e t w o r k e di st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ff i e l d i n s t r u m e n t s t h et e c h n o l o g ya n de q u i r i m e m so fa cs p e e dr e g u l a t i n gh a v eb e e nd e v e l o p i n gr 印i d y s i n c e1 9 9 0 s i n v e r t e r sw h i c ha r ei m p o r t a n te q u i p m e n t sf o ra cs p e e dr e g u l a t i n ga r ea p p l i e d w i d e l yi ni n d u s t r i e sb e c a u s eo fi t sh i 曲d e p e n d a b i l i t ya n da n t i j a m m i n ga b i l i t i e s b u tm o s t i n v e r t e r si nt h ec u r r e n tm a r k e tc a l ln o tc o n n e c tw i t ht h ef i e l d b u ss y s t e md i r e c t l y t h ea i mo ft h i st h e s i si st oi n t r o d u c eak i n do ft h ew o d d f i p r s 4 8 5p r o t o c o l t r a n s f o r m e r , w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n v e r t e r sa n dt h ew o r l d f i pf i e l d b u s t h r o u g hp r o t o c o lt r a n s f o r m i n g t h ew o d d f i p - - r s 4 8 5p r o t o c o lt r a n s f o r m e ri sac o m p l e m e n t o ft h ew o d d f i pf i e l d b u se q u i p m e n t s ，a n di th a saw i d e l yp r a c t i c a l i t y t h i st h e s i se x p a t i a t e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ew o r l d f i p r s 4 8 5p r o t o c o lt r a n s f o r m e r ，i n c l u d i n gt h ec o m p o n e n t ss e l e c t i n g ，t h ec i r c u i td e s i g n i n ga n d p r o g r a m m i n g t h ep r o c e s so fd e b u g g i n gi se x 珥a i n e da tt h es a m e t i m e w a n gm i n a ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f b a iy a n k e yw o r d s ：f i e l d b u s ，w o r l d f ip r s 4 8 5 i n v e r t e r , p r o t o c o l 声明 v8 6 8 2 6 4 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文w b r l d f i p r s 4 8 5 协议转换器， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：量! 墼翅1 日 期： 塑! ：! ：! 。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ， ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 墨! 基蜘 硇：j ! i o 导师签名：! 乞，甚丕 日期： 窿占；! 口 华北电力大学硕士学位论文 1 1 现场总线系统概述 第一章绪论 现场总线是用于过程自动化或制造自动化中的、实现智能化现场设备( 例如， 变送器、执行器、控制器) 与高层设备( 例如主机、网关、人机接口设备) 之间互 联的、全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制，在 制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。 现场总线技术导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分 布控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线控制系 统是新型的自动化系统，又是低带宽的底层控制网络。它可与互联网( i n t e r n e t ) 、企 业网( i n t r a n e t ) 相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而也称为底层网 ( i n f r a n e t ) 。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着生 产运行一线测量、控制的特殊任务。 1 1 1 现场总线的产生背景 控制系统的发展主要经历了模拟仪表控制系统( 六七十年代占主导地位) ，集 中式数字控制系统( 七八十年代占主导地位) ，集散控制系统( d c s ) 直到今天的现 场总线控制系统( f c s ) 。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机 功能的不断增强和价格的急剧下降，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处 于生产过程底层的测控自动化系统仍然采用一对一的模拟信号进行控制，很难实现 设备之间及系统与外界之间的信息交换。现场总线作为工厂数字通信网络的基础， 它的出现沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联 系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。现场总 线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通信网络，它具有协 议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的 实时性要求；还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。 f c s 即是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的、具有互可操作的网 络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下 放到现场，降低了安装成本和维护费用。现场总线控制系统f c s 作为新一代控制系 统，一方面突破了d c s 系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化 的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方而把d c s 的集中与分散相结合 华北电力大学硕士学位论文 的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，巴控制功能彻底下放到现场。因此， f c s 实质是一种开放的、具互可操作性的、彻底分散的分斫i 式控制系统，有望成为 2 1 世纪控制系统的主流产品。 1 1 2 现场总线的特点和优点 现场总线控制系统( f c s ) 是继集散控制系统( d c s ) ，顺应历史潮流而出现的。 它的出现必然向传统的d c s 提出了挑战，具有前几代控制系统所没有的特点。图( 1 1 ) 就把d c s 和f c s 最显著的差别作了对比。 ( a ) 节约安装布线成本 ( b ) 控制和i o 功能的分散 图( 1 1 ) 现场总线控制系统与传统控制系统结构对比 1 现场总线的技术特点 1 1 系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之问可进行 互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的丌 放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公丌性，强调对标准的共识与遵从。 一2 一 华北电力大学硕士学位论文 一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线 功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。 用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2 ) 互n t - 操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的 信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同 生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与 控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能， 并可随时诊断设备的运行状态。 4 ) 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能， 使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有 d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 ) 对现场环境的适应性。工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线， 是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外 线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足 本质安全防爆要求等。 2 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设 计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 l 、节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直 接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单 独的控制器、计算单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功 能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投 资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 2 1 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆 上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计 与测点校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时。无需增设新的电缆， 可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有 关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 3 ) 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通 过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，渗 断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时 _ | 于 系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4 1 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备 柬集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为 一3 一 华北电力大学硕士学位论文 系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握 在用户手中。 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化，与模 拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由 于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强：减少了信号的往返 传输，提高了系统的工作可靠性。此外，出于它的设备标准化和功能模块化，因而 还具有设计简单，易于重构等优点。 1 1 3 现场总线的发展前景 自8 0 年代末以来，有几种类型的现场总线技术已经发展成熟并且广泛地应用 于特定的领域。这些现场总线技术各具特点，有的已经逐渐形成自己的产品系列。 几种典型的现场总线有：控制局域网络一c a n ( c o n t r o l a e r a n e t w o r k ) 、局部操作网 络l o nw o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总线一p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 、世界工厂仪表协议一w o r l d f i p ( w o r l df a c t o r yi n s t r u m e n tp r o t o c 0 1 ) 、可寻址远 程传感器数据通路一h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e 0 以及现场总线 基金会- f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 等。 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为注的焦点课题，国际上现场总线 的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的征程，这 对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。现场总线 技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，笔者认为应 不失时机地抓好我国现场总线技术与产品的研究与开发。自动化系统的网络化是发 展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻的。现在网络技术 日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场 总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的 软硬件技术；组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技 术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系 统集成技术。现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步， 了解国际上该项技术的现状与发展动向，对我国相关行业的发展，对自动化技术、 设备的更新，无疑具有重要的作用。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线 体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开放统 一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应用领域十 分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、 楼宇自动化、家庭自动化等等。大千世界，众多领域，需求各异，一个现场总线体 系f 可能刁i 止容纳单一的标准。另外，几大总线技术均具有自己的特点，已在不同 4 华北电力人学硕+ 学位论文 应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自j f 在十分激烈的市 场竞争中求得发展。有理由认为：在从现在起的未来1 0 年内，可能出现几大总线 标准共存，甚至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实 现信息共享的局面。 现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快 速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的 发展。 1 2w o r l d f i p 总线概述 w o r l d f i p 现场总线组织成立于1 9 8 7 年。它是以法国几个跨国公司( 西技斯特 一c e g e l e c 、阿尔斯通一g e c a l s t h o m 、施耐特一s c h n e i d e r 电气公司等) 为基础 的跨国、跨行业的技术协会，是在原有通信技术的基础上根据用户的要求所制定。 目前已有1 0 0 多个成员，生产3 0 0 多个w o r l d f i p 现场总线产品。w o r l d f i p 意为世界 工厂仪表协议。其产品在法国的市场占有率大约6 0 ，在欧洲市场占有大约2 5 的 份额。其前期产品是f i p ( f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 现场总线系列产品。f i p 是法国标准，后来采纳了i e c 国际标准( 6 1 1 5 8 2 ) 改名为w o d d f i p 。w o r l d f i p 是欧洲 现场总线标准e n5 0 1 7 0 3 。 w o r l d f i p 采用有调度的总线访问控制。通信速率分别为3 1 2 5 k b p s 、1 m b p s 、 2 5 m b p s ，对应的最大通信距离分别为5 0 0 0 m 、1 0 0 0 m 、5 0 0 m ，其通信介质为双绞 线。如果采用光纤，其最大通信距离可达4 0 k m 。每段现场总线的最大节点数为3 2 个，使用分线盒可连接2 5 6 个节点。整个网络最多可以使用3 个中继器，连接4 个 网段。w b r l d f i p 采用可交长帧结构，每帧的最大字节数为2 5 6 个。适合于包括t c p i p 在内的各种类型的协议数据单元。w o r l d f i p 可以提供各种专用通信芯片，例如具有 总线仲裁器功能的f u l l f i p 2 、具有总线仲裁器功能并支持双处理器结构的f i p u 2 ， 以及无总线仲裁器功能的m i c r o f i p 等。 w o r l d f i p 总线是一种用于自动化系统的现场总线网络协议，其目的是提供第0 级( 传感器，执行器) 和第1 级( p l c s ，控制器，等等) 设备之间的连接。除用 户层外，w o r l d f i p 使用以下三层通信协议：应用层、数据链路层、物理层，如n ( 1 2 1 所示。 用户层指有用的信息，一个变量( 生产者或消费者) ，可以是8 字节，也可以是 1 6 、3 2 、4 8 乃至1 2 8 字节，一则消息，则可以长至2 5 6 字节。以下三层是在w o r l d f i p 网络控制器中自动实现的，不需要用户c p u 干预，它相应于7 层网络通信协议的1 、 2 和7 层。 华北电力人学硕士学位论文 ( 1 ) 物理层：保证信息从一个设备安全的传送到连接在总线上的其它设备。传输 介质为屏蔽双绞线或光纤。传输速率为3 1 2 5 k b p s 、1 m b p s 和2 5 m b p s 。网络的连接 方式为总线型，使用曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 码对数据链路层发送的数据位进行编 码。这种编码方式可以同时实现信号和时钟的同步。物理层有专用线路驱动芯片管 图( 1 - 2 ) w o r l d f i p 协议组成 理介质冗余。在一条通道出现故障的情况下，另一条能自动切入。物理层具有信号 检测并通知阿络管理和杂音侦听并中断链路层服务的机制。 ( 2 ) 数据链路层：数据链路层负责数据传输和差错、访问控制。有周期和非周期 两种数据交换，变量寻址和报文寻址两种寻址空间，采用产生者使用者 ( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 、广播方式的通信模式，由总线仲裁器( b u s a r b i t e r ) 进行集 中式介质访问控制。产生者指的是变量或报文的发送者，使用者指的是变量或报文 的接收者，某一个变量或报文有且只有一个产生者，但可以有多个使用者。总线仲 裁器( b u sa r b i t e r ) 根据应用程序所要求的服务来规定总线上信息的传送次序，执 行三种功能： f a l 扫描周期性变量 ( b 1 扫描非周期性变量 ( c ) 传输报文 ( 3 ) 应用层：w o r l d f l p 应用层为数据访问和进程间同步提供了各种服务： 本地读写：处理本地变量，这些服务不在总线上进行； 远程读写：通过网络访问其它站点的信息； 刷新服务：第三方站点对某一变量提出刷新请求； 指示服务：指示接收或传送一个变量。 1 3 选题背景及历史意义 在工业自动化领域，现场总线控制系统已经得到了越来越广泛的应用，而且随 着大家对它的认识的增多，对它的认可程度也大大提高，现场总线控制系统也将有 蛩 华北电力大学硕士学位论文 着广阔的应用前景。但是，由于现场总线的出现时间比较短，特别是在产品开发上 面，还没有形成一个品种齐全、功能完善的产品系列，而且由于目前协议的众多， 更加分散了产品开发的力量，使得现有的产品还不能完全满足用户的需要。在目前 市场上就尚无一种具有w o r l d f i p 现场总线接口的变频器。交流变频调速技术及装 置自2 0 世纪9 0 年代以来，就已在我国有了突飞猛进的发展，由于变频调速在频率 范围、动态晌应、低频转矩、转差补偿、功率因数、工作效率等方面是以往的交流 调速方式无法比拟的，而且对各种交流电机设备，配备专用的变频器后可以使原电 机的能源利用率大大提高，达到节能的效果。因此在能源日益紧张的今天，变频器 作为交流调速的一种重要手段，以其很强的可靠性和抗干扰能力，在工业生产中得 到了越来越广泛的应用，具有广阔的市场潜力。 现场总线和变频技术都是现代工控领域的重要方面，都有着广大的前景，若能 将二者结合起来服务于工业生产，必将方便用户，提高经济效益。然而市场上大多 数变频器都只提供r s 4 8 5 串行接口，这就使得变频器无法通过总线进行控制，不便 于实现现场设备的统一监控和管理，也无法将二者的优点结合于一体，因此就十分 有必要开发一款两种协议的转换设备。通过此办法就可以把传统变频器“挂接”到 总线上来，这样，利用了总线的控制和通信技术，同时又节省了硬件开支，特别是 对于用户来说，就能把变频器当作普通的现场智能设备一样对待，便于对整个系统 设备进行监控和管理。 1 4 论文的主要工作及具体实旌方案 本文旨在开发一款w o r l d f i p 协议转换器，实现r s 4 8 5 与w o r l d f i p 的协议转 换，方便对带有r s 4 8 5 接v i 的变频器直接通过总线进行控制，提供双方通信的一种 有效途径。 本论文的主要工作及工作流程如下： 1 1 转换器的硬件设计。包括接口模块、通信模块和c p u 模块的设计。 2 1 软件模块的实现。主要包括变频器r s 4 8 5 串口与转换器的通信和转换器与 w b r l d f i p 总线网络的通信两大部分。 3 ) 联合调试。利用上位组态软件对转换器进行联合调试，测试协议转换器的 各项基本功能，实现串v i 与w o r l d f i p 之间的协议转换以及通信功能。 华北电力大学硕士学位论文 第二章w o r l d f i p - - r s 4 8 5 协议转换器综述 2 1 开发w o r l d f i p r s 4 8 5 协议转换器的意义 协议实现所完成的任务是协议适配和编解码，即进行不同协议帧之间的映射和附加 信息的编解码转换。本文旨在开发一款协议转换器，实现w o d d f i p 与r s 4 8 5 之间的协 议转换，方便对带有r s 4 8 5 接口的变频器直接通过总线进行控制，提供双方通信的一种 有效手段。总线技术和变频技术在现代工控领域都发挥着越来越重要的作用，然而目前 市场上的变频器只是提供了r s 4 8 5 接口，不能直接挂接在总线上，从而限制了变频器的 使用范围。为了实现对变频器与其它现场设备的统一管理，加强对变频器的实时监控， 开发此款协议转换器有着重要意义。 2 2w o r l d f i p - - r s 4 8 5 协议转换器的工作原理 w o 订d f i p r s 4 8 5 协议转换器内部工作流程如图( 2 1 ) 所示，为了实现变频 器与总线的相互通信，设计主要分为两部分：中央处理单元和通信单元。 4 8 5 接口通信 及隔离 单元 变电路及通信 现 频止中央处 接口 一 场 器 十叫 理单元 r 叫 及总 、r 一 总 ( a r m 7线供 线 核)电单 兀 图( 2 - - 1 ) w o r l d f i p r s 4 8 5 协议转换器信号流程 中央处理单元是对数据流进行处理的核心部分，主要完成通信管理和实时控 制。这部分的功能是从串行口接收缓冲区接收有效数据，并将要发送的数据送到相 应的发送缓冲区，完成总线与变频器之间信息的传送和交换，即地址、数据帧的识 别和处理、报文的管理等。此卡通过对定时、串口中断等控制在中断服务程序中完 成不同功能。这个模块的最终任务就是将上位机上的控制参数及配置信息通过 w o r l d f i p 总线传送给现场的变频器，并实时监控变频器的各种状态信息。 通信单元将要传送的数据形成帧并根据总线协议进行数据编码。在接收时，通 信单元将接收到的报文进行处理，去掉物理层的帧头、帧尾和进行帧校验等。通信 一生j ! 坐塑盔兰堡主堂垡堕室 接口单元部分是转换器与现场总线进行通信的物理信道，主要完成的功能是与现场 总线上的数据进行交换，遵循相关现场总线的标准的规定，将数据以规定的速率编 码传送，将接收到的总线信号进行有效处理送到现场的变频器。 2 3w o r l d f i p - - r s 4 8 5 协议转换器的特点 w o r l d f i p r s 4 8 5 协议转换器主要是完成从变频器的4 8 5 串行接口到w o r l d f i p 总线协议的转换，实现变频器与上位机或其他现场总线的通信。该转换器具有以下 特点： 1 ) 远程组态，用户可直接在工程师站上对变频器的参数进行设定，再通过总 线下载到变频器当中，使得变频器能够象其它总线型仪表一样进行统一组 态，方便了用户。 2 ) 远程操作，用户可以直接从操作员站上完成变频器的启、停及频率等的调 节，提高了工作效率。 3 ) 在线监控，变频器的所有运行状态都可以实时的反映到操作员站上，用户 可以随时监控变频器的工作状况，对任何异常及时做出处理，保证了生产 安全。 4 ) 数据传输可靠、速度快。w o r l d f i p 总线的冗余技术和较高的电磁兼容性保 证了传输的稳定和可靠性，同时其传输速率能达到2 5 m b p s ，保证了传输的 实时性。 5 ) 节省了布线，有了协议转换器，变频器就可以直接挂接在w o r l d f i p 现场总 线上，简化了系统的集成及扩展，节省了维护的工作量和费用。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 整体设计方案 第三章硬件设计 主板的设计首先考虑它的性能，其次还要顾及它的成本和开发时间，力求它的 性价比及开发时间等指标达到最优。基于技术要求和经济性两方面的考虑，设计时 本文采用了下述设计思想： 1 ) 各功能模块的硬件电路尽可能选择标准化器件、模块化结构； 2 ) 硬件设计要合理、可靠、抗干扰，提高系统的抗干扰能力； 3 ) 充分考虑表壳的空间，使各功能模块连接紧凑合理； 4 ) 各功能模块的通用性尽可能强； 5 ) 合理利用电路板的面积，提高经济性： 6 、留有余地，以便扩展。 按照上述思想对硬件进行功能划分，将整个设计分为功能相对独立的三个模 块：m c u 模块、通信模块和串口接口模块( 设计中将后两个模块统一到一块板中) 。 其中通信模块是块通用板。 总体结构如图( 3 1 ) 所示。 氛虹t ，援醺：槛 i _ _ = ：_ 1 - r ：= = 1 厂 轼灌： 型隧i = ；麓i 一 斛 图( 3 1 ) 总体结构图 1 1m c u 板，作为此款协议转换器的核心部分，它主要用于完成通信管理和实 时控制。即：从接收缓冲区接收从通信控制模块传递来的数据，将要发送的数据送 到发送缓冲区，完成现场总线上的信息传送和交换，它包括地址、数据帧的识别和 处理，报文的管理等；接收从变频器r s 4 8 5 串口传送来的数据，发送上位机的有效 华北电力大学硕士学伉论文 控制信号到变频器，实现双向通信。 2 ) 通信单元，完成现场总线的网络通信。协议转换器除了具有数据处理能力 以外，还应拥有通信能力，要完成现场总线设备问信息交换的物理接口功能，通信 单元将要传送的数据形成帧并根据总线协议进行数据编码。例如在接收时，通信单 元将接收到的报文进行处理，去掉物理层的帧头、帧尾和进行帧校验等，获得有效数 据，从而完成r s 4 8 5 到w o r l d f i p 协议的转换。 3 ) 通信接口单元，接口单元部分是转换器与现场总线进行通信的物理信道， 主要完成的功能是与现场总线上的数据进行交换，遵循相关现场总线的标准的规 定，将数据以规定的速率编码传送，将接收到的总线信号送入带通滤波器与整形电 路，滤掉总线上的杂波。另外在这个模块中，如果要实现总线供电，还要将通信的 脉冲信号以电流或频率波形调制到现场总线的9 - 3 2 v 的供电电压之上，而将现场总 线提供的9 - 3 2 v 的供电电压转换为转换器所需的电压。 4 )串口接口单元，接口单元部分是转换器与变频器进行通信的物理信道，主 要完成的功能是与变频器串口传送的数据进行交换。根据需要将隔离后的现场信号 经过r s 4 8 5 收发器芯片送到中央处理单元进行数据处理。 5 ) 存储单元，提供主程序、协议栈、功能模块的存储和运行空间。其中包含 r a m 用于存储程序执行过程中的中间数据，r o m 用于固化的监控程序、协议栈和 功能块程序等，e 2 p r o m 存储器用于掉电时的数据暂存，用于存储校正、组态和识 别等静态数据。 3 2 基本概念及原理 此次产品的开发涉及到多个概念及相关内容，如r s 4 8 5 、a r m 体系结构、变频 器、协议及w o r l d f i p 总线开发套件等。对它们的具体介绍如下。 3 2 1r s - - 4 8 5 标准 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 最初都是由电子工业协会( e i a ) 制订并发布的。 r s ，2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a 一2 3 2 e ，作为工业标准，以保证不同厂家产品 之间的兼容。r s 4 2 2 是由r s 2 3 2 发展而来，它是为弥补r s 2 3 2 之不足而提出的。 为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，r s 4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将 传输速率提高到1 0 m b p s ，传输距离延长到4 0 0 0 英尺( 速率低于1 0 0 k b p s 时) ，并 允许在+ 条平衡总线上连接最多1 0 个接收器。r s 一4 2 2 是一种单机发送、多机接收 的单向、平衡传输规范，被命名为t i a e i a 4 2 2 a 标准。为扩展应用范围，e i a 又 1 二1 9 8 3 年在r s 一4 2 2 基础上制定了r s 一4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即 允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特 一1 卜 华北电力大学硕士学位论文 性，扩展了总线共模范围，后命名为t i a e i a 4 8 5 a 标准。由于e i a 提出的建议 标准都是以“r s ”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以r s 作 前缀称谓。 r s 一2 3 2 、r s 一4 2 2 与r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插 件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。但由于p c 上的 串行数据通讯是通过u a r t 芯片( 较老版本的p c 采用1 8 2 5 0 芯片或z 8 5 3 0 ：签片1 来处理的，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式( 8 n 一1 格式) ：1 位逻辑0 的 起始位，6 7 8 位数据位，1 位可选择的奇( o d d ) 偶( e v e n l 校验位，1 2 位逻辑1 的 停止位。基于p c 的r s 2 3 2 、r s 一4 2 2 与r s 4 8 5 标准均采用同样的通讯协议。 r s 一4 8 5 标准是为弥补r s 2 3 2 通信距离短、速率低等缺点而产生的。r s 4 8 5 标 准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用层 通信协议。r s 4 8 5 标准与r s 一2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式( d i f f e r e n t i a l d r i v e rm o d e ) ，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一 线定义为b ，如图( 3 2 ) 所示。 图( 3 2 ) r s - 4 8 5 发送器的示意图 ”；+ 5 一j m - 2 蚰电压相等 “訾_ 2 一上_ 6 通常情况下，发送发送器a 、b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状态； 负电平在2 6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c 。在r s 4 8 5 器件中，一 般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于控制发送发送器与传输线的切断 与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处于高阻状态，称作“第三态”，它 是有别于逻辑1 与“0 ”的第三种状态。对于接收发送器，也作出与发送发送器 相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连。当在接收端a - b 之 间有大于+ 2 0 0 m y 的电平时，输出为正逻辑电平；小于2 0 0 m v 时，输出为负逻辑 电平。在接收发送器的接收平衡线上