CN101813935A

CN101813935A - 无极性现场总线系统及实现方法

Info

Publication number: CN101813935A
Application number: CN201010125425A
Authority: CN
Inventors: 徐键; 张臣; 刘鑫涛; 徐迎辉; 毛凌; 韩舜
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: CN101813935B

Abstract

一种无极性现场总线系统及实现方法，属于现场总线领域。所述现场总线系统在结构上包括主站DDC控制器通讯接口模块和从站节点控制器通讯接口模块；主站DDC控制器通讯接口模块由数据发码电路、总线保护电路、EMC抗干扰电路、回码检测电路和总线过流检测电路组成；从站节点控制器通讯接口模块由数据接收电路、数据发送电路和无极性转换电路组成。该现场总线系统结构相对简单合理的、两总线是无极性设计、布线施工比较方便。

Description

无极性现场总线系统及实现方法

所属技术领域

本发明涉及一种现场总线技术，特别涉及一种无极性现场总线系统及实现方法。属于现场总线系统领域，用于自控系统中。

背景技术

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线由众多用户组成，这些用户通过一根共用的导线彼此通信，为这些用户分别分配一个各自的用户地址，所述用户地址唯一地识别了总线系统中的相应用户。目前工业应用中的现场总线技术有很多，比如RS485总线、CAN总线、PROFIBUS总线、Lonworks总线等，这些现场总线系统一般可以应用在各个工业自动控制领域，完成相应的自动控制功能，实现基于现场总线的自动控制系统。

RS485总线是早期应用比较广泛的一类总线形式，其结构相对简单、采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。RS485现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个节点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主站带多个从站。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患：(1)共模干扰问题，RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题，发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。因此，采用RS485总线结构简单，但在应用中易造成自控系统的不稳定，并且内部无短路检测等保障性措施，从而影响自控系统的正常工作。

而对于CAN总线、PROFIBUS总线、LONWORKS总线这种大型总线系统，在总线结构设计上比较复杂、应用成本昂贵、准备周期较长，并且总线电缆是有极性的，使得布线施工不方便，这对实际需要现场总线的中小型自控系统的应用造成了很大的不便。鉴于技术、经济的原因，这些现场总线在实际的自控系统的推广应用中受到了一定限制。

发明内容

本发明的目的是克服现有总线系统在技术和经济方面的不足，提供一种结构相对简单合理的、无极性设计的、布线施工比较方便的、内部带有短路检测的无极性现场总线系统及实现方法。

本发明提出的无极性现场总线系统，采用如下技术方案：

无极性现场总线系统包括主站DDC控制器通讯接口模块和从站节点控制器通讯接口模块。主站DDC控制器通讯接口模块由数据发码电路、总线保护电路、EMC抗干扰电路、回码检测电路和总线过流检测电路组成；其中数据发码电路的输出端与总线保护电路的输入端相连，总线保护电路的输出端与EMC抗干扰电路的输入端相连，EMC抗干扰电路的第一输出端与第一条无极性电缆相连；EMC抗干扰电路的第二输出端与第二条无极性电缆相连；总线过流检测电路的第一输出端与数据发码电路的过流信号接收端相连；上述数据发码电路的第一数据输入端、第二数据输入端用于与主站数据输出端相连；回码检测电路的数据输出端用于与主站数据输入端相连；总线过流检测电路的第二输出端用于与主站过流信号接收端相连；从站节点控制器通讯接口模块由无极性转换电路、数据接收电路、数据发送电路组成；其中无极性转换电路的输出端与数据接收电路的输入端相连；数据发送电路的输出端与无极性转换电路的输入端相连；数据接收电路的输出端用于与从站串行通信接收端相连；数据发送电路的输入端用于与从站串行通信发送端相连接；无极性转换电路的第一输入/输出双向端通过上述第一条无极性电缆分别与回码电路的第一输入端、总线过流检测电路的第一输入端相连；上述无极性转换电路的第二输入/输出双向端通过上述第二条无极性电缆分别与回码电路的第二输入端、总线过流检测电路的第二输入端相连。

上述的无极性的现场总线系统的实现方法，其特征在于包括以下过程：

(1).无极性现场总线系统主站数据发送过程如下：

(a)主站DDC控制器发送的数据通过软件处理拆分为码元，由数据发码电路第一数据输入端、第二数据输入端接收主站数据码元信号，根据所拆分的码元输出相应大小的电压进入数据发码电路；

(b)电压信号经过总线保护电路、EMC抗干扰电路在EMC抗干扰电路的第一输出口和第二输出口分别输出到无极性电缆；

(c)电压信号经过无极性电缆进入无极性转换电路的输入/输出双向端，经过无极性转换电路对电压信号进行处理，转变成数据进入数据接收电路，再送入从站节点控制器；

(d)从站节点控制器将电平变化的数据波形组合成通讯数据，每当接收完一帧数据包后，从站节点控制器分析这些来自主站的DDC控制器中的通讯命令，如果是符合自身地址，就给予响应，否则不予理睬，从而完成一次数据从主站向从站的发送；

(e)每帧来自主站的发码数据后必须紧跟着从站节点控制器的应答通讯数据，这些应答的通讯数据在规定的时间内以电流调制的形式产生在总线回路中，而主站DDC控制器电路中有回码电流检测线路，会根据电流的大小还原成对应的通讯数据，从而实现了主从站之间的通讯；

(2).无极性现场总线系统从站数据发送过程如下：

(a)从站控制器串行通信发送端发送的数据，经过数据发送电路，进入无极性转换电路，再通过无极性转换电路输入/输出双向端，经由无极性电缆分别进入回码检测电路的输入端、总线过流检测电路的输入端；

(b)回码检测电路将接收的数据进行处理后，送入主站数据输入端，总线过流检测电路将接收的数据分别用于数据发码电路和主站控制器的过流保护，完成一次数据从从站向主站的发送。

本发明的有益效果是：本发明中提出的无极性现场总线系统具有以下一些优点：

1.现场总线系统是两总线布线，采用手拉手链接，无极性设计，施工接线简单，不需要屏蔽线，对布线要求低，降低了工程造价。

2.现场总线系统上的信号幅值在0-24V之间变化，因此抗干扰能力很强，不需要屏蔽线，只用普通双绞线就能满足工程需要。

3.现场总线系统具有开路、短路检测功能，短路时可以切断总线，不会出现器件损坏的情况，如果配接专用短路隔离器，可以实现分区保护，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1：现场总线系统组成结构图。

图2：现场总线系统电路原理图。

图3：现场总线系统电路原理图中局部放大图。

图4：现场总线系统电路原理图中局部放大图。

图5：现场总线系统电路原理图中局部放大图。

图6：现场总线系统组网结构示意图。

图中标号名称：A为主站DDC控制器通讯接口；B为从站节点控制器通讯接口；L1A、L1B为发码电路第一输入端和第二输入端；LO为发码电路输出端；MI、MO为总线保护电路输入和输出端；NI为EMC抗干扰电路输入端；NOA、NOB为EMC抗干扰电路第一输出端和第二输出端；PA、PB为回码检测电路的第一输入端和第二输入端；L1C为回码检测电路的数据输出端；IA、IB为总线过流检测电路的第一输入端和第二输入端；OA、VPS为总线过流检测电路的第一输出端和第二输出端；OB为数据发码电路的过流信号接收端；CB、CA为无极性转换电路的第一输入/输出双向端和第二输入/输出双向端；RA为无极性转换电路的输出端；RB为无极性转换电路的输入端；RR为数据接收电路输入端；TT为数据发送电路输出端；RXD为数据接收电路的输出端；TXD为数据发送电路输入端；1为回码检测和总线过流检测电路；2为数据发码电路；3为总线保护电路；4为EMC抗干扰电路；5为无极性转换电路；6为数据接收电路；7为数据发送电路；8为现场总线；9为从站节点划分的由一个DDC控制器控制的层。

具体实施方式

下面结合具体图示对本发明提出的现场总线系统的具体实施步骤做进一步描述。

图1为无极性现场总线系统组成结构图，包括主站DDC控制器通讯接口模块和从站节点控制器通讯接口模块。其中DDC控制器通讯接口模块由数据发码电路、总线保护电路、EMC抗干扰电路、回码检测电路和总线过流检测电路组成；其中数据发码电路的输出端LO与总线保护电路的输入端MI相连，总线保护电路的输出端MO与EMC抗干扰电路的输入端NI相连，EMC抗干扰电路的第一输出端NOA与第一条无极性电缆相连；EMC抗干扰电路的第二输出端NOB与第二条无极性电缆相连；总线过流检测电路的第一输出端OA与数据发码电路的过流信号接收端OB相连；上述数据发码电路的第一数据输入端L1A、第二数据输入端L1B用于与主站数据输出端相连；回码检测电路的数据输出端L1C用于与主站数据输入端相连；总线过流检测电路的第二输出端VPS用于与主站过流信号接收端相连；

图1中的从站节点控制器通讯接口模块由无极性转换电路、数据接收电路、数据发送电路组成；其中无极性转换电路的输出端RA与数据接收电路的输入端RR相连；数据发送电路的输出端TT与无极性转换电路的输入端RB相连；数据接收电路的输出端RXD用于与从站串行通信接收端相连；数据发送电路的输入端TXD用于与从站串行通信发送端相连接；无极性转换电路的第一输入/输出双向端CB通过上述第一条无极性电缆分别与回码电路的第一输入端PA、总线过流检测电路的第一输入端IA相连；上述无极性转换电路的第二输入/输出双向端CA通过上述第二条无极性电缆分别与回码电路的第二输入端PB、总线过流检测电路的第二输入端IB相连。

数据发码电路通过第一数据输入端、第二数据输入端接收主站DDC控制器发送数据的拆码信号，根据所拆分的码元输出相应大小的电压进入数据发码电路；电压信号经过总线保护电路、EMC抗干扰电路在EMC抗干扰电路的第一输出口和第二输出口分别输出电压信号；

上述电压信号经过无极性电缆进入无极性转换电路的输入/输出双向端；经过无极性转换电路对电压信号进行处理，转变成数据进入数据接收电路，再送入从站节点控制器；

从站串行通信发送端发送的数据，经过数据发送电路，进入无极性转换电路，再通过无极性转换电路输入/输出双向端，经由无极性电缆分别进入回码检测电路的输入端、总线过流检测电路的输入端；回码检测电路将接收的数据进行处理后，送入主站数据输入端；总线过流检测电路将接收的数据分别用于数据发码电路和主站控制器的过流保护。

图2所示为现场总线系统的电路原理图，其中1为回码检测/总线过流检测电路；2为数据发码电路；3为总线保护电路；4为EMC抗干扰电路；5为无极性转换电路；6为数据接收电路；7为数据发送电路。图3是回码检测和总线过流检测电路局部放大图，图4为数据发码电路、总线保护电路和EMC抗干扰电路的局部放大图，图5为无极性转换电路、数据接收电路和数据发送电路的局部放大图。

图6所示为采用现场总线构成自控系统时网络拓扑结构示意图，形成的自控系统在组成结构上包括监控管理主机、通讯转接网关、主站DDC控制器、主站通讯接口、从站节点控制器、从站通讯接口、现场总线。各个从站节点控制器根据区域划分为不同层次，每层中的从站节点控制器对应一个DDC控制器，各层中的从站节点控制器通过现场总线与对应的DDC控制器进行数据的交换，然后每层对应的DDC控制器采用RS485总线将所接收的数据传送到通讯连接网关，通讯连接网关通过计算机串口与监控管理主机进行通信。在DDC控制器中留有和其他智能设备的通讯接口，考虑到兼容性，采用通用的RS-485接口；DDC控制器是整个控制系统的核心，肩负着数据采集、数据分析、调节控制等功能，一个大型的自控系统中会有多个DDC控制器，它们都处在同一个通讯数据层，通过通讯连接网关进行通信和数据的交换。

所述现场总线源自于美国诺帝菲尔、霍尼韦尔火灾报警通讯总线的技术，并做了重大改进；原来应用于消防技术的总线是一个数据单向传输的总线技术，缺乏信息的反馈通道，这在自控系统工程应用中很不方便。为了实现现场总线的双向数据通讯，增加了数据应答检测电路和相应的软件控制流程，从站节点等终端的基带信号经过电流环电路的调制后，可以实时地把自身的状态信息反馈给上一级控制器，从而实现了数据的双向通讯功能。所述用现场总线，其从站控制器的地址可从0号-255号进行编址，主站DDC控制器的地址可从0号-31号进行编址，这些地址编号都可以由用户通过面板设置和修改。

所述现场总线系统通讯协议发送格式采用如下形式：引导码+地址码+长度码+数据内容+校验；引导码占用1字节，DDC控制器发送F0，终端发送A0；地址码占用1字节，FF为广播命令，所有终端接收后都要处理应答；长度码占用1字节，数据内容长度+1；数据内容为多字节，根据命令定义；校验码为1字节，除校验码以外所有字节的单字节累加和即为校验码；所述现场总线系统通讯速率不低于4800bps、信号传输采用电流环、基带信号传输。

Claims

1.一种无极性的现场总线系统，包括主站DDC控制器通讯接口模块和从站节点控制器通讯接口模块，其特征在于：

上述DDC控制器通讯接口模块由数据发码电路、总线保护电路、EMC抗干扰电路、回码检测电路和总线过流检测电路组成；其中数据发码电路的输出端(LO)与总线保护电路的输入端(MI)相连，总线保护电路的输出端(MO)与EMC抗干扰电路的输入端(NI)相连，EMC抗干扰电路的第一输出端(NOA)与第一条无极性电缆相连；EMC抗干扰电路的第二输出端(NOB)与第二条无极性电缆相连；总线过流检测电路的第一输出端(OA)与数据发码电路的过流信号接收端(OB)相连；上述数据发码电路的第一数据输入端(L1A)、第二数据输入端(L1B)用于与主站数据输出端相连；回码检测电路的数据输出端(L1C)用于与主站DDC控制器数据输入端相连；总线过流检测电路的第二输出端(VPS)用于与主站DDC控制器过流信号接收端相连；

上述从站节点控制器通讯接口模块由无极性转换电路、数据接收电路、数据发送电路组成；其中无极性转换电路的输出端(RA)与数据接收电路的输入端(RR)相连；数据发送电路的输出端(TT)与无极性转换电路的输入端(RB)相连；数据接收电路的输出端(RXD)用于与从站串行通信接收端相连；数据发送电路的输入端(TXD)用于与从站串行通信发送端相连接；

上述无极性转换电路的第一输入/输出双向端(CB)通过上述第一条无极性电缆分别与回码电路的第一输入端(PA)、总线过流检测电路的第一输入端(IA)相连；上述无极性转换电路的第二输入/输出双向端(CA)通过上述第二条无极性电缆分别与回码电路的第二输入端(PB)、总线过流检测电路的第二输入端(IB)相连。

2.根据权利要求1所述的无极性的现场总线系统的实现方法，其特征在于包括以下过程：

(1).无极性现场总线系统主站数据发送过程如下：

(d)从站节点控制器将电平变化的数据波形组合成通讯数据，每当接收完一帧数据包后，从站节点控制器分析这些来自主站DDC控制器中的通讯命令，如果是符合自身地址，就给予响应，否则不予理睬，从而完成一次数据从主站向从站的发送；

(e)每帧来自主站DDC控制器的发码数据后必须紧跟着从站节点控制器的应答通讯数据，这些应答的通讯数据在规定的时间内以电流调制的形式产生在总线回路中，而主站DDC控制器电路中有回码电流检测线路，会根据电流的大小还原成对应的通讯数据，从而实现了主从站之间的通讯；

(2).无极性现场总线系统从站数据发送过程如下：