摘  要：根據(jù)智能閥門定位器總線化的要求，開發(fā)了基于FF協(xié)議的通信接口，闡述了雙處理器結(jié)構(gòu)的OEM開發(fā)思想，給出了實現(xiàn)FF通信的詳細步驟和開發(fā)工具。經(jīng)測試，閥門定位器實現(xiàn)了FF總線通信功能，證明了開發(fā)方案的可行性。
關(guān)鍵字：現(xiàn)場總線   基金會現(xiàn)場總線   通信接口   圓卡   閥門定位器

1   引言
    基金會現(xiàn)場總線（FF）是在過程自動化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的現(xiàn)場總線技術(shù)。它分低速（FF-HI）和高速（FF-HSE）兩部分，并且均被現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158所采用。由于FF協(xié)議把通信和控制兩大部分功能結(jié)合在一起，因此協(xié)議本身的體系結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。從實現(xiàn)方面來說，雖然FF協(xié)議本身是公開的，但是它并不涉及協(xié)議的實現(xiàn)，因此有許多有關(guān)實現(xiàn)的工作要做。
本文講述了FF-HI總線智能閥門定位器的通信接口的開發(fā)，對于其它4-20mA設(shè)備或者智能設(shè)備的基金會現(xiàn)場總線通信接口的開發(fā)，有一定的參考價值。

2   總體設(shè)計
2.1  開發(fā)方案
    在對不同的現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)思路進行分析、比較的基礎(chǔ)上，采用了雙處理器（CPU）結(jié)構(gòu)的原始設(shè)備制造商（OEM）開發(fā)方案，即智能閥門定位器的硬件部分主要由儀表卡和圓卡構(gòu)成。其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    儀表卡采用MSP430單片機做主芯片，實現(xiàn)智能閥門定位器的初始化、閥位反饋、報警、顯示等基本功能，這部分軟硬件的開發(fā)已經(jīng)完成；通訊圓卡為數(shù)據(jù)傳輸和控制部分，需要完成現(xiàn)場總線的通信和各種控制算法，本設(shè)計使用經(jīng)認證的通訊圓上學(xué)簡化了圓卡的硬件開發(fā)，只需完成儀表卡CPU與圓卡CPU之間的通信接口、圓卡和FF總線通訊和設(shè)備功能塊的調(diào)用等功能的軟件開發(fā)。

2.2  開發(fā)工具
    本文采用了Fielbus Inc公司提供的現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)工具包進行通信接口的開發(fā)。此工具包包含了設(shè)備開發(fā)和組網(wǎng)運行的必要元素，使用戶不必對低級現(xiàn)場總線協(xié)議有深入的了解，就可以方便地設(shè)計出新的總線產(chǎn)品。該套開發(fā)工具包括：圓卡、串行編程子卡、PC機接口卡、圓卡編程工具、FF-HI通信棧軟件、FI功能塊應(yīng)用軟件、電源、電纜及其它工具。

    HI現(xiàn)場總線圓卡是開發(fā)FF兼容設(shè)備的硬件接口，采用總線供電，可接口到符合FF-HI協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中。圓卡使用MC68331嵌入處理器和可編程的128KB×16閃存運行通信棧接口庫、功能塊殼和用戶應(yīng)用程序。同時有一個128KB×16SRAM提供易失性存儲器，用來存儲總線管理信息庫參數(shù)和塊參數(shù)。圓卡與儀表卡測量部件的連接通過串行編程子卡實現(xiàn)。子卡可以執(zhí)行DIO、A/D、D/A功能，通過2×21針WI插口與圓卡連接。

3   通信方案的設(shè)計
    本文采用串行通訊接口方式實現(xiàn)圓卡與儀表卡的通訊。其中，圓卡擔(dān)當(dāng)主叫方，發(fā)起通訊，儀表卡擔(dān)當(dāng)從機，響應(yīng)圓卡的通訊。圓卡通過串行函數(shù)完成呼叫、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，儀表卡采用串行中斷方式實現(xiàn)串行通訊處理。

    串行函數(shù)在圓卡和串行設(shè)備之間提供一個傳遞數(shù)據(jù)的通用方式。它和用于與串行設(shè)備進行通訊的通信棧協(xié)議及功能塊殼的調(diào)用功能相互獨立。對于使用三線串行通訊方式的通訊，串行函數(shù)提供了兩種數(shù)據(jù)格式，其中通用串行格式為通用主/從命令/響應(yīng)串行協(xié)議，需要用戶對命令及響應(yīng)數(shù)據(jù)包進行編碼和解碼。

    串行函數(shù)可設(shè)置為連續(xù)發(fā)送/接收一個定義的命令序列，該序列由nihDefineSequence和nihSendCommand函數(shù)定義。nihDefineSequence定義發(fā)送給設(shè)備的序列中的命令行數(shù)，nihSendCommand定義序列中的命令。一個命令是一個串行的相互動作，它包括一個發(fā)送、一個接收或兩者。當(dāng)完成對序列中最后一個命令的定義后，序列按照命令定義的順序發(fā)送所有的命令。使用nihDefineSequence或nihSendCommand函數(shù)取消序列的運行。使用函數(shù)nihDefineSequence和nihSendCommand可修改命令數(shù)據(jù)并保留命令序列中最后的響應(yīng)數(shù)據(jù)。直接調(diào)用nihPutData，設(shè)置發(fā)送緩沖器中要改變數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，也可調(diào)用nihGetData，保留序列最后一次執(zhí)行時，從串行設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)包。調(diào)用nihsetparam函數(shù)可設(shè)置圓卡的通訊參數(shù)，如命令重發(fā)次數(shù)、前導(dǎo)碼數(shù)目、超時、串行協(xié)議類型、波特率、校驗類型、停止位。

4   圓卡應(yīng)用開發(fā)
    圓卡執(zhí)行NI專門為FF設(shè)計的且通過了FF一致性測試的通訊棧軟件，可完成鏈路主設(shè)備LAS和基本設(shè)備的通訊任務(wù)。此外，圓卡執(zhí)行NI功能塊殼軟件，該軟件為開發(fā)FF所需的塊提供一個應(yīng)用程序接口。圓卡應(yīng)用的開發(fā)步驟如下。

4.1  寫設(shè)備模板，并將設(shè)備模板轉(zhuǎn)換為C代碼
    設(shè)備模板是一個ASCⅡ碼文件，包括設(shè)備辯識、設(shè)備中的物理快和功能塊，以及設(shè)備的參數(shù)等內(nèi)容。模板文件包括若干部分，每一部分均由一關(guān)鍵字及其描述組成。次序如下：VFD，UDER_TYPE，BLOCKS，TRENDS，VARLISTS。根據(jù)閥門定位器的功能，本設(shè)計選用了PID功能塊和AO功能塊。

    設(shè)備模板由設(shè)備代碼生成器轉(zhuǎn)換為C代碼。設(shè)備代碼生成器codegen.exe的命令行為：
    codegen devicetemplate.dat outputfile.c nifb.sym其中devicetemplate.dat為設(shè)備模板文件名，outputfile.c為轉(zhuǎn)換完的輸出文件名。

4.2  寫用戶應(yīng)用文件
    用戶應(yīng)用程序為實現(xiàn)定位器功能的主要部分。它利用功能快殼所提供的與FF通訊棧的高級接口，處理有關(guān)網(wǎng)絡(luò)通訊的參數(shù)讀寫，完成總線通訊功能。并通過注冊回調(diào)（callback）函數(shù)和執(zhí)行功能快具體算法實現(xiàn)FF標(biāo)準(zhǔn)功能快功能。用戶應(yīng)用程序的程序框圖如圖2所示。

    （1）寫功能塊的回調(diào)函數(shù)，userStart函數(shù)以及注冊回調(diào)函數(shù)。
    回調(diào)函數(shù)完成以下兩種功能：執(zhí)行功能塊算法以及處理報警確認和辯識。當(dāng)功能快被調(diào)度執(zhí)行時，功能塊殼調(diào)用開發(fā)設(shè)備所定義的回調(diào)執(zhí)行函數(shù)，在回調(diào)執(zhí)行（CB_EXE）函數(shù)中編寫算法以完成需要功能塊執(zhí)行的動作。CB_EXE函數(shù)的定義格式為：void（CB_EXE（HDL_BLOCK hBlock）。

    userStart函數(shù)在通訊棧啟動時被自動調(diào)用，可以初始化功能塊殼并通過它注冊開發(fā)設(shè)備的Callback函數(shù)。功能快應(yīng)用進程使用注冊函數(shù)以通知功能塊殼用戶應(yīng)用的特性，包括用戶定義的數(shù)據(jù)類型、物理塊、變送塊、功能塊、塊參數(shù)等。在userStart中調(diào)回用shRegistCallback函數(shù)注冊Callback函數(shù)。

    （2）指定系統(tǒng)時鐘和RAM大小，定義和安裝中斷處理器。
    在圓卡應(yīng)用程序和源代碼中聲明并定義兩個全局變量： SystemCleckSpeed和Ramsize，其初始化有效值分別為： SystemCleckSpeed，選擇1代表4MHz的時鐘；Ramsize，選擇2代表256KB。

    圓卡提供優(yōu)先級數(shù)為3、4、6的中斷引腳，它們可為圓卡的任何中斷源所使用，同時還能使用CPU的內(nèi)部模塊產(chǎn)生必要的中斷。如在設(shè)備應(yīng)用中使用中斷，則必須在用戶應(yīng)用程序中安裝中斷處理器，并用niInstallIntHandler作棧功能調(diào)用。本設(shè)計中未使用中斷處理器。

4.3  生成設(shè)備組態(tài)并將設(shè)備組態(tài)轉(zhuǎn)換為C代碼
    設(shè)備組態(tài)文件包括數(shù)據(jù)鏈路組態(tài)和系統(tǒng)管理組態(tài)，它們對設(shè)備類型（基本設(shè)備或鏈路主設(shè)備）、節(jié)點地址、設(shè)備ID號、設(shè)備位號、設(shè)備調(diào)度時間單位、調(diào)度時間表進行了定義。

    運行組態(tài)生成器，將ini文件轉(zhuǎn)換成為可鏈接的.e文件。其命令行為：
      efggen device.ini devicecfg.c
    其中，device.ini表示設(shè)備組態(tài)文件，devicecfg為輸出的.c文件的名稱。

4.4  編輯、鏈接并下載程序
    在調(diào)試環(huán)境下，下載鏈接器輸出文件到RAM進行調(diào)試，全調(diào)試后，生成二進制格式，使用biBum.exe命令，將程序代碼下載到閃存中。第一步是編輯，將設(shè)備代碼生成器生成的.c文件、組態(tài)生成器生成的.c文件（包括userStart函數(shù)，callbacks函數(shù)）轉(zhuǎn)化到.o格式，第二步，將它們與NI的通信棧軟件nistack.lib相鏈接。該圓卡庫文件包含通訊棧協(xié)議和功能塊殼。最后用戶應(yīng)用與庫鏈接完成后，從鏈接器的輸出文件中提出對象字節(jié)，并將它們轉(zhuǎn)換為二進制的格式。這樣便可將它們下載到目標(biāo)處理器的存儲器中。

4.5  燒寫內(nèi)存
    圓卡使用niBurn.exe命令通過主機上的RS-232口和串行編程子卡上的串口燒寫內(nèi)存，而無需外部PROM燒寫器。

5   結(jié)論
    使用開發(fā)工具包括提供的NI-FBUS組態(tài)器和NI-FBUS監(jiān)視器，采用AT-FBUS板作為鏈路主設(shè)備對圓卡進行整機測試，測試結(jié)果表明，自主開發(fā)的閥門定位器與圓卡連接之后，在實現(xiàn)電氣智能閥門定位器功能的同時，可能與其它總線設(shè)備互操作，可以接受鏈路主設(shè)備的功能塊調(diào)度、參數(shù)讀寫、參數(shù)傳遞，這表明儀表能正常運行于FF總線之上，具備了FF總線儀表的功能，同時證明了整體設(shè)計方案和所采用的開發(fā)方法是可行的。

參考文獻
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