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山顿UPS电源代理商
媒体结合单元(MAU)
典型的现场总线仪表由媒体结合单元MAU(Medium Attachment Unit)数字系统A／D转换器信号调理电路和传感器组成其中MAU电路通常与数字系统设计在一个圆形线路板上因此又称为“通讯圆卡”
MAU电路分为总线供电和非总线供电两种类型主要实现标准逻辑信号与传输介质上的物理信号之间的转换总线供电的MAU电路用于从总线吸收电流产生系统所需的工作电源而早期集成的MAU电路性能差功耗较大其设计思想是片内集成易于集成的器件(如运算放大器DC／DC变换器和基准源等)而较大数值的电阻电容和较大功率的电流调整管等器件仍使用分立元件MAU电路设计难点是在满足各项性能指标的前提下降低其自身的工作电流以提高能量利用率而西门子公司的SIMl是新型的集成化的MAU电路
SIM器件主要功能与使用
SIMl(Siemens IEC MAU)西门子现场总线MAU器件采用符合IEC—的曼彻斯特码技术最大数据传输速率． Kbit／s采用SMD housing MLPQ封装器件尺寸小SIMl的结构框图如图l所示
SIMl支持所有发送与接收功能吸收总线上附加电源电流并具有高阻特性采用两种稳压电源供电并允许电源具有电隔离SIMl具有以下主要功能支持所有发送和接收功能对来自总线的能量起到高阻抗退耦作用可连接所有曼彻斯特码编解码器符合IEC的曼彻斯特码技术MAU器件和通讯控制器之间集成接口逻辑降低电流消耗为用户提供稳定的输出电压电压设置范围~ V(误差+％)可用电流最高可达 mA闲聊(JABBER)禁止其接口逻辑是指从该器件到通讯控制器的接口采用以下种不同的工作模式
()不采用电流式隔离 如果特殊应用的器件的总线接口无需电流式隔离此时使使能信号GIM为低电平接收和发送信号未经处理和转换而通过其电路如图所示
()光耦隔离 为了得到数据和相关信号的线性电流式隔离使用不同的隔离器件和隔离电路常用方法是在每个信号端(TxSTxERxSRxA)放置光耦如图所示
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()功率隔离 使用功率隔离只需个光电耦合器数据被转换为脉冲调制信号如图所示此时使能信号GIM为高电平
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SIMl器件不仅能为内部器件提供电源供给满足电路自身的消耗还可根据用户需要为其提供稳定的电源电压其电路如图所示
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图中稳压器W产生的VCCD／VCCA作为数字电路和模拟电路的供电电压稳压器W从恒定电流中产生稳定电压VE而无需通过外部负载直接流向地稳压器W产生VREC为外部应用元件进行无漂移电源供给可驱动最大 mA的负载在打开外部电子设备供电后不能立即使用VE这样将破坏SIMl的启动SIMl启动后由RESETXN指示对外部设备供电如果VE降到％以下DC／DC转换器调制关断只有当VE达到％以上才能重新工作
DC／DC转换器采用电压转换模式使能信号VCM为高电平时DC／DC转换器控制输出SlSVCM为低电平时输出SS用高阻替换 DC／DC转换器通过开关S和S对固定负载的供电进行推挽式转换在推挽式电路中两个开关S和S交替导通在绕组W’和W’两端分别形成相位相反的交流电压Sl导通时二极管VD处于通态S导通时二极管VDIO处于通态当两个开关都关断时二极管VD和VDIO都处于通态如果Sl和S同时处于通态就相当于变压器一次绕组短路因此必须避免两个开关同时导通每个开关各自的占空比不能超过％并且要留有死区
闲聊(JABBER)禁止功能是指节点发生故障时中断数据流以避免整个网络阻塞如果信息时间超过～ ms传输将会中断同时RxS数据和RxA信号到节点的传输也被禁止．~． s后禁止被取消
SIMl器件典型应用
图为SIMl器件的典型应用电路该系统采用ARM核单片机STMFllRDT作为信号和协议的主要处理器件该款单片机引脚数目少器件体积小外挂EEPROM用于存储用户定义的信息基金会现场总线通信控制器FBC收发符合FF总线物理层标准的总线信号单片机接收及发送FF 总线数据通过其转换MAU部分主要由SIMl—器件完成该部分还包括少量总线接口电路图中的复位电路和 MHz晶振用于给STMFRDT单片机和FBC提供复位信号及系统时钟SIMl使用单独的 MHz晶振时钟另外STMFRDT单片机FBCSRAMEEPROM及传感器电路的电源由低压差稳压片(LDO)提供而 LDO的电源来自MAU电路(间接来自总线)即所有电源均由总线提供系统无需外接电源各个器件的连接方式可直接参照数据手册接收数据时通信控制器FBC通过SIMl—接收来自FF总线的数据帧提取出数据字段供上层进一步处理并保存到接收数据缓冲区CPU访问后将这些数据传递给单片机发送数据时单片机将发送数据交付给通信控制器FBC并保存到发送数据缓冲区在接到令牌后将其转为曼彻斯特码通过MAU单元发送到FF 总线上
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总线供电的现场总线仪表系统设计难点在于解决功耗与处理速度和处理能力之间的矛盾由于系统电路本身的消耗和接口电路的需要供给单片机通讯控制器MAU电路使用的电能很有限因此器件选型尤为重要现场总线的软件比较复杂庞大单片机必须要有足够的寻址空间ARM核单片机 STMFRDT其片上拥有 KB Flash存储器KB SRAM满足系统对寻址能力的要求通讯控制器采用FBC可满足高性能基金会总线网络主从设备的使用要求也适用于PROFIBUS—PA 总线的现场设备FBC内置 KB数据RAM和DMA控制器数据的接收发送地址表的查找均无需CPU大大减轻CPU负担满足处理速度的要求对于MAU电路除了要求较高质量的传输信号外还必须能高效率从总线上获取能量以维持仪表工作西门子现场总线MAU器件SIMl—不仅能满足以上性能指标而且工作电流的利用率较高自身功耗小
结束语
本文介绍一种新型的媒体结合单元电路器件SIMl的系统结构主要功能和系统应用在应用系统中用SIMl—器件替代分立元件有效地减小器件面积而且SIMl具有较高的传输质量能够降低其自身的工作电流提高利用率通信控制器FBC将RAM集成到器件内部减少线路板连线单片机STMFRDT引脚数目少减小了器件体积节约设计空间总之使通讯圆卡在器件数量和功能上相比原来的电路都有明显提高
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