基于电流合成的现场总线发送电路设计

辛晓宁,李超

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院,辽宁 沈阳 110870)

基于电流合成的现场总线发送电路设计

辛晓宁,李超

(沈阳工业大学 信息科学与工程学院,辽宁 沈阳 110870)

文中给出了一种基于BCD350工艺的现场总线MAU芯片的恒流控制和信号发送电路设计方法。该电路可通过外部电阻设定静态电流,并用过电流合成的方法实现对称和非对称发送模式自动转换。HSPICE仿真表明,电路的恒流特性和发送信号波形满足现场总线通信协议要求。

现场总线；MAU；发送电路；电流合成；通信协议

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［1-2］。介质结合单元［3］（Medium Attachment Unit—MAU）负责内部数字电路与总线的数据转换及能量获取。总线供电的仪表在空闲状态下从总线上吸收恒定的电流,在发送信号时,通过改变从总线上获取的电流,实现内部数字信号到总线信号的转换。现场总线通信协议［4］IEC1158-2对MAU电路的恒流特性及发送信号的波形均有严格要求,该电路是设计MAU芯片的关键。由于用户对MAU芯片高性能、低功耗的需求和其芯片本身系统复杂性的原因,使其芯片集成设计存在诸多难点。国内市场现有对介质结合单元的设计产品还停留在由单片机结合分立器件组建其系统的阶段,并没有相应的集成芯片产品。而国际市场上也仅有西门子生产的SIM1-2芯片能够实现MAU功能。因此,实现MAU的集成设计存在广阔的市场空间。本文重点讨论总线供电型MAU芯片中的恒流控制电路和发送电路的设计及实现方法。

1 电路功能、结构及具体模块的实现

1.1 MAU电路的设计需求

未进行数据传输时,芯片处于空闲状态,MAU从总线上吸取的恒定电流,称为静态电流,该电流也芯片的工作电流。MAU设计要求,总线静态电流可由外部电阻决定,且满足关系式:RIQ［MΩ］=0.05*IQ［mA］,100 kΩ≤RIQ≤2.5 MΩ。

在通信协议中规定,总线电流的摆幅必须设置在7.5～10 mA之间。信号摆幅过小,导致信号较弱,不利于信号的接收；而信号摆幅过大,会导致总线系统不稳定,不利于现场总线上其他信号的传输。因此本次设计采用摆幅为±10mA的发送信号。

进行数据传输时,芯片处于发送状态,MAU以31.25 kHz的速率和典型值为±10 mA的摆幅改变从总线上吸取的电流来发送信号。发送状态下,MAU存在对称调制和非对称调制两种波形模式,（如图1所示）。当静态电流时,以值为中心值, ±10 mA摆幅,产生以值为中心对称的信号波形,称此时MAU处于对称调制模式；反之称为非对称调制模式。非对称调制模式的提出是为了缓解总线供电压力,降低芯片自身的功耗,使MAU芯片工作电流小于10 mA时仍能实现信号的发送。

图1 MAU两种波形模式Fig.1 Two waveform modes of MAU

1.2 总体结构和各模块基本功能

发送电路设计基于BCD350工艺,按照MAU芯片功能及通信协议要求,其系统电路结构如图2所示,实现控制MAU对总线电流的吸取,最终达到信号发送的目的。

为实现芯片的启动,并顺利进入稳定的工作状态,设计了如图2所示的由恒流源IS1和IS2、稳压管D0、耐压40 V耗尽型MOS管M0和M1组成的启动电路。起到初始稳压源的作用,在启动时提供约为5 V电压。当芯片系统逐渐进入稳定状态时,稳压电路提供电压VE约为6.3 V,启动模块不再提供工作电流。因此系统达到稳定状态后,启动电流I0会变得很小,可忽略不计。

图2 MAU发送电路的系统电路结构图Fig.2 System circuit diagram of MAU transmitter

由闭环网络,达到保证总线恒定电流的目的。通过将波形设置单元的电流合成信号加入反馈网络,实现电路对总线电流吸收的控制,达到控制信号发送的目的。

1.3 总线静态电流的实现

电流检测对实现电流反馈闭环控制和系统保护来说很重要。低端电流检测虽然易于实现,但会导致系统稳定性差。为实现系统的稳定性,采用高端电流检测［5-6］。应用电阻网络分压法解决高端电流检测带来的高共模输入信号问题。电流反馈闭环控制网络结构如图3所示。

图3 闭环网络结构图Fig.3 Closed loop diagram

图3 中,RSENSE是阻值为10 Ω的外接检测精确电阻。设计中r阻值很大,确保流经,R3电阻电流较小,可忽略不计。根据电路可知,

由图2可知电路总线电流大小为,

根据公式（2）,合理设计电压值,即可控制空闲状态时静态总线电流值；周期性改变幅值,即可实现总线电流的变化,实现的信号发送。

1.4 电流合成单元

由图1可以看出信号发送时,会出现3种档位电流值。结合公式（1）,需要设计出至少3个可选择档位的电压值,才能实现信号的发送。

传统实现电压变化的方式如图4所示,由选择器选择开关档位,实现不同电平的转换,完成信号的发送。这种电路结构只能实现对称与非对称调制模式之中的一种,无法实现二者兼顾。

图4 电压选择方式单元原理图Fig.4 Voltage selection schematic

为了实现对称与非对称调制模式自动转换,完成总线静态电流IQ由用户根据系统供电需求进行合理设置的要求,设计了一种基于电流合成的单元原理图,如图5所示。

图5 电流合成方式单元原理图Fig.5 Current synthesisschematic

I1为模式转换补偿电流,且其值随VIQ大小改变:

I2为数字信号控制电流,由开关K2、K3决定其电流方向；I3为修调补偿电流,由开关K4、K5决定其电流方向。发送使能TXE和发送信号TXS共同决定开关档位。空闲状态时,TXE= 0时,K1闭合,K2～K5均断开；发送状态时,TXE=1,K1断开,此时TXS=1,K2断开K3闭合,TXS=0,K2闭合K3断开。

空闲状态时:TXE=0,此时

当VIQ≥0.5 V时,VR=Vt=VIQ

当VIQ＜0.5V时,Vt=VIQ+I1R2=0.5 V,VR=0.5-I1R1=VIQ

即空闲状态时,VR=VIQ

发送状态时:TXE=1,忽略修调电流的作用,

当VIQ≥0.5 V时,VR=VIQ,因此

TXS=1,VH=VR+I2R1；

TXS=0,VL=VR-I2R1

当VIQ＜0.5 V时,VR=Vt=0.5 V,因此

TXS=1,VH=0.5+I2R1；

TXS=0,VL=0.5-I2R1

电流合成单元实际电路如图6所示,该单元能够实现由外接电阻RIQ设置总线静态电流IQ值,以及对称模式和非对称调制模式之间的自动转换。

图6 电流合成单元电路图Fig.6 Current synthesis unitcircuit

Vs为芯片内部带隙提供的0.5 V基准电压。电阻R2=R3= r0（r0为图5中的阻值）。TXE为发送使能信号端口,空闲状态TXE=0,发送状态TXE=1。VIQ电压值由外部电阻RIQ决定,

Ibias为芯片内部提供的1 μA基准电流。模式转换单元电路工作原理如下:

1）空闲状态时,TXE=0,M12导通,电流I1存在；

①当RIQ≥500 kΩ时,芯片为对称调制模式,由公式（4）,VIQ≥0.5 V,即VIQ≥Vs,电阻R3处无电流产生,电路中无镜像电流,

在不考虑修调的情况下,由公式（3）（4）（5）得Vout值,

②当100 kΩ≤500 kΩ时,芯片进入非对称调制模式, VIQ＜500 mV,可知通过电阻的电流及其镜像电流大小为（Vs-VIQ）/R3,此时,

此时VR处电压由公式（3）（7）（8）可知

由公式（6）（9）可以看出,在空闲状态下,

可以实现图5中的原理设计,并实现由外接电阻决定总线静态电流的要求。

2）发送状态时,此时TXE=1，M12关断,I1=0；

①当RIQ≥500 kΩ时,芯片为对称调制模式,且不考虑修调的情况下,由公式（3）（6）可知,

②当100 kΩ≤RIQ＜500 kΩ时,芯片进入非对称调制模式,由公式（3）（7）得,

公式（11）（12）可以看出设计中实现了图5的原理功能,能够实现对称调制模式与非对称调制模式之间的自由转换的设计要求。

图5中I2数字信号控制电流由图7结构产生,功能是将数字通信信号转换为模拟电流形式,进行发送数据的转换。采用采用电流舵结构易实现模拟与数字电路兼容,且电流建立时间较小,转换速度快。并且实现控制电流方向的作用。

图7 简单电流舵结构图Fig.7 Current-steering diagram

K2与K3为发送信号TXS产生的不交叠时钟信号,I2处会随时钟信号的变化产生方向相反大小相同的±Iss电流,且设计其大小为

I3修调补偿电流是解决集成电路自身工艺缺陷导致设计参数存在偏差的问题。本次设计修调电路采用开关树形修调网络,占芯片面积小,且易于实现。其控制电流方向电路与电流舵结构类似。

1.5 整体电路

由各单元原理分析,推导总线电流公式:

1）空闲状态时,静态电流设置公式由公式（1）（2）（10）可知,

Ire=I3/5为修调补偿电流。若不考虑修调电流,则该公式满足MAU发送电路功能中设定条件:

2）发送状态时,忽略修调电流,电流波形公式:

①对称调制模式,由公式（2）（11）（13）,

②非对称调制模式,由公式（2）（12）（13）,

从公式中可以看出发送信号波形满足两种调制模式的设计要求。

2 整体电路HSPICE仿真测试结果

图8上图为对称调制模式,图8下图为非对称调制模式。

图8 仿真发送电路的信号波形（电流）Fig.8 Signal waveform of transmitter（Current）

MAU发送电路功能图如8所示,电路能够实现对称调制模式,以及非对称调制模式,并且能够实现通过改变外部电阻阻值,设置总线静态电流的目的。图9为发送信号的波形图,结合表1中MAU主要技术指标和IEC1158-2协议中关于信号波形的主要参数指标,证明该电路产生的信号波形完全满足通信协议要求,并优于协议要求。

图9 仿真发送电路的信号波形局部放大图（电压）Fig.9 Signal waveformamplified of transmitter（Voltage）

表1 IEC61158通信协议主要参数指标Tab.1 IEC61158 communication protocol main parameters

3 结束语

文中以闭环负反馈网络为基础,应用电流合成原理,从系统设计、关键模单元计等方面介绍了一种基于电流合成的现场总线MAU芯片发送电路的设计,最终给出发送信号波形原理的推导公式。利用HSPICE仿真测试验证了电路设计的正确性,实现了由用户决定芯片工作电流值的要求,并完成了10mA以上对称模式和10mA以下非对称模式的自由转换,且使发送信号波形满足通信协议IEC1158-2要求。此发送电路对实现现场总线技术中发送信号的设计有一定的借鉴作用,工程实用价值显著。

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Design of fieldbus transmitter based on current synthesis

XIN Xiao-ning,LI Chao
（Information Science and Engineering School,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China）

In this paper，it shows a design based on BCD350 process，that constant current control and signal transmission circuit of fieldbus MAU chips.The quiescent current of this circuit can be set by an external resistor，and circuit supports symmetric and asymmetric transmission mode by current synthesis.HSPICE simulations show that the constant characteristics of the circuit and the signal waveform of transmission satisfy fieldbus communication protocol requirements.

fieldbus；Medium Attachment Unit(MAU)；transmitter；current synthesis；communication protocol

TP212

：A

：1674-6236（2015）18-0153-04

2014-11-28稿件编号：201411246

辛晓宁（1965—）,男,辽宁沈阳人,博士,教授。研究方向:大规模集成电路和SOC的低功耗设计方法。