摘　要：针对基金会现场总线的通信特点和要求，基于PCI接口和单片无线收发芯片nRF401，提出基于FF协议的无线PC接口卡的软硬件设计方案。根据该方案设计的无线PC接口卡，很好地解决了控制结点分布广、敷设通信线路困难的生产装置或有移动对象的工业现场的局部网络通信问题。

    关键词：基金会现场总线；PCI；PC接口卡；无线收发芯片

    0　引言　　

    基金会现场总线(FF，Foundation FieldBus)是现场总线基金会为适应自动化系统，特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的，它作为一种全数字信号的现场总线协议，在国际上获得了广泛的支持[1]。基金会现场总线支持多种传输介质，包括双绞线、电缆、光纤以及无线介质，目前应用较广泛的是前两种。但是，对于控制结点分布广、敷设通信线路困难的生产装置或者有移动对象的工业现场，则必须考虑以无线方式进行数据通信[2、3]。因此，开发基于FF协议的无线通信产品具有重大的现实意义。

    1　基于FF协议的无线PC接口卡的硬件设计　　

    基于FF现场总线协议的无线PC接口卡的基本功能是能够自主地与符合FF协议的无线通信设备进行通信。无线PC接口卡的总体结构框图如图 1所示，其硬件电路包括CPU与PC主机CPU的通信接口、CPU与通信控制器的硬件接口、通信控制器与数据缓冲存储器的接口、通信控制器与无线收发单元的接口等4个部分。其中双口RAM采用CY7C09449PV－AV芯片；CPU选用嵌入式控制中最常用的Intel80188CPU；通信控制器选用SMAR公司的FB3050；无线收发单元由单片无线收发芯片nRF401及其外围电路构成。

    1.1　接口卡CPU与PC的接口

    随着计算机技术的发展，PC总线日新月异。 PCISIG(Peripheral Component Interconnect Special Inter－est Group)因其具有32/64位宽度、最高传输率在64业标准结构)总线的趋势，考虑到当前需求及今后发展，在宿主总线的选择上采用PCI总线。硬件接口芯片为Cypress Semiconductor公司的PCI总线双口RAM。CY7C09449PV－AC是一款适于PCI2.2总线规范的功能完善、价格低廉的双端口RAM接口芯片，其中一个端口是PCI接口，适合与PC机通信，另一个端口是本地接口，适合与各类本地CPU通信，其总线通信时钟速率可达50MHz，两个端口均可以独立读/写静态存储器SRAM。其主要特点如下：①完全兼容PCI规范2.2版本；②128 k双向静态SRAM；③可作为主/从设备进行数据的传输，支持PCI突发方式工作及DMA操作；④具有I2O(Intelligent Input/Output)功能，当I2O单元工作时包含4组32位FIFO(FirstIn First Out)、中断寄存器及部分SRAM，其余SRAM用于一般存储目的；⑤支持3V、5V电压工作；⑥可通过I2O总线对芯片进行初始化设置，并把设置参数存于非易失性NVRAM中；⑦160脚扁平方形塑封[4]。

    CY7C09449PV－AC可以采用总线仲裁加等待的方式，允许两边CPU在指令级共享SRAM，允许两边的CPU相互通过中断交换信息，还允许通过状态信号相互同步。在此采用状态寄存器及中断的方式进行通信握手并快速传递数据。

    1.2　接口卡CPU与通信控制器FB3050的接口　　

    FB3050是SMAR公司推出的第三代基金会现场总线通信控制器芯片，该芯片符合ISASP50－2－ 1992，PART2中所规定的现场物理层标准。FB3050芯片功能框图如图2所示。从图中可以看出FB3050通过3总线与CPU相连接，右边部分是FB3050输出的存储器总线，CPU和FB3050二者都能够通过存储器总线访问挂接在该总线上的存储器。下边部分是FB3050通过介质存取单元和现场总线网络相连接，中间部分是FB3050的内部功能块。FB3050的主要功能是实现总线上的信号驱动与接收、传输数据的串并行转换、串行数据的编码与解码、信息帧的打包和解包、帧校验序列的产生和验证等[5]。

    FB3050的对外信号主要可分为如下4组：　　

    ①时钟和定时功能信号。3个输入分别用于FB3050的系统时钟、传输数据速率时钟以及规定FB3050的系统同步沿。一个125kHz输出信号供用户线路中使用。

    ②CPU接口信号。CPU接口信号线用于连接接口卡微处理器，包括16位地址线，8位数据线，可采用数据/地址复用方式连接，也可直接连接，当采用数据/地址复用方式连接时，低8位地址线PI－AD－DR[7∶0]接信号地，包括两条片选线，两条读写控制线，中断请求输出线；另外包括一条PO－READY线，可与微处理器的WAIT线连接，使得FB3050的DMA和CPU能够共享FB3050的局部存储器总线。

    ③存储器总线信号。本组信号是通过FB3050对CPU的地址总线进行变换后所产生的一组存储器总线，变换后的存储器总线增加了8条扩展存储器地址线，配合使用FB3050内部增加的段地址寄存器，使得存储器总线的寻址范围大大超出了原CPU的64KB容量，另外还输出6条可编程的片选信号。因此这组存储器总线和所挂接的存储器是CPU和FB3050共享的。

    ④现场总线接口信号。FB3050共有8条现场总线接口线，一条接收数据的信号线PI－PHPDU，接收来自介质存取单元的总线信号，接收的数据信号格式符合总线曼彻斯特编码规则，一条发送数据的信号线PO－PHPDU，发送数据到介质存取单元，一条控制总线发送器工作状态的控制线PO－TACT，5条状态信号线用于指示FB3050的发送接收情况。

    由于FB3050的接口设计上已经充分考虑了和Intel系列CPU接口的问题，因此FB3050和In－tel80188的接口是非常简单的。Intel 80188的地址总线数据总线可以直接和FB3050的地址数据总线相连接，4条片选线MCS0～MCS3中的任一条都可以作FB3050的存储器片选线。7条I/O片选线PCS0～ PCS6中的任一条都可以作为FB3050的内部存储器片选线；FB3050内部共需要38个I/O口地址，而In－tel 80188每条I/O片选线可以提供128个I/O口地址，因此完全可以满足要求。FB3050的中断输出为低电平有效，而Intel80188CPU的中断输入线需要高电平或上升沿信号，因此需要加一反向器。FB3050的READY输出线可以直接接到Intel80188的AREADY引脚上，使得FB3050的DMA和CPU能够共享FB3050的局部存储器总线。Intel80188的时钟输出信号可以直接作为FB3050的系统时钟输入。

    1.3　FB3050与无线收发单元的接口

    无线PC接口卡的无线收发单元的基本功能是发送和接收符合FF规范的无线信号，它是FF信号能否实现正常通信的关键。其主要器件是单片无线收发芯片nRF401。nRF401是NORDIC公司最新推出的工作于ISM频段(433MHz)的单片无线收发一体芯片。它是目前集成度最高的无线数传产品，20脚双列直插封装。nRF401内部包含高频接收/发射、PLL合成、FSK调制/解调和双频切换等单元。

    该芯片有如下特点：FSK调制方式，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业场合；采用DSS＋PLL频率合成技术，频率稳定性极好；灵敏度高，达到－105dBm；无需曼彻斯特编码；工作速率最高可达20kb/s；最大发射功率达＋10dBm；开阔地的使用距离最远可达1000m；工作在ISM频段433MHz和双信道频率433.92MHz/433.34MHz，使用不需要申请许可证[6]。

    利用nRF401实现的无线收发单元与FB3050接 口电路原理图如图3所示。其中，无线收发单元的天线设计采用环形差分天线。nRF401的时钟输入要与CPU和FB3050同步，因此nRF401必须与CPU和FB3050共用一个时钟源。nRF401芯片的数据输出(DOUT)/输入(DIN)与FB3050的接收输入(PI－PHPDU)、发送输出(PO－PHPDU)信号线相连接；接FB3050的数据发送允许信号引脚PO－TACT，当PO－TACT输出为高电平时为发送模式，反之为接收模式；CS为频率选择引脚，接PCB跳线，由高低电平选择所使用的频率；PWR－UP为节电模式选择信号引脚，也接PCB跳线，高电平时为工作模式，低电平时为待机模式。

    2　软件设计　　

    无线PC接口卡的软件采用嵌入式设计方法进行设计。其基本工作过程为：当外部有信号时，无线收发单元首先接收信号并发送给通信控制器FB3050，通信控制器接收并发给接口卡上的接收缓冲区，然后通过接口卡上的CPU进行应答。能处理的命令、数据立即处理，其余内容通过PCI双口RAM接口传给上位机处理。反之，当上位机需要发送信息到基于FF的无线网络时，信号先通过PCI双口RAM，再经接口卡CPU传递至通信卡发送缓冲区，最后由通信控制器将发送缓冲区中的内容通过无线收发单元发送给无线网络。

    其中FF通信控制器FB3050经无线收发单元接收报文以及将报文发送给无线收发单元均采用DMA方式。FB3050拥有一个直接内存存取表，从而极大地方便了接收及发送工作。利用这个DMA表，FB3050能够将接收信息直接存入内存，或从内存中发送信息，而不需要CPU的干预。

    在接收时使用者只需要指定接收缓存区的内存区域，FB3050自动将信息按顺序存入缓冲区。缓冲区是一个循环连续空间，所以当数据(信息)存入缓冲区末尾时，FB3050将返回到缓冲区起始位指针并继续写下一个已接收字节。缓冲区需要4 KB或更大空间。在发送时使用者只需要指定信息的开始指针的长度，FB3050在接收到发送命令的同时发送此信息到无线收发单元，再通过无线收发单元传送到FF无线网络上。

    3　结束语　　

    根据以上方案设计的基于FF协议的无线PC接口卡，很好地解决了控制结点分布广、敷设通信线路困难的生产装置或者有移动对象的工业现场的局 部网络通信问题。在抗干扰能力、实时性、可靠性等方面基本满足工业控制要求。随着技术的成熟和更加广泛的应用，工业控制系统的发展趋势必定是由有线网络向有线无线混合网络发展。基于FF的无线网络产品的软硬件的开发，必将推动工业控制网络的广泛应用，并将产生巨大的社会及经济效益。