［摘 要］本文在简介FIND1现场总线通信控制器芯片的基础上，针对现场总线仪表同步通信电路的设计，讨论了FIND1与CPU接口电路及MAU的设计方案及电路实例，并给出通信程序与自诊断程序的设计方法。
［关键词］现场总线通信控制器；同步通信；介质互连单元MAU
1引言
分布式全数字现场控制系统的重要特征之一是现场仪表设备之间的信息传输方式为数字通信方式。欲以数字信息传输方式取代流行已久的4～20mA标准模拟信息传输方式，各种现场总线仪表均需配置符合协议标准的通信电路。
现场总线物理层应实现二进制信号和传输介质上传输信号的转换，编码／解码、数据发送／接收、同步信息的自动添加和检测等功能。采用功能丰富，符合现场总线标准的现场总线通信控制器集成芯片，这是实现物理层诸功能的首选方案。
2现场总线通信控制器FIND-1
FIND-1是横河公司推出的一种现场总线通信控制器芯片，其功能模块如图2—1所示。采用PLCC小封装形式，功耗低于3.5mW，数据传输速率为3125kbps低速现场总线通信速率，自动曼彻斯特编码／解码，自动添加、检测前导码、开始符、结束符等同步信息，可进行输入信号的自动检测和极性校正，信号驱动有允许和叠加两种方式，自动计算和校验16位帧校验序列码，有发送器“闲聊”禁止电路，有内部和外部自回环功能；可直接与Intel或Motorola类型的微处理器接口，有内部发送FIFO和接收FIFO数据缓冲器，有8位定时器，带编程除法因子。
FIND-1的内部结构分为物理层和数据链路层两部分。利用FIND-1构成完整的同步通信电路，需设计与CPU接口和传输介质接口两个接口电路。
3与CPU接口电路设计
若将FIND-1的处理器类型选择端MPUTYP置高，可与Motorola微处理器接口。与Intel微处理接口，需将MPUTYP端置低，读写控制信号为RD和WR。若为采用Intel 8098单片机的现场仪表设计通信电路，应将FIND-1的MPUTYP端接地，如图3—1所示。
FIND-1的地址总线与P4口的低4位相连，映射FIND-1的14个内部寄存器。FIND-1进行内部数据传输时，不允许外部CPU对其进行读写操作，而状
态寄存器除外。以RDY信号和状态寄存器‘忙’标志表明是否可以读写FIND1的内部寄存器。宜采用读内部状态寄存器的方法确定有效的读写时刻。
FIND-1的时钟可取1、2、4、8MHz 4种之一。提高时钟频率可获较高存取速度。要求低功耗场合应取较低时钟频率。时钟电路如图3—2所示，其输出频率由石英晶体的谐振频率fs决定。C1是两个反相器之间的耦合电容。C2可抑制高次谐波。IC3增加带负载能力。
4介质互连单元设计
介质互连单元MAU是FIND-1与传输介质的接口，其电路信号转换如图4—1所示。FIND-1的数据发送信号TxS通过MAU电路中的驱动器产生差动信号，送至传输介质双绞线上。双绞线上的差动信号被MAU电路中的差动接收电路接收，转换成TTL电平输入到FIND1的接收数据信号端RxS。
FIND-1在发送缓冲器中的数据之前，先发送前码和起始符，分别具有“位”同步和“字符”同步的作用。信号经过曼彻斯特编码后，每一位中间的跳变不仅表示信号‘0’或‘1’，而且包含了同步时钟信息。
在‘允许’方式下，发送数据允许端TxE变为低电平。FIND1向总线发送数据过程中，串行数据被发送，MAU进行电平的转换。数据发送结束后，TxE上升为高电平，差动驱动器停止工作。
差动接收器将总线上差动信号转化成TTL电平，并通过载波检测电路监视总线活动。FIND-1只有在总线活动检测信号RxA为高电平，即总线上有设备发送数据时，才激活内部的数字锁相环电路和曼彻斯特解码电路，建立起位同步和字符同步之后，开始数据的接收。
MAU电路原理如图4—2所示。FIND-1通常工作在半双工方式，而在数据发送周期仍须监视RxA信号，判断总线是否异常，所以介质驱动／接收器必须是全双工的。收发合一的介质驱动／接收器75176在同一时刻只能发送或接收，使用两片75176相互配合，实现全双工的收／发驱动电路。
载波检测电路使用再触发单稳触发器74LS123监视接收数据线RxS，其输出作为FIND-1总线活动检测信号的输入。当74LS123输入满足跳变条件时，其输出从稳态(低)跳到暂稳态(高)，RxA信号变为有效。该正脉冲输出宽度由C和R决定，若在07RC时间内RxS有新的跳变，则74LS123输出维持高电平，RxA信号仍然有效。否则，74LS123输出回到稳态，RxA信号无效。从总线上接收的是曼彻斯特编码信号，每一位的中间均发生跳变，可使载波
检测信号总维持高电平，直到数据帧结束，双绞线上信号平静，RxA才回低电平。偶尔的干扰信号不会被错误接收。
利用高速光耦6N137进行电信号隔离，提高仪表和总线的安全性。
5通信程序
通信功能包含数据发送到介质上和从介质上接收数据两种通信过程，为此应提供两种通信程序。FIND-1的14个内部寄存器在通信过程中起重要作用，如：控制寄存器控制发送、接收、中断；状态寄存器表示发送、接收准备状态、内部数据总线状态、载波检测等。此外还有方式、数据、中断状态、错误状态、中断屏蔽、错误屏蔽、发送长度、复位、位定时、FIFO控制、FIFO状态等寄存器。
发送数据之前，须初始化各种寄存器，清除发送FIFO中的数据，给发送长度寄存器赋值，检测总线上存在有效信号否。发送数据可采用查询方式或中断方式。前者通过检测状态寄存器发送准备好位，确定可否给发送FIFO送数据。后者是在发送FIFO中的数据少于阈值规定时产生中断，在中断程序中给发送FIFO送数据。图5—1给出中断方式的发送程序流程图。接收过程的准备工作包括对寄存器的初始化，清除接收FIFO中的数据，置控制寄存器的接受允许位等。同样可以采取查询和中断的方法接收数据，如果接收到总线上的有效数据，则状态寄存器的接收准备好位被置位，数据达到接受FIFO阈值后产生中断，要求CPU从接收FIFO中读取数据。接收数据程序流程图略。
6自诊断程序
通信功能自诊断任务是对FIND-1芯片和对MAU电路进行诊断。
FIND-1芯片的诊断是检验FIND-1内部功能及与CPU的接口电路。将FIND-1工作模式设置为全双工，内回环方式，可以进行芯片功能诊断，发送的数据帧不通过外部电路直接到达芯片内部的接收电路。由上述发送和接收数据的过程中，数据传输是否正确，各寄存器状态标志是否符合逻辑，可判断芯片内部功能及与CPU接口是否正常。FIND-1芯片自诊断程序流程如图6—1所示。
在诊断FIND-1的基础上，检验MAU电路及通信介质的工作情况。将FIND-1设置为全双工，非内回环方式，通过数据的发送和接收可以检验通信电路的状态。其数据流通过程：FIND-1发送的串行数据经过MAU电路和传输介质后被MAU电路中的接收电路接收并送往FIND-1。通信电路自诊断程序流程图略，它与FIND1自诊断程序的主要区别在于工作模式设置不同。
7结语
本文所述内容不仅可应用于各种智能现场总线仪表，还可用于现场总线控制系统中监控计算机之智能通信插卡的设计工作。
应用FIND-1设计实现同步通信功能的设计方法，可供采用其它通信控制器芯片的设计者借鉴。
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