杨 程，张焕欣，姜智锐，史雄伟，张晓冬

（1.北京广利核系统工程有限公司，北京100094；2.上海中广核工程科技有限公司，上海200241）

核电站DCS 应用PROFIBUS 现场总线可提高仪控系统的可靠性、安全性；克服DCS 系统的封闭性，降低成本提高电站的经济效益，减少运行、维修费用；有利于设计、维修和备品备件的管理，提高工作效率。PROFIBUS-PA 是PROFIBUS 用于解决过程自动化的一种方案。PROFIBUS-PA 具有总线供电、本质安全特征，可应用于有防爆要求的现场区域；其物理层符合支持总线供电的IEC61158-2 标准，该标准的通信速率固定为31.25 kb/s，采用曼彻斯特双相L 码编码方式[1]。

PROFIBUS-PA 总线接口电路的功能是实现PROFIBUS-PA 总线数据物理层转换和数据链路层编解码。总线接口电路主要有2 种方案：①FPGA（或MCU）+编解码ASIC+MAU-ASIC[2-6]——MAU-ASIC实现PA 通信数据的物理层转换，编解码ASIC 实现PA 数据的链路层编解码，FPGA（或MCU）实现控制功能；②FPGA（或MCU）+MAU 专用集成芯片[7]——MAU-ASIC 实现PA 通信数据的物理层转换，FPGA（或MCU）实现PA 数据的链路层编解码，同时实现控制功能。

当前市场上成熟的PA 产品使用较多的编解码ASIC 有西门子公司的SPC4 和DPC31，SMAR 公司的FB3050；MAU-ASIC 有西门子公司的SIM1-2[8]。然而，这些ASIC 基本均为进口芯片，价格较昂贵，可选型号有限，无法满足日益迫切的有国产化要求的应用。故在此提出了PROFIBUS-PA 接口电路设计方法，并采用国产FPGA 和MAU 自搭建电路实现。

1 总体方案设计

PROFIBUS-PA 接口电路的总体设计如图1所示。FPGA 为控制核心，实现PA 数据编解码；MAU电路实现PA 数据物理层转换。FPGA 与MAU 电路之间隔离。

图1 总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram

该方案采用MAU 自搭建电路实现PA 通信数据的物理层转换，国产FPGA 实现PA 数据的链路层编解码，同时实现控制功能。其中MAU 自搭建电路使用分立元件和常用的集成芯片实现，都有国产化型号可供选用。

2 FPGA 选型

FPGA 用于实现PA 数据曼彻斯特编解码。PA通信数据量小，通信速率较低（31.25 kb/s），因此选用通用的中低端FPGA 即可满足要求。该设计选用国产FPGA，GOWIN 公司GW2A-55 系列的GW2ALV55PG484I7，它具有54720 个LUT4（逻辑单元），41040 个FF（触发器），140 个Block RAM，最大用户引脚319 个，484-pin FBGA 封装，可满足应用要求。

3 MAU 电路设计

MAU 电路分为3 个部分：总线供电电路，PA 数据接收电路，PA 数据发送电路。关键器件（DCDC 电源模块、模拟开关、运放）都有成熟的国产器件可以选用。

3.1 总线供电电路设计

PA 总线上既有9～32 V 的总线供电电压，同时还叠加了通信数据信号。总线供电的PA 仪表以31.25 kb/s 的速率改变其从总线上吸收的电流，电流的变化在50 Ω 等效负载上产生的0.75～1.5 V 峰峰值的电压信号即为通信数据信号。因此，总线电源的设计需满足2 个功能：①为总线提供直流电压；②提供PA 设备数据收发时需要的动态电流。功能①要求总线供电电路能提供直流电压，使用低输出阻抗的DCDC 电源模块即可实现；功能②要求电源在信号频带内（7.8～39 kHz）呈现出高输出阻抗，使得发送仪表的电流变化能够在总线上产生出足够幅度的电压信号，为其他仪表所接收。总线电源的这种特性需要阻抗器实现[9-10]。

总线供电电路的设计如图2所示。隔离DCDC模块提供24 V 总线直流电压，隔离耐压DC 2 kV，最大输出电流625 mA。阻抗器由RLC 电路组成，可实现阻抗变换。PA 供电使能由FPGA 控制，用于控制总线电源通断，适用于某些不需提供总线电源的应用。终端匹配用于消除信号线上的反射。

图2 PA 总线供电电路Fig.2 PA bus power supply circuit

3.2 PA 数据发送电路设计

PA 设备在无数据发送时从总线上吸收固定的静态电流，一般约为10 mA。当PA 设备需要发送数据时，需要将±9 mA 电流调制到静态电流上以产生通信信号。因此，PA 设备上的总线电流应有3 种状态：无数据发送时电流为10 mA，发送高电平数据时电流为19 mA，发送低电平数据时电流为1 mA[11]。

PA 发送电路由基准电平选择电路和恒流源电路组成。其电路设计如图3所示。基准电平选择电路由多路模拟开关U1 实现，U1 的输入逻辑控制管脚C1 和C2 连接FPGA，可实现输出3 种不同的电压。恒流源电路由U3，Q1 和R1组成，电流值等于U1 输出电压与R1电阻的比值。因此，U1 输出1，1.9，0.1 V 时，恒流值分别为10，19，1 mA，对应的是静态电流、发送高电平数据时的电流、发送低电平数据时的电流；U2 为电压跟随器。输出逻辑和电压电流对应关系见表1。

图3 PA 数据发送电路Fig.3 PA data transmission circuit

表1 输出逻辑与电压电流的对应关系Tab.1 Corresponding relationship between output logic and voltage and current

3.3 PA 数据接收电路设计

PA 数据接收电路的功能是将总线上叠加在直流电压上的通信数据信号分离出来，并且转换成FPGA 能够识别的电平信号。该电路如图4所示。通信数据信号是叠加在24 V 直流电压上的峰峰值为0.9 V，频率为31.25 kHz 的交流电压信号。因此需要设计带通滤波器滤除直流信号和高频干扰，然后经过2.5 V 基准电压（U1）抬升后信号正峰值约为2.95 V，负峰值约为2.05 V。最后通过2.5 V 基准比较器（U4）输出FPGA 能够识别的电平信号。其中U2，C1，C2，R1，R2组成高通滤波器，截止频率为5.38 kHz。U3，R3，R4，C3，C4组成低通滤波器，截止频率为54.9 kHz[12]。

图4 PA 数据接收电路Fig.4 PA data receiving circuit

4 软件设计

FPGA 软件实现PA 数据曼彻斯特编解码。PA 解码处理流程如图5所示。编码流程与解码类似。

图5 FPGA 软件处理流程Fig.5 FPGA software processing flow chart

5 方案验证与应用

在此介绍的PROFIBUS-PA 现场总线接口电路可应用于PA 设备的产品设计，包括PA 主设备（如DP/PA 耦合器）和PA 从设备（如PA 变送器、PA 执行机构）。PA 设备在PROFIBUS 系统中的位置如图6所示。

图6 PROFIBUS-PA 设备在PROFIBUS 系统中的位置Fig.6 Position of PROFIBUS-PA equipment in PROFIBUS system

该接口电路已在上海中广核工程公司设计的DP/PA 耦合器中应用。经过测试，该DP/PA 耦合器可以与PA 从设备正常通信，测得的PA 总线信号波形如图7所示，信号符合IEC61158-2 标准要求，满足核电站DCS 系统的应用要求。

图7 PROFIBUS-PA 总线信号实测波形Fig.7 Measured waveform of PROFIBUS-PA bus signal

6 结语

PROFIBUS 现场总线技术在当今核电行业应用日益广泛。在此介绍了一种PROFIBUS-PA 总线接口电路，采用国产FPGA 和自搭建MAU 电路实现，接口电路中所有关键器件都可选用国产器件，解决了使用进口专用集成芯片带来的价格昂贵，可选芯片单一的问题。该接口电路在PA 耦合器产品上进行了测试，测试结果符合标准要求，为核电站DCS PROFIBUS-PA 设备的产品设计提供了国产化解决方案。