帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)開發(fā)

　　0 引言

　　當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展日新月異，應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛，從家庭、能源、樓宇，到工業(yè)現(xiàn)場。為了適應(yīng)市場的需要，國內(nèi)外各大公司紛紛推出新一代的、各具特色的智能化流量儀表，其中結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)的智能電磁流量計(jì)的開發(fā)尤為引人注目。PROFIBUS作為目前主流總線之一，包括三種類型：DP、PA和FMS。這三種類型均使用統(tǒng)一的總線訪問協(xié)議，其中P R 0 F I B U S-DP(decentralized periphery)采用經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級的分散I／O之間通信設(shè)計(jì)，能滿足分布式控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性要求。隨著PROFIBUS-DP系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，用戶及研究部門都有自主研發(fā)或特殊調(diào)試的需求，下面將介紹結(jié)合智能化技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　常用現(xiàn)場儀表系統(tǒng)的處理任務(wù)簡單，往往使用一個(gè)CPU加一系列外圍輔助電路就能達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)功能。采用雙CPU可以根據(jù)系統(tǒng)的總體功能要求進(jìn)行合理的分工，各自完成不同的控制和處理功能，可以適當(dāng)?shù)睾喕布娐泛蛙浖Y源的分配，設(shè)計(jì)相對獨(dú)立，程序的修改和移植也變得容易。此系統(tǒng)采用了雙CPU設(shè)計(jì)，如圖1所示。16位單片機(jī) MSP430F149是電磁流量計(jì)的核心部件，實(shí)現(xiàn)信號的采集處理、LCD顯示、存儲及與8位單片機(jī)PIC18F4520進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 PIC18F4520和PROFIBUS現(xiàn)場總線專用協(xié)議芯片SPC3是PROFIBUS-DP接口部分的核心部件。PIC18F4520負(fù)責(zé)與 MSP430F149交換數(shù)據(jù)及與SPC3通信等功能的實(shí)現(xiàn)，SPC3負(fù)責(zé)把主站送來的數(shù)據(jù)拆包，送往PIC18F4520，同時(shí)把PIC18F4520 送來的數(shù)據(jù)打包，上傳給主站。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，電磁流量計(jì)的硬件部分主要由傳感器、電源系統(tǒng)、信號處理電路、勵(lì)磁電路、單片機(jī)系統(tǒng)和總線接口電路組成。

　　2．1 傳感器及電源系統(tǒng)

　　傳感器直接由廠家制作，在此不再贅述。本系統(tǒng)所用電源電壓種類不一，特別設(shè)計(jì)流量計(jì)專用電源系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用5V供電，而MSP430F149采用 3．3V電壓供電?？紤]到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)，因此該硬件系統(tǒng)的3．3V電源部分采用TI 公司的TPS76033芯片實(shí)現(xiàn)。

　　2．2 勵(lì)磁電路

　　低頻矩形波勵(lì)磁電路一般采用分頻芯片對工頻電源進(jìn)行降頻處理，再經(jīng)過開關(guān)管進(jìn)行功率放大，此種電路難以針對梯形波的斜邊進(jìn)行線性放大，而且勵(lì)磁頻率單一，不能通過軟件編程修改勵(lì)磁頻率。因此，本系統(tǒng)采用三值梯形波勵(lì)磁方式。采用16位D／A轉(zhuǎn)換芯片DAC7731通過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC245與MSP430F149單片機(jī)的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵(lì)磁信號。此勵(lì)磁信號產(chǎn)生電路，通過MSP430F149單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵(lì)磁頻率，為電磁流量計(jì)選擇不同的勵(lì)磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分，采用互補(bǔ)對稱式功率放大電路。通過運(yùn)算放大器對勵(lì)磁信號電壓放大，兩級互補(bǔ)對稱功率放大電路對勵(lì)磁信號電流放大，之后輸入電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈，作為勵(lì)磁電壓。此電路可線性放大梯形波斜邊部分，滿足了梯形波勵(lì)磁方式的要求。

　　2．3 信號處理電路

　　信號處理電路采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835AN來實(shí)現(xiàn)線圈內(nèi)的勵(lì)磁電流信號與兩電極輸出流量信號相乘，AD835具有很高的差分輸入阻抗，不需外接阻抗變換電路。乘法器輸出信號經(jīng)過放大與電平的提升，再先后經(jīng)過高低通濾波器后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。高低通濾波器截止頻率分別為0．33 Hz和126 Hz。

　　2．4 單片機(jī)系統(tǒng)

　　本測量系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為MCU，與晶振輸入模塊、復(fù)位電路、LCD顯示模塊、鍵盤模塊和Microchip公司的PIC18F4520共同構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。兩個(gè)CPU之間通過三極管電路實(shí)現(xiàn)串口通信。系統(tǒng)的鍵盤模塊采用獨(dú)立按鍵式鍵盤。由3個(gè)獨(dú)立按鍵分別與3只上拉電阻共同和MSP430的P1．1、P1．2和P1．3相連，并將這三個(gè)端口設(shè)置為上升沿中斷使能的方式，利用中斷處理程序來判斷鍵盤輸入。