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智能電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理
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(chǔ)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)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,。考慮到硬件系統(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。
2．5 PROFIBUS-DP通信接口
PROFIBUS-DP通信接口開發(fā)中使用PIC18F4520作為處理器單元管理通信事務(wù),，SPC3協(xié)議芯片則完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和收發(fā)功能,。PIC18F4520與SPC3之間的連接如圖2所示。SPC3接成使用Intel芯片并工作于同步模式,，此時(shí)片選信號輸入引腳XCS不起作用，接高電平,；地址鎖存信號ALE起作用,，接處理器RB3，SPC3內(nèi)部地址鎖存器和解碼電路工作,。CPU與SPC3通過SPC3的雙口RAM交換數(shù)據(jù),，SPC3的雙口RAMS應(yīng)在CPU地址空間統(tǒng)一分配地址,，CPU把這片RAM當(dāng)作自己的外部RAM。CPU采用RD和RB口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器,，RD口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線,，RB4、RB1,、RB2作為AB8-AB10地址線接ABO-AB2,。SPC3的AB3-AB10接地。
SPC3與收發(fā)器連接時(shí)用于串行通信的四個(gè)引腳分別為XCTS,、RTS,、TXD和RXD。XCTS是SPC3的清除發(fā)送輸入信號引腳,，表示允許SPC3發(fā)送數(shù)據(jù),，低電平有效，這里始終接低電平,。RTS為SPC3請求發(fā)送信號接收發(fā)器的輸出使能端,。RXD和TXD分別為串行接收和發(fā)送端口。為提高系統(tǒng)的抗干擾性,，SPC3內(nèi)部線路必須與物理接口在電氣上隔離,，此處采用速率可達(dá)2 5Mb／s的HCPL7721高速光耦，收發(fā)器采用SN75ALS176,，足以滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 主處理器軟件
本系統(tǒng)主處理器統(tǒng)軟件采用TI公司的430單片機(jī)軟件開發(fā)工具-IAR Embedded Workbench作為終端軟件的開發(fā)平臺，編程語言采用以C430,。TI公司的430單片機(jī)軟件開發(fā)工具專門用于430單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用開發(fā),。包含以下實(shí)用工具：具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器、編譯器,、匯編器,、連接器、函數(shù)庫管理器,、實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化的Make工具和內(nèi)嵌C語言級與匯編級的調(diào)試器C-SPY,。
主處理器軟件主要由主程序、鍵盤菜單處理,、定時(shí)器中斷,、三值梯形波勵(lì)磁信號產(chǎn)生、A／D采樣,、LCD顯示,、串口通信等部分組成。主程序流程圖如圖3所示。
3．2 PROFIBUS-DP通信接口
PROFIBUS-DP接口中的SPC3集成了完整的PROFIBUS-DP協(xié)議,，因此PIC18F4520不用參與處理PROFIBUS-DP狀態(tài)機(jī),。PIC18F4520的主要任務(wù)就是上電后先根據(jù)MSP430的初始化數(shù)據(jù)對SPC3進(jìn)行初始化，初始化成功后根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷,，對SPC3接收到的,、主站發(fā)出的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，組織要通過SPC3發(fā)給主站的數(shù)據(jù),，并根據(jù)要求組織外部診斷等,。
整個(gè)程序采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的方法,，包括四個(gè)部分：主程序一包括了初始化,、數(shù)據(jù)輸入輸出和診斷模塊；中斷模塊一包括了參數(shù)分配和配置模塊,；子程序模塊一包括對緩沖區(qū)的組織和分配,；程序的頭文件一包括程序的宏和變量定義。：PROFIBUS-DP通信接口主程序流程圖見圖4所示,。
4 結(jié)束語
本文介紹的,、帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)，采用雙核技術(shù),，簡化了硬件電路和軟件資源的分配,，設(shè)計(jì)相對獨(dú)立，程序的修改和移植更容易,，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比,，降低了功耗。用帶SIEMENS公司CP5611卡的工控機(jī)作為上位機(jī)對智能氧量分析儀的通信功能進(jìn)行測試的通信速率,，可達(dá)12 Mb／s,，通信速率設(shè)為1 Mb／s時(shí)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線儀表的自主開發(fā)提供了重要借鑒,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。