帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)的開發(fā)

0 引言
    當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需要，國(guó)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?jī)x表，其中結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(jí)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(chǎng)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(chǎng)儀表系統(tǒng)的處理任務(wù)簡(jiǎn)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?jiǎn)化硬件電路和軟件資源的分配，設(shè)計(jì)相對(duì)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(hào)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(chǎng)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(hào)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(duì)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(duì)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(hào)。此勵(lì)磁信號(hào)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(duì)稱式功率放大電路。通過運(yùn)算放大器對(duì)勵(lì)磁信號(hào)電壓放大，兩級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路對(duì)勵(lì)磁信號(hào)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(hào)處理電路
    信號(hào)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(hào)與兩電極輸出流量信號(hào)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(hào)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(cè)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(hào)輸入引腳XCS不起作用，接高電平；地址鎖存信號(hào)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(hào)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(qǐng)求發(fā)送信號(hào)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(tái)，編程語(yǔ)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(yǔ)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(kù)管理器、實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化的Make工具和內(nèi)嵌C語(yǔ)言級(jí)與匯編級(jí)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(hào)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(duì)SPC3進(jìn)行初始化，初始化成功后根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷，對(duì)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(duì)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(yǔ)
    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(jiǎn)化了硬件電路和軟件資源的分配，設(shè)計(jì)相對(duì)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(duì)智能氧量分析儀的通信功能進(jìn)行測(cè)試的通信速率，最高可達(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(chǎng)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。