基于多處理器技術的渦街流量計

0 引言
    渦街流量計因其介質適應性強、無可動部件、結構簡單等優(yōu)點，在許多行業(yè)得到了廣泛應用。傳統(tǒng)渦街流量計采用模擬信號處理方法，抗干擾能力差，且一般采用4～20mA的模擬量輸出，因此不能滿足當今現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和分布式控制系統(tǒng)實時性、穩(wěn)定性、可靠性的要求。
    針對渦街流量計在低流速測量和信號輸出方面存在的問題，開發(fā)了基于多處理器技術的帶PROFIBUS-DP接口的渦街流量計。

1 系統(tǒng)總體設計
    系統(tǒng)的總體設計從抗干擾、低功耗和帶總線接口三個角度出發(fā)，主要分為四大部分：模擬信號預處理電路、控制及傳輸電路、數(shù)字信號處理電路和PROFIBUS-DP接口電路。系統(tǒng)基本結構如圖1所示?；趩纹瑱C和DSP相結合的雙核技術，可以充分發(fā)揮 MSP430強大的控制功能和DSP強大的數(shù)據(jù)處理能力，來解決渦街流量計的抗干擾問題，提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。選用同類產(chǎn)品中超低功耗型號的DSP 和單片機，低功耗的系統(tǒng)外圍芯片；充分利用MSP430單片機的高集成度和DSP的HPI接口的強大功能，省去需要外接的12位A／D和用于存放DSP程序的Flash ROM，降低系統(tǒng)的功耗。SPC3集成了PROFIBUS-DP物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的完整協(xié)議，為渦街流量計的總線接口提供了廉價的配置方案。整個系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、方便，既節(jié)約了成本，又縮小了體積。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 模擬信號預處理電路
    模擬信號預處理電路包括電荷放大器、差動放大器和抗混迭濾波器。模擬信號預處理電路通過以運算放大器為主體的模擬電路對采集到的電荷信號進行三方面的處理：通過輸入級的電荷放大器將渦街傳感器壓電檢測元件輸出的交變電荷信號轉換為電壓信號；通過差動放大器和其它級電路的放大功能實現(xiàn)交變信號的幅值放大；通過抗混迭濾波器實現(xiàn)信號ADC(模數(shù)轉換)之前的抗混迭濾波。
2．2 控制及傳輸電路
    控制及傳輸電路以超低功耗的MSP430F149單片機為核心，實現(xiàn)參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、顯示等功能。MSP430F149內部集成的12位A／D實現(xiàn)了高精度的實時數(shù)據(jù)采集，豐富的外部接口實現(xiàn)了鍵盤的操作、HPI模擬時序、LCD顯示及對外通信的功能。這種強大的控制功能是DSF嘸法替代的。
2．3 數(shù)字信號處理電路
    數(shù)字信號處理電路以DSP為核心，MSP430為輔助的電路，DSP選用 TMS320C5416(簡稱5416)，它是一個工作靈活、高速、低功耗的16位定點通用DSP芯片，操作速率可達160MIPS，能夠完全滿足系統(tǒng)大計算量和實時性的要求。DSP的數(shù)據(jù)來源于單片機的12位A／D采集到的數(shù)據(jù)，DSP與單片機之間通過主機接口(HPI)進行高速通信，當DSP接收到了渦街信號的數(shù)據(jù)后，采用基于DFT的頻率估計法對信號進行數(shù)字信號處理，處理后的結果再傳回單片機。DSP與單片機的HPI接口電路的連接示意圖如圖2所示。

    將HPI接口應用到DSP的Bootloader中，即把DSP的程序存放在單片機的Flash里(DSP中沒有程序存儲器)，在系統(tǒng)啟動時，將程序通過 HPI口以Bootloader的方式從單片機寫到DSP的RAM中去，啟動DSP，使DSP開始正常的信號處理，這樣節(jié)省了一片用于為DSP存放程序的 FlashROM；DSP通過單片機的12位A／D采集數(shù)據(jù)，即單片機用自身的12位A／D采集數(shù)據(jù)，然后通過HPI接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP的RAM中， DSP再進行數(shù)據(jù)處理，處理后的結果再傳回到單片機，從而節(jié)省了一片A／D，也降低了功耗。
2．4 PROFIBO-DP通信接口電路
    MSP430F149是無外擴總線的微控制器，當它與SPC3接口時，可以以Intel模式分配部分I／O口作為SPC3的地址、數(shù)據(jù)及控制總線接口，其接口時序通過編程用軟件實現(xiàn)。MAP430F149與SPC3之間的連接如圖3所示。

    MAP430F149作為處理器單元管理通信事務，SPC3協(xié)議芯片則完成數(shù)據(jù)的轉換和收發(fā)功能。SPC3在選用Intel芯片模式并工作于同步模式時，內部地址鎖存器和解碼電路工作，所以CPU的低8位地址線不經(jīng)過573鎖存器直接與SPC3連接(低8位地址線與8位數(shù)據(jù)線分時共用傳輸線)，P4口作為 A／DBUS復用。CPU的高8位地址線直接與SPC3的AB0～AB7相連，且必須為00000XXX(X表示0、1信號都行)。在此將SPC3的 AB3~AB10接地，AB0~AB2接單片機的P1．6、P1．4、P1．5，作為AB8~AB10地址線。此時片選信號輸入引腳XCS不起作用，接高電平；地址鎖存信號ALE起作用，接處理器P1．7。CPU與SPC3通過SPC3的雙口RAM交換數(shù)據(jù)，SPC3的雙口RAM應在CPU地址空間統(tǒng)一分配地址，CPU把這片RAM當作自己的外部RAM。
    由于MSP430F149采用低電源電壓3．3 V供電，而SPC3采用5 V供電，在硬件設計中要考慮3．3 V邏輯系統(tǒng)和5 V邏輯系統(tǒng)共存。為避免元器件的損壞和數(shù)據(jù)的丟失，此處采用兩片專用的SN74LVCC4245A電平轉換芯片，它是一個8位寬度的雙向I／O電平轉換器；中斷信號X／INT采用簡單電阻分壓的方法接P1．0。

    SPC3與收發(fā)器連接時用于串行通信的四個引腳分別為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內部線路必須與物理接口在電氣上隔離，此處采用速率可達25 Mb／s的HCPL7721高速光耦，收發(fā)器采用sN75ALS176，足以滿足本系統(tǒng)的應用。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 單片機部分的軟件設計
    單片機部分的任務是完成參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采樣、為DSP進行Bootloader、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。程序按照模塊化設計思想設計，主要分為四大模塊：數(shù)據(jù)采樣程序、HPI通信程序、液晶顯示程序、遠傳程序。主程序流程圖如圖4所示。

3．2 DSP部分的軟件設計
    先使DSP工作在HPI模式的Bootloader狀態(tài)下，準備接收單片機傳輸?shù)某绦虼a，程序傳輸完成后，Bootloader狀態(tài)結束，DSP進入正常工作，向單片機發(fā)出開啟A／D請求，準備接收單片機傳來的渦街信號數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后，對接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理，將處理結果通過HPI口傳回單片機。DSP部分的軟件設計流程圖如圖5所示。

3．3 SPC3部分的軟件設計
    SPC3通信模塊程序采用了結構化、模塊化的方法，包括四個部分：主程序、中斷模塊、子程序模塊和程序的頭文件。通信接口主程序流程圖見圖6所示。主程序中對SPC3的初始化是非常重要的，關系到它是否能正常工作。初始化過程如下：復位"看門狗"，設置SPC3允許中斷，寫入從站識別號和地址，設置方式寄存器，設置診斷緩沖、參數(shù)、組態(tài)緩沖區(qū)長度，設置地址緩沖區(qū)長度，計算各個緩沖區(qū)的指針及輔助緩沖區(qū)的指針，根據(jù)輸入輸出的數(shù)據(jù)長度，確定輸入和輸出緩沖區(qū)的指針。

4 結束語
    針對傳統(tǒng)渦街流量計的缺點，結合單片機的強大控制功能與DSP的強大計算能力及其低功耗特性，構建了一套低功耗數(shù)字渦街信號處理系統(tǒng)。降低了功耗，提高了其在現(xiàn)場環(huán)境下的精度。并設計了PROFIBUS-DP總線的通信接口，實現(xiàn)了遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。此外配有的液晶顯示模塊，提供了友好的人機界面。該系統(tǒng)為實現(xiàn)現(xiàn)場總線儀表的自主開發(fā)提供了借鑒，具有廣闊的市場應用前景。