帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計的開(kāi)發(fā)
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當今現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展日新月異，應用領(lǐng)域也日趨廣泛，從家庭、能源、樓宇，到工業(yè)現場(chǎng)。為了適應市場(chǎng)的需要，國內外各大公司紛紛推出新一代的、各具特色的智能化流量?jì)x表，其中結合現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能電磁流量計的開(kāi)發(fā)尤為引人注目。PROFIBUS作為目前主流總線(xiàn)之一，包括三種類(lèi)型：DP、PA和FMS。這三種類(lèi)型均使用統一的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，其中P R 0 F I B U S-DP(decentralized periphery)采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統和設備級的分散I／O之間通信設計，能滿(mǎn)足分布式控制系統的實(shí)時(shí)性、穩定性和可靠性要求。隨著(zhù)PROFIBUS-DP系統應用領(lǐng)域的日益擴大，用戶(hù)及研究部門(mén)都有自主研發(fā)或特殊調試的需求，下面將介紹結合智能化技術(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計。
1 系統總體設計
常用現場(chǎng)儀表系統的處理任務(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到相應的目標功能。采用雙CPU可以根據系統的總體功能要求進(jìn)行合理的分工，各自完成不同的控制和處理功能，可以適當地簡(jiǎn)化硬件電路和軟件資源的分配，設計相對獨立，程序的修改和移植也變得容易。此系統采用了雙CPU設計，如圖1所示。16位單片機MSP430F149是電磁流量計的核心部件，實(shí)現信號的采集處理、LCD顯示、存儲及與8位單片機PIC18F4520進(jìn)行數據交換。PIC18F4520和PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)用協(xié)議芯片SPC3是PROFIBUS-DP接口部分的核心部件。PIC18F4520負責與MSP430F149交換數據及與SPC3通信等功能的實(shí)現，SPC3負責把主站送來(lái)的數據拆包，送往PIC18F4520，同時(shí)把PIC18F4520送來(lái)的數據打包，上傳給主站。
2 系統硬件設計
如圖1所示，電磁流量計的硬件部分主要由傳感器、電源系統、信號處理電路、勵磁電路、單片機系統和總線(xiàn)接口電路組成。
2．1 傳感器及電源系統
傳感器直接由廠(chǎng)家制作，在此不再贅述。本系統所用電源電壓種類(lèi)不一，特別設計流量計專(zhuān)用電源系統。整個(gè)系統采用5V供電，而MSP430F149采用3．3V電壓供電?？紤]到硬件系統要求電源具有穩壓功能和紋波小等特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統的低功耗等特點(diǎn)，因此該硬件系統的3．3V電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實(shí)現。
2．2 勵磁電路
低頻矩形波勵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(guò)開(kāi)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(xiàn)性放大，而且勵磁頻率單一，不能通過(guò)軟件編程修改勵磁頻率。因此，本系統采用三值梯形波勵磁方式。采用16位D／A轉換芯片DAC7731通過(guò)電平轉換芯片SN74AHC245與MSP430F149單片機的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵磁信號。此勵磁信號產(chǎn)生電路，通過(guò)MSP430F149單片機的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵磁頻率，為電磁流量計選擇不同的勵磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分，采用互補對稱(chēng)式功率放大電路。通過(guò)運算放大器對勵磁信號電壓放大，兩級互補對稱(chēng)功率放大電路對勵磁信號電流放大，之后輸入電磁流量計勵磁線(xiàn)圈，作為勵磁電壓。此電路可線(xiàn)性放大梯形波斜邊部分，滿(mǎn)足了梯形波勵磁方式的要求。
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(lái)實(shí)現線(xiàn)圈內的勵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(guò)放大與電平的提升，再先后經(jīng)過(guò)高低通濾波器后進(jìn)入單片機進(jìn)行A／D轉換。高低通濾波器截止頻率分別為0．33 Hz和126 Hz。
2．4 單片機系統
本測量系統采用TI公司的MSP430F149單片機作為MCU，與晶振輸入模塊、復位電路、LCD顯示模塊、鍵盤(pán)模塊和Microchip公司的PIC18F4520共同構成單片機系統。兩個(gè)CPU之間通過(guò)三極管電路實(shí)現串口通信。系統的鍵盤(pán)模塊采用獨立按鍵式鍵盤(pán)。由3個(gè)獨立按鍵分別與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)端口設置為上升沿中斷使能的方式，利用中斷處理程序來(lái)判斷鍵盤(pán)輸入。
2．5 PROFIBUS-DP通信接口
PROFIBUS-DP通信接口開(kāi)發(fā)中使用PIC18F4520作為處理器單元管理通信事務(wù)，SPC3協(xié)議芯片則完成數據的轉換和收發(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內部地址鎖存器和解碼電路工作。CPU與SPC3通過(guò)SPC3的雙口RAM交換數據，SPC3的雙口RAMS應在CPU地址空間統一分配地址，CPU把這片RAM當作自己的外部RAM。CPU采用RD和RB口擴展外部存儲器，RD口作為數據線(xiàn)和低8位地址線(xiàn)，RB4、RB1、RB2作為AB8-AB10地址線(xiàn)接ABO-AB2。SPC3的AB3-AB10接地。
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