帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計開發

　　0 引言

　　當今現場總線技術的發展日新月異，應用領域也日趨廣泛，從家庭、能源、樓宇，到工業現場。為了適應市場的需要，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儀表，其中結合現場總線技術的智能電磁流量計的開發尤為引人注目。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一的總線訪問協議，其中P R 0 F I B U S-DP(decentralized periphery)采用經過優化的高速、廉價通信連接，專為自動控制系統和設備級的分散I／O之間通信設計，能滿足分布式控制系統的實時性、穩定性和可靠性要求。隨著PROFIBUS-DP系統應用領域的日益擴大，用戶及研究部門都有自主研發或特殊調試的需求，下面將介紹結合智能化技術與現場總線技術，開發帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計。

　　1 系統總體設計

　　常用現場儀表系統的處理任務簡單，往往使用一個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，實現信號的采集處理、LCD顯示、存儲及與8位單片機PIC18F4520進行數據交換。 PIC18F4520和PROFIBUS現場總線專用協議芯片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通信等功能的實現，SPC3負責把主站送來的數據拆包，送往PIC18F4520，同時把PIC18F4520 送來的數據打包，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、單片機系統和總線接口電路組成。

　　2．1 傳感器及電源系統

　　傳感器直接由廠家制作，在此不再贅述。本系統所用電源電壓種類不一，特別設計流量計專用電源系統。整個系統采用5V供電，而MSP430F149采用 3．3V電壓供電。考慮到硬件系統要求電源具有穩壓功能和紋波小等特點，另外也考慮到硬件系統的低功耗等特點，因此該硬件系統的3．3V電源部分采用TI 公司的TPS76033芯片實現。

　　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行降頻處理，再經過開關管進行功率放大，此種電路難以針對梯形波的斜邊進行線性放大，而且勵磁頻率單一，不能通過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通過電平轉換芯片SN74AHC245與MSP430F149單片機的USART通信模塊相連的方式產生勵磁信號。此勵磁信號產生電路，通過MSP430F149單片機的定時器進行分頻，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，采用互補對稱式功率放大電路。通過運算放大器對勵磁信號電壓放大，兩級互補對稱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圈，作為勵磁電壓。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來實現線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。乘法器輸出信號經過放大與電平的提升，再先后經過高低通濾波器后進入單片機進行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、鍵盤模塊和Microchip公司的PIC18F4520共同構成單片機系統。兩個CPU之間通過三極管電路實現串口通信。系統的鍵盤模塊采用獨立按鍵式鍵盤。由3個獨立按鍵分別與3只上拉電阻共同和MSP430的P1．1、P1．2和P1．3相連，并將這三個端口設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。