《電子技術(shù)應(yīng)用》
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帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)的開(kāi)發(fā)
摘要: 隨著PROFIBUS-DP系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大,用戶(hù)及研究部門(mén)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(xiàn)技術(shù),開(kāi)發(fā)帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)。
Abstract:
Key words :

  0 引言

  當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)的智能電磁流量計(jì)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(tǒng)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(tǒng)和設(shè)備級(jí)的分散I/O之間通信設(shè)計(jì),能滿(mǎn)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(hù)及研究部門(mén)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(xiàn)技術(shù),開(kāi)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(xiàn)專(zhuān)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(lái)的數(shù)據(jù)拆包,送往PIC18F4520,同時(shí)把PIC18F4520 送來(lái)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(xiàn)接口電路組成。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

  2.1 傳感器及電源系統(tǒng)

  傳感器直接由廠(chǎng)家制作,在此不再贅述。本系統(tǒng)所用電源電壓種類(lèi)不一,特別設(shè)計(jì)流量計(jì)專(zhuān)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(guò)開(kāi)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(xiàn)性放大,而且勵(lì)磁頻率單一,不能通過(guò)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(guò)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(guò)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(chēng)式功率放大電路。通過(guò)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(chēng)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(xiàn)圈,作為勵(lì)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(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(lái)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)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(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(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(pán)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(guò)三極管電路實(shí)現(xiàn)串口通信。系統(tǒng)的鍵盤(pán)模塊采用獨(dú)立按鍵式鍵盤(pán)。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(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(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(guò)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(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。

 

PIC18F4520與SPC3之間的連接

  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(xiàn)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(mǎn)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(kāi)發(fā)工具-IAR Embedded Workbench作為終端軟件的開(kāi)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(kāi)發(fā)工具專(zhuān)門(mén)用于430單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用開(kāi)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(pán)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。

主程序流程圖

  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(guò)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(jiàn)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?xún)r(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(xiàn)儀表的自主開(kāi)發(fā)提供了重要借鑒,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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