帶PROF 1BUS一DP接口的智能電磁流量計的開發

帶PROF 1BUS一DP接口的智能電磁流量計的開發
   摘要: 利用16位高速單片機(MSP 430F 149)和8位單片機(P IC 18F4520) 以及PROF IBUS 總線的專用協議芯片SPC3 , 開發了帶PR OFI BUS 一DP接口的智能電磁流量計..介紹了智能電磁流量計總體方案的設計和PR OFIB US一D P通信接口的軟硬件設計實現, 給出了部分原理圖和軟件流程圖..實驗證明該智能電磁流量計功能完善, 操作方便, 通信可靠, 達到了預期設計目的..
   關鍵詞: 現場總線通信; 單片機; 智能電磁流量計
   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日..PRO FIBU S作為目前主流總線之一, 包括三種類型: DP .. 以和FMS ..這三種類型均使用統一的總線訪問協議, 其中P R O F I B U S 一DP (de ....n tra lized per iph ery)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1/ 0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PROF IBUS一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PR OF IBU S一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CP U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[l .... 此系統采用了雙CPU 設計, 如圖1所示.. 16 位單片機M SP 43 0F 149 是電磁流量計的核心部件, 實現信號的采集處理.. L C D 顯示.. 存儲及與8 位單片機P IC 18F 4520 進行數據交換..P IC 18F 4520和P ROF IBU S現場總線專用協議芯片SP C 3是PROFI BU S一DP 接口部分的核心部件.. PIC 18F4 520 負責與MS P430F 149 交換數據及與sPe3通信等功能的實現, SP C3 負責把主站送來的數據拆包, 送往P IC 18F 452 0 , 同時把P IC lsF4 520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MS P430 F1 49 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T l公司的TPS760 33芯片實現[2] .. .生, ..~上, 二尸J ..一..一卜一....一....一一二司圖l 智能電磁流量計整體結構圖
   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..31 ..采用16位D/A 轉換芯片DAc 7731
通過電平轉換芯片SN 74 A HC 24 5 與M SP 43 0F 14 9 單片機的U SA RT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M SP43 OF 149 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A D835AN 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, A D835 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0.3 Hz 和26 Hz ..
   2 .4 單片機系統
   本測量系統采用T l公司的M S P4 30 F 14 9 單片機作為M CU , 與晶振輸入模塊.. 復位電路.. LCD 顯示模塊.. 鍵盤模塊和M i ..ro ch iP 公司的P 工C 18 F4 520 共同構成單片機系統.. 兩個CP U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MSP 43O 的PI .1 .. Pl .2和Pl .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..
   2.5 PRO F IBU S刃P通信接口
   PROF IBUS一DP通信接口開發中使用P IC 18 F4520作為處理器單元管理通信事務, SPC3 協議芯片則完成數據的轉換和收發功能[4 ] ..P IC 18 F4520 與SPC 3之間的連接如圖2 所示[5] ..SP C3 接成使用In tel 芯片并工作于同步模式, 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A LE 起作用, 接處理器RB3 , SPC 3內部地址鎖存器和解碼電路工作..C PU 與SPC 3通過SP C 3的雙口RA M 交換數據, SPC 3 的雙口RA M 應在CPU 地址空間統一分配地址, CP U 把這片RA M 當作自己的外部RAM ..CPU 采用RD和RB 口擴展外部存儲器, RD 口作為數據線和低8位地址線, R以.. RB I .. R BZ 作為ABS 一AB 10 地址線接AB O一AB Z ..SPC3 的AB 3一AB 10 接地.. 能端..RXD和TXD 分別為串行接收和發送端口.. 為提高系統的抗干擾性, SPC 3 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2 5 M b / S 的HC PL772 1高速光禍, 收發器采用SN 75A LS 176 , 足以滿足本系統的應用..
   3 系統軟件設計
   3.1 主處理器軟件
   本系統主處理器統軟件采用T1 公司的4 30 單片機軟件開發工具一IA R 助bedded Wo rk bench作為終端軟件的開發平臺, 編程語言采用C4 30 ..TI 公司的430 單片機軟件開發工具專門用于430 單片機以實現嵌入式應用開發.. 包含以下實用工具: 具有語法表現能力的文本編輯器.. 編譯器.. 匯編器.. 連接器.. 函數庫管理器.. 實現操作自動化的M ake工具和內嵌C語言級與匯編級的調試器C一SPY .. 主處理器軟件主要由主程序.. 鍵盤菜單處理.. 定時器中斷.. 三值梯形波勵磁信號產生.. 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.. C L K 川沁嘆O X W R C L K 叉..S R EI瓜限XR D 閃[C 幻E } } 犯沁嚇口..X 幾N T R D 7_ O 一.. 尸了X D R C7 護R X RB I 鑄一O B 7. .0 R B Z 月入R T S R C 石口T X R婦悶丫V 人B . R B 3 ^ 哭八B Z R X D R ..習A 婦舊PICI邢F刁5加遺八LE 人BIOJ X C 怡,R E S E T X 困沉口以O T S代3 ! l ! . 圖3 系統主程序流程圖圖4 PR OF IB US一OP通信接口主程序流程圖3 2 PR OF IBUS一P通信接口PROF IBU S一DP 接口中的SP C3集成了完整的PROF IBU SD P協議, 因此P IC 18F4520 不用參與處理PROF IBUS一DP 狀態機..PI C 18F4 520 的主要任務就是上電后先根據MSP 430 的初始化數據對SPC 3進行初始化, 初始化成功后根據SPC 3 產生的中斷, 對SP C3接收到的.. 主站發出的輸出數據轉存, 組織要通過SP C3 發給主站的數據, 并根據要求組織外部診斷等.. 整個程序采用了結構化.. 模塊化的方法, 包括四個部分: 主程序一包括了初始化.. 數據輸入輸出和診斷模塊; 中斷模塊一包括了參數分配和配置模塊; 子程序模塊一包括對緩沖區的組織和分配: 程序的頭文件一包括程序的宏和變量定義..PROFI BU S一DP 通信接口主程序流程圖見圖4所示.. 圖2 PR OF IBU S一DP 接口電路S PC3 與收發器連接時用于串行通信的四個引腳分別為XCT S .. RT S .. TXD和Rx D ..XCTS 是SPC3 的清除發送輸入信號引腳, 表示允許SPC 3發送數據, 低電平有效, 這里始終接低電平..RTS 為SPC3請求發送信號接收發器的輸出使
   4 結束語
   本文介紹的.. 帶PROFIBUS一DP接口的智能電磁流量計, 采用雙核技術, 簡化了硬件電路和軟件資源的分配, 設計相對獨立, 程序的修改和移植更容易, 提高了系統的性價比, 降低了功耗..用帶S工E ME Ns 公司cP56 n 卡的工控機作為上位機對智能氧量分析儀的通信功能進行測試的通信速率, 可達12 Mb /s, 通信速率設為1 腸/ s時數據傳輸穩定可靠..該系統為實現現場總線儀表的自主開發提供了重要借鑒, 具有廣闊的應用前景??
  參考文獻..l] 韓兵, 火長躍. 現場總線儀表..M ... 北京: 化學工業出版社, 2 0 7. ..2 .. 秦龍. MSP430單片機應用系統開發典型實例..M]. 北京: 中國電力出版社, 2 0 5. ..3] 徐辰, 張宏建等. 基于M SP 43 0單片機的電磁流量計的設計..J ...工業控制計算機, 2 00 5 , (6) : 66一6 7. [4 .. 孫鶴旭, 梁濤, 云利軍. Pr of ib us現場總線控制系統的設計和開發..M ].北京: 國防工業出版社, 2 00 7. ..5] 劉和平等.P IC1 8F X XX單片機原理及接口程序設計..M ... 北京: 北京航空航天大學出版社, 2 00 4. --擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：