带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计开发

2009-08-26 13:59:17来源: 曹佃国

  0 引言

  当今现场总线技术的发展日新月异,应用领域也日趋广泛,从家庭、能源、楼宇,到工业现场。为了适应市场的需要,国内外各大公司纷纷推出新一代的、各具特色的智能化流量仪表,其中结合现场总线技术的智能电磁流量计的开发尤为引人注目。PROFIBUS作为目前主流总线之一,包括三种类型:DP、PA和FMS。这三种类型均使用统一的总线访问协议,其中P R 0 F I B U S-DP(decentralized periphery)采用经过优化的高速、廉价通信连接,专为自动控制系统和设备级的分散I/O之间通信设计,能满足分布式控制系统的实时性、稳定性和可靠性要求。随着PROFIBUS-DP系统应用领域的日益扩大,用户及研究部门都有自主研发或特殊调试的需求,下面将介绍结合智能化技术与现场总线技术,开发带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计。

  1 系统总体设计

  常用现场仪表系统的处理任务简单,往往使用一个CPU加一系列外围辅助电路就能达到相应的目标功能。采用双CPU可以根据系统的总体功能要求进行合理的分工,各自完成不同的控制和处理功能,可以适当地简化硬件电路和软件资源的分配,设计相对独立,程序的修改和移植也变得容易。此系统采用了双CPU设计,如图1所示。16位单片机 MSP430F149是电磁流量计的核心部件,实现信号的采集处理、LCD显示、存储及与8位单片机PIC18F4520进行数据交换。 PIC18F4520和PROFIBUS现场总线专用协议芯片SPC3是PROFIBUS-DP接口部分的核心部件。PIC18F4520负责与 MSP430F149交换数据及与SPC3通信等功能的实现,SPC3负责把主站送来的数据拆包,送往PIC18F4520,同时把PIC18F4520 送来的数据打包,上传给主站。

  2 系统硬件设计

  如图1所示,电磁流量计的硬件部分主要由传感器、电源系统、信号处理电路、励磁电路、单片机系统和总线接口电路组成。

  2.1 传感器及电源系统

  传感器直接由厂家制作,在此不再赘述。本系统所用电源电压种类不一,特别设计流量计专用电源系统。整个系统采用5V供电,而MSP430F149采用 3.3V电压供电。考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和纹波小等特点,另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点,因此该硬件系统的3.3V电源部分采用TI 公司的TPS76033芯片实现。

  2.2 励磁电路

  低频矩形波励磁电路一般采用分频芯片对工频电源进行降频处理,再经过开关管进行功率放大,此种电路难以针对梯形波的斜边进行线性放大,而且励磁频率单一,不能通过软件编程修改励磁频率。因此,本系统采用三值梯形波励磁方式。采用16位D/A转换芯片DAC7731通过电平转换芯片SN74AHC245与MSP430F149单片机的USART通信模块相连的方式产生励磁信号。此励磁信号产生电路,通过MSP430F149单片机的定时器进行分频,可软件编程修改励磁频率,为电磁流量计选择不同的励磁频率提供了更大的方便。功率放大电路部分,采用互补对称式功率放大电路。通过运算放大器对励磁信号电压放大,两级互补对称功率放大电路对励磁信号电流放大,之后输入电磁流量计励磁线圈,作为励磁电压。此电路可线性放大梯形波斜边部分,满足了梯形波励磁方式的要求。

  2.3 信号处理电路

  信号处理电路采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835AN来实现线圈内的励磁电流信号与两电极输出流量信号相乘,AD835具有很高的差分输入阻抗,不需外接阻抗变换电路。乘法器输出信号经过放大与电平的提升,再先后经过高低通滤波器后进入单片机进行A/D转换。高低通滤波器截止频率分别为0.33 Hz和126 Hz。

  2.4 单片机系统

  本测量系统采用TI公司的MSP430F149单片机作为MCU,与晶振输入模块、复位电路、LCD显示模块、键盘模块和Microchip公司的PIC18F4520共同构成单片机系统。两个CPU之间通过三极管电路实现串口通信。系统的键盘模块采用独立按键式键盘。由3个独立按键分别与3只上拉电阻共同和MSP430的P1.1、P1.2和P1.3相连,并将这三个端口设置为上升沿中断使能的方式,利用中断处理程序来判断键盘输入。

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关键字:智能电磁流量计  PROFIBUS-DP  开发

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2009/0826/article_734.html
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