带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计的开发

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。
2．5 PROFIBUS-DP通信接口
PROFIBUS-DP通信接口开发中使用PIC18F4520作为处理器单元管理通信事务，SPC3协议芯片则完成数据的转换和收发功能。PIC18F4520与SPC3之间的连接如图2所示。SPC3接成使用Intel芯片并工作于同步模式，此时片选信号输入引脚XCS不起作用，接高电平；地址锁存信号ALE起作用，接处理器RB3，SPC3内部地址锁存器和解码电路工作。CPU与SPC3通过SPC3的双口RAM交换数据，SPC3的双口RAMS应在CPU地址空间统一分配地址，CPU把这片RAM当作自己的外部RAM。CPU采用RD和RB口扩展外部存储器，RD口作为数据线和低8位地址线，RB4、RB1、RB2作为AB8-AB10地址线接ABO-AB2。SPC3的AB3-AB10接地。