新型空氣流量計研發(fā)

摘要:利用16位高速單片機（MSP430F149）和8位單片機（PIC18F4520）以及PROFIBUS總線的協(xié)議芯片SPC3,開發(fā)了帶PROFIBUS一DP接口的新型空氣流量計"介紹了新型空氣流量計總體方案的設(shè)計和PROFIBUS一DP通信接口的軟硬件設(shè)計實現(xiàn),給出了部分原理圖和軟件流程圖"實驗證明該新型空氣流量計功能完善,操作方便,通信可靠,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目的
0引言
當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(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"為了適應(yīng)市場的需要,國內(nèi)外各大公司紛紛推出新一代的各具特色的智能化流量儀表,其中結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)的新型空氣流量計的開發(fā)尤為引人注日"PROFIBUS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(tǒng)一的總線訪問協(xié)議,其中PROFIBUS-DP（de""ntralizedperiphery）采用經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價通信連接,專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級的分散1/0之間通信設(shè)計,能滿足分布式控制系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和可靠性要求"隨著PROFIBUS一DP系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴大,用戶及研究部門都有自主研發(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)場總線技術(shù),開發(fā)帶PROFIBUS一DP接口的新型空氣流量計"1系統(tǒng)總體設(shè)計
常用現(xiàn)場儀表系統(tǒng)的處理任務(wù)簡單,往往使用一個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)睾喕布娐泛蛙浖Y源的分配,設(shè)計相對獨立,程序的修改和移植也變得容易[l2"此系統(tǒng)采用了雙CPU設(shè)計,如圖1所示"16位單片機MSP430F149是空氣流量計的核心部件,實現(xiàn)信號的采集處理、LCD顯示、存儲及與8位單片機PIC18F4520進(jìn)行數(shù)據(jù)交換"PIC18F4520和PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議芯片SPC3是PROFIBUS一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sPe3通信等功能的實現(xiàn),SPC3負(fù)責(zé)把主站送來的數(shù)據(jù)拆包,送往PIC18F4520,同時把PIClsF4520送來的數(shù)據(jù)打包,上傳給主站"
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
如圖1所示,空氣流量計的硬件部分主要由傳感器、電源系統(tǒng)、信號處理電路、勵磁電路、單片機系統(tǒng)和總線接口電路組成
2.1傳感器及電源系統(tǒng)
傳感器直接由廠家制作,在此不再贅述"本系統(tǒng)所用電源電壓種類不一,特別設(shè)計流量計電源系統(tǒng)"整個系統(tǒng)采用5V供電,而MSP430F149采用3.3V電壓供電"考慮到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點,另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點,因此該硬件系統(tǒng)的3.3V電源部分采用Tl公司的TPS76033芯片實現(xiàn)[2]"

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(jìn)行降頻處理,再經(jīng)過開關(guān)管進(jìn)行功率放大,此種電路難以針對梯形波的斜邊進(jìn)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(tǒng)采用三值梯形波勵磁方式131"采用16位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAc773通過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC245與MSP430F149單片機的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵磁信號"此勵磁信號產(chǎn)生電路,通過MSP43OF149單片機的定時器進(jìn)行分頻,可軟件編程修改勵磁頻率,為空氣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,之后輸入空氣流量計勵磁線圈,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AD83N來實現(xiàn)線圈內(nèi)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(jīng)過放大與電平的提升,再先后經(jīng)過高低通濾波器后進(jìn)入單片機進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換"高低通濾波器截止頻率分別為0.3Hz和26Hz"
2.4單片機系統(tǒng)
本測量系統(tǒng)采用Tl公司的MSP430F149單片機作為MCU,與晶振輸入模塊、復(fù)位電路、LCD顯示模塊、鍵盤模塊和Mi"rochiP公司的P工C18F4520共同構(gòu)成單片機系統(tǒng)"兩個CPU之間通過三極管電路實現(xiàn)串口通信"系統(tǒng)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MSP43O的PI.1、Pl.2和Pl.3相連,并將這三個端口設(shè)置為上升沿中斷使能的方式,利用中斷處理程序來判斷鍵盤輸入"
2.5PROFIBUS刃P通信接口
PROFIBUS一DP通信接口開發(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[4]"PIC18F4520與SPC3之間的連接如圖2所示"SPC3接成使用In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SPC3的雙口RAM交換數(shù)據(jù),SPC3的雙口RAM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口擴展外部存儲器,RD口作為數(shù)據(jù)線和低8位地址線,R以、RBI、RBZ作為ABS-AB10地址線接ABO-ABZ"SPC3的AB3-AB10接地。

SPC3與收發(fā)器連接時用于串行通信的四個引腳分別為XCTS、RTS、TXD和RxD"XCTS是SPC3的清除發(fā)送輸入信號引腳,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請求發(fā)送信號接收發(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)部線路必須與物理接口在電氣上隔離,此處采用速率可達(dá)25Mb/S的HCPL7721高速光禍,收發(fā)器采用SN7LS176,足以滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用"
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1主處理器軟件
本系統(tǒng)主處理器統(tǒng)軟件采用T1公司的430單片機軟件開發(fā)工具一IAR助beddedWorkbench作為終端軟件的開發(fā)平臺,編程語言采用C430"TI公司的430單片機軟件開發(fā)工具專門用于430單片機以實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用開發(fā)"包含以下實用工具:具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器、編譯器、匯編器、連接器、函數(shù)庫管理器、實現(xiàn)操作自動化的Make工具和內(nèi)嵌C語言級與匯編級的調(diào)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(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"

3.2PROFIBUS-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"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SPC3進(jìn)行初始化,初始化成功后根據(jù)SPC3產(chǎn)生的中斷,對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"整個程序采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的方法,包括四個部分: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圖4所示"

4結(jié)束語
本文介紹的、帶PROFIBUS-DP接口的新型空氣流量計,采用雙核技術(shù),簡化了硬件電路和軟件資源的分配,設(shè)計相對獨立,程序的修改和移植更容易,提高了系統(tǒng)的性價比,降低了功耗"用帶S工EMENs公司cP56n卡的工控機作為上位機對智能氧量分析儀的通信功能進(jìn)行測試的通信速率,Z高可達(dá)12Mb/s,通信速率設(shè)為1m/s時數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠"該系統(tǒng)為實現(xiàn)現(xiàn)場總線儀表的自主開發(fā)提供了重要借鑒,具有廣闊的應(yīng)用前景"