- 一、系统总体设计
智能电磁流量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l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。
二、系统硬件设计
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。
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、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DAC773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。
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26 Hz。
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~IP1.3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。
5、PROFIBUS-DP通信接口
智能电磁流量计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。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RAM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,RDH作为数据线和低8位地址线,RB4、RB1、RB2作为AB8一AB10地址线接AB0一AB2。SPC3的AB3-AB10接地。
SPC3与收发器连接时用于串行通信的四个引脚分别为XCTS、RTS、TXD和RXD。XCTS是SPC3的清除发送输入信号引脚,表示允许SPC3发送数据,低电平有效,这里始终接低电平。RTS为SPC3请求发送信号接收发器的输出使能端。RXD和TXD分别为串行接收和发送端口。
为提高系统的抗干扰性,SPC3内部线路必须与物理接口在电气上隔离,此处采用速率可达2 5Mb/S的HCPL7721高速光耦,收发器采用SN75ALSI76,足以满足本系统的应用。
智能电磁流量计系统总体设计及工作流程