帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)詳解

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)已成為工業(yè)控制系統(tǒng)中的核心組成部分。PROFIBUS-DP作為一種高效、可靠的現(xiàn)場總線協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。本文將詳細(xì)闡述如何設(shè)計(jì)一種帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、元器件選型及其功能分析等方面。

一、設(shè)計(jì)背景與需求分析

1.1 設(shè)計(jì)背景

電磁流量計(jì)作為一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律的流量測量儀表，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)通常采用模擬信號(hào)輸出或簡單的數(shù)字通信協(xié)議，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率、實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。因此，設(shè)計(jì)一種帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的無縫對接，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 需求分析

在設(shè)計(jì)帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)時(shí)，需要滿足以下需求：

1. 高精度測量：確保電磁流量計(jì)能夠準(zhǔn)確測量導(dǎo)電液體的體積流量。

2. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸：通過PROFIBUS-DP接口實(shí)現(xiàn)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

3. 智能化功能：具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警等智能化功能。

4. 低功耗設(shè)計(jì)：降低系統(tǒng)功耗，提高能源利用效率。

5. 抗干擾能力強(qiáng)：確保系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

二、硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)主要由傳感器、信號(hào)處理電路、勵(lì)磁電路、單片機(jī)系統(tǒng)、PROFIBUS-DP通信接口電路和電源系統(tǒng)等部分組成。其中，傳感器負(fù)責(zé)采集導(dǎo)電液體的流量信號(hào)；信號(hào)處理電路對傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和轉(zhuǎn)換；勵(lì)磁電路為傳感器提供穩(wěn)定的勵(lì)磁磁場；單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和通信控制；PROFIBUS-DP通信接口電路實(shí)現(xiàn)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

2.2 傳感器選型與設(shè)計(jì)

傳感器是電磁流量計(jì)的核心部件，其性能直接影響測量精度和穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中，選用高精度、高穩(wěn)定性的電磁流量傳感器，如E+H公司的Proline Promag系列傳感器。該傳感器采用先進(jìn)的電磁感應(yīng)技術(shù)，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，傳感器內(nèi)置溫度補(bǔ)償電路，能夠自動(dòng)補(bǔ)償溫度變化對測量結(jié)果的影響，確保測量精度。

2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路的主要功能是對傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835AN實(shí)現(xiàn)線圈內(nèi)的勵(lì)磁電流信號(hào)與兩電極輸出流量信號(hào)的相乘。AD835具有很高的差分輸入阻抗，無需外接阻抗變換電路，簡化了電路設(shè)計(jì)。乘法器輸出信號(hào)經(jīng)過放大與電平的提升后，再先后經(jīng)過高低通濾波器進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。高低通濾波器的截止頻率分別為0.33 Hz和126 Hz，能夠有效濾除高頻噪聲和低頻干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。

2.4 勵(lì)磁電路設(shè)計(jì)

勵(lì)磁電路為傳感器提供穩(wěn)定的勵(lì)磁磁場。在本設(shè)計(jì)中，采用三值梯形波勵(lì)磁方式，通過16位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC7731產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)。DAC7731通過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC245與MSP430F149單片機(jī)的USART通信模塊相連，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁信號(hào)的精確控制。此勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路通過MSP430F149單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵(lì)磁頻率，為電磁流量計(jì)選擇不同的勵(lì)磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分采用互補(bǔ)對稱式功率放大電路，通過運(yùn)算放大器對勵(lì)磁信號(hào)電壓放大，兩級互補(bǔ)對稱功率放大電路對勵(lì)磁信號(hào)電流放大，之后輸入電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈，作為勵(lì)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(lì)磁方式的要求。

2.5 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)是智能電磁流量計(jì)的控制核心，負(fù)責(zé)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和通信控制等功能。在本設(shè)計(jì)中，采用雙CPU設(shè)計(jì)，16位單片機(jī)MSP430F149作為核心部件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集處理、LCD顯示、存儲(chǔ)及與8位單片機(jī)PIC18F4520進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MSP430F149具有低功耗、高性能、豐富的外設(shè)接口等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于工業(yè)自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)。PIC18F4520和PROFIBUS現(xiàn)場總線專用協(xié)議芯片SPC3是PROFIBUS-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SPC3通信等功能的實(shí)現(xiàn)，SPC3負(fù)責(zé)把主站送來的數(shù)據(jù)拆包，送往PIC18F4520，同時(shí)把PIC18F4520送來的數(shù)據(jù)打包，上傳給主站。

2.6 PROFIBUS-DP通信接口電路設(shè)計(jì)

PROFIBUS-DP通信接口電路是實(shí)現(xiàn)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵部分。在本設(shè)計(jì)中，采用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。PIC18F4520與SPC3之間的連接采用Intel芯片并工作于同步模式，此時(shí)片選信號(hào)輸入引腳XCS不起作用，接高電平；地址鎖存信號(hào)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RAMS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。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高速光耦，收發(fā)器采用SN75ALS176，足以滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.7 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。在本設(shè)計(jì)中，采用5V供電，而MSP430F149采用3.3V電壓供電?？紤]到硬件系統(tǒng)要求電源具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點(diǎn)，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點(diǎn)，因此該硬件系統(tǒng)的3.3V電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實(shí)現(xiàn)。TPS76033是一款低功耗、高精度的線性穩(wěn)壓器，具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、負(fù)載調(diào)整率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于工業(yè)自動(dòng)化儀表的電源設(shè)計(jì)。

三、元器件選型及其功能分析

3.1 MSP430F149單片機(jī)

功能：作為智能電磁流量計(jì)的核心控制單元，負(fù)責(zé)信號(hào)的采集處理、LCD顯示、存儲(chǔ)及與PIC18F4520進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

選型理由：MSP430F149是一款16位低功耗單片機(jī)，具有高性能、豐富的外設(shè)接口和低功耗模式等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)置的16位定時(shí)器、ADC、USART等模塊能夠滿足智能電磁流量計(jì)對信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集和通信控制的需求。同時(shí)，MSP430F149的低功耗特性有助于降低系統(tǒng)功耗，提高能源利用效率。

3.2 PIC18F4520單片機(jī)

功能：作為PROFIBUS-DP通信接口的處理單元，負(fù)責(zé)與MSP430F149交換數(shù)據(jù)及與SPC3通信等功能的實(shí)現(xiàn)。

選型理由：PIC18F4520是一款8位高性能單片機(jī)，具有豐富的外設(shè)接口和強(qiáng)大的處理能力。其內(nèi)置的EUSART模塊能夠滿足與SPC3協(xié)議芯片的通信需求。同時(shí)，PIC18F4520的低功耗特性和高可靠性有助于確保PROFIBUS-DP通信接口的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 SPC3協(xié)議芯片

功能：作為PROFIBUS-DP協(xié)議的專用芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和收發(fā)功能。

選型理由：SPC3是西門子開發(fā)的用于PROFIBUS-DP總線的智能化接口芯片，集成了完整的DP協(xié)議，包括方式寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器等組件。其內(nèi)置的雙口RAM和高速光耦接口能夠確保數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸。同時(shí)，SPC3支持12Mbaud總線速率，有效分擔(dān)處理器壓力，提高系統(tǒng)性能。

3.4 AD835AN乘法器芯片

功能：實(shí)現(xiàn)線圈內(nèi)的勵(lì)磁電流信號(hào)與兩電極輸出流量信號(hào)的相乘。

選型理由：AD835AN是一款四象限高速高精度乘法器芯片，具有很高的差分輸入阻抗和線性度。其內(nèi)置的運(yùn)算放大器能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱信號(hào)的精確放大和轉(zhuǎn)換。同時(shí)，AD835AN的低功耗特性和高可靠性有助于確保信號(hào)處理電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 DAC7731 D/A轉(zhuǎn)換芯片

功能：產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)。

選型理由：DAC7731是一款16位D/A轉(zhuǎn)換芯片，具有高精度、高分辨率和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)置的參考電壓源和輸出緩沖器能夠確保勵(lì)磁信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，DAC7731的SPI接口便于與單片機(jī)進(jìn)行通信和控制。

3.6 TPS76033線性穩(wěn)壓器

功能：為MSP430F149單片機(jī)提供穩(wěn)定的3.3V電源供應(yīng)。

選型理由：TPS76033是一款低功耗、高精度的線性穩(wěn)壓器，具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、負(fù)載調(diào)整率高等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)置的過流保護(hù)和過熱保護(hù)功能能夠確保電源系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)，TPS76033的低功耗特性有助于降低系統(tǒng)功耗，提高能源利用效率。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是智能電磁流量計(jì)軟件系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)、調(diào)用各個(gè)功能模塊、處理中斷請求等任務(wù)。在本設(shè)計(jì)中，主程序采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法，將各個(gè)功能模塊封裝成獨(dú)立的子程序或函數(shù)，便于程序的編寫、調(diào)試和維護(hù)。主程序流程主要包括系統(tǒng)初始化、鍵盤菜單處理、定時(shí)器中斷處理、三值梯形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生、A/D采樣處理、LCD顯示處理、串口通信處理等部分。

4.2 PROFIBUS-DP通信接口程序設(shè)計(jì)

PROFIBUS-DP通信接口程序是實(shí)現(xiàn)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵部分。在本設(shè)計(jì)中，采用PIC18F4520單片機(jī)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。PROFIBUS-DP通信接口程序主要包括SPC3初始化、數(shù)據(jù)接收處理、數(shù)據(jù)發(fā)送處理、中斷處理等部分。在SPC3初始化過程中，需要設(shè)置SPC3的工作模式、波特率、站地址等參數(shù)。在數(shù)據(jù)接收處理過程中，需要讀取SPC3接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析和處理。在數(shù)據(jù)發(fā)送處理過程中，需要將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SPC3發(fā)送緩沖區(qū)，并觸發(fā)發(fā)送操作。在中斷處理過程中，需要響應(yīng)SPC3產(chǎn)生的中斷請求，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4.3 信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)

信號(hào)處理程序是智能電磁流量計(jì)軟件系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)對傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，采用AD835AN乘法器芯片實(shí)現(xiàn)線圈內(nèi)的勵(lì)磁電流信號(hào)與兩電極輸出流量信號(hào)的相乘。信號(hào)處理程序主要包括A/D采樣處理、乘法器輸出信號(hào)處理、高低通濾波處理等部分。在A/D采樣處理過程中，需要讀取MSP430F149單片機(jī)內(nèi)置的ADC模塊的采樣結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)字濾波和校準(zhǔn)處理。在乘法器輸出信號(hào)處理過程中，需要將A/D采樣結(jié)果與勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行相乘運(yùn)算，得到流量信號(hào)。在高低通濾波處理過程中，需要對流量信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾除高頻噪聲和低頻干擾。

4.4 LCD顯示程序設(shè)計(jì)

LCD顯示程序是智能電磁流量計(jì)軟件系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)將測量結(jié)果、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上。在本設(shè)計(jì)中，采用MSP430F149單片機(jī)內(nèi)置的LCD驅(qū)動(dòng)模塊控制LCD屏幕的顯示。LCD顯示程序主要包括LCD初始化、顯示內(nèi)容更新、顯示格式設(shè)置等部分。在LCD初始化過程中，需要設(shè)置LCD屏幕的工作模式、顯示模式、背光亮度等參數(shù)。在顯示內(nèi)容更新過程中，需要將測量結(jié)果、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LCD屏幕能夠識(shí)別的格式，并寫入LCD屏幕的顯示緩沖區(qū)。在顯示格式設(shè)置過程中，需要設(shè)置LCD屏幕的顯示格式、字體大小、顏色等參數(shù)。

五、系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

5.1 硬件測試

在硬件測試階段，需要對各個(gè)硬件模塊進(jìn)行單獨(dú)測試和聯(lián)合測試。單獨(dú)測試主要包括傳感器測試、信號(hào)處理電路測試、勵(lì)磁電路測試、單片機(jī)系統(tǒng)測試、PROFIBUS-DP通信接口電路測試和電源系統(tǒng)測試等部分。通過單獨(dú)測試，可以驗(yàn)證各個(gè)硬件模塊的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。聯(lián)合測試則是將各個(gè)硬件模塊連接在一起，進(jìn)行整體測試。通過聯(lián)合測試，可以驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 軟件測試

在軟件測試階段，需要對各個(gè)軟件模塊進(jìn)行單獨(dú)測試和聯(lián)合測試。單獨(dú)測試主要包括主程序測試、PROFIBUS-DP通信接口程序測試、信號(hào)處理程序測試、LCD顯示程序測試等部分。通過單獨(dú)測試，可以驗(yàn)證各個(gè)軟件模塊的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。聯(lián)合測試則是將各個(gè)軟件模塊集成在一起，進(jìn)行整體測試。通過聯(lián)合測試，可以驗(yàn)證整個(gè)軟件系統(tǒng)的功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 系統(tǒng)驗(yàn)證

在系統(tǒng)驗(yàn)證階段，需要將智能電磁流量計(jì)接入工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測試。通過實(shí)際應(yīng)用測試，可以驗(yàn)證智能電磁流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的性能和穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，還可以收集用戶反饋意見，對智能電磁流量計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

六、結(jié)論與展望

本文詳細(xì)闡述了一種帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、元器件選型及其功能分析等方面。通過采用雙CPU設(shè)計(jì)、高精度傳感器、高性能單片機(jī)和PROFIBUS-DP通信接口等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了智能電磁流量計(jì)的高精度測量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和智能化功能。同時(shí)，通過合理的元器件選型和電路設(shè)計(jì)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。未來，隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，帶PROFIBUS-DP接口的智能電磁流量計(jì)將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，還可以進(jìn)一步探索新的技術(shù)和方法，提高智能電磁流量計(jì)的性能和功能，滿足工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對流量測量的更高要求。