從現(xiàn)場總線技術(shù)看電磁流量計智能卡的設(shè)計

文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時間：2011年12月05日

    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。本文將介紹利用現(xiàn)場總線來設(shè)計電磁流量計智能卡。

    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)的智能電磁流量計的開發(fā)尤為引人注目，這是由于電磁流量計的特點決定的。

    1)在各種流量儀表中，電磁流量計涉及的智能化功能最多，智能化技術(shù)的應(yīng)用不僅有利于提高電磁流量計的性能，而且易于與現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合。

    2)電磁流量計的用途十分廣泛，從流域治理到社區(qū)建設(shè)，特別是新興環(huán)保行業(yè)的發(fā)展，將進(jìn)一步推廣電磁流量計的應(yīng)用。

    現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢在于簡化對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控和管理，以網(wǎng)絡(luò)管理逐步取代傳統(tǒng)的分散型控制系統(tǒng)。智能化電磁流量計以其自身的智能化技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，將能極大地滿足各個領(lǐng)域?qū)ζ鋺?yīng)用的要求。目前我國在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛地總線技術(shù)有：HART通信協(xié)議,基金會現(xiàn)場總線,LONWORKS技術(shù)等，下面分別介紹智能電磁流量計與這些現(xiàn)場總線相結(jié)合時智能卡的設(shè)計。

    HART

    HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議是一種過渡性協(xié)議，它采用FSK技術(shù)，在4～20mA過程測量模擬信號上疊加了一個頻率信號，使模擬信號與數(shù)字雙向通訊能同時進(jìn)行，互不干擾。我國目前工業(yè)現(xiàn)場中4～20mA標(biāo)準(zhǔn)的模擬儀表仍大量存在，HART協(xié)議起到了承前啟后的作用，在我國得到了廣泛的應(yīng)用。

    1.考慮與HART協(xié)議相結(jié)合，在設(shè)計電磁流量計智能卡時采用三CPU方案。CPU選用Motorola公司的68HC11單片機(jī)，該種型號的芯片具有體積小、功耗低、系統(tǒng)設(shè)計簡單等特點，是所有8位單片機(jī)中功能最強的系列。CPU1控制A/D采樣、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和HART命令接口；CPU2產(chǎn)生矩形波勵磁信號和寬脈沖采樣信號（CPU2雖然任務(wù)少，功能簡單，但由于它的可靠工作是整臺儀表正常工作的保障，所以單獨用一塊單片機(jī)實現(xiàn)這些功能）；CPU3管理鍵盤操作和液晶顯示（CPU3與智能板的接口可做成插拔式的，是否需要CPU3可由用戶選擇）。三塊CPU之間的通訊采用同步串行SPI方式，CPU1為主機(jī)，CPU2和CPU3為從機(jī).

    2.A/D轉(zhuǎn)換電路采用AD7715芯片，這是一種用于低頻測量儀器的芯片，它具有16位無誤碼分辨率、良好的抗干擾性等優(yōu)點，可對單極輸入與雙極輸入信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換。在智能卡的設(shè)計中，AD7715芯片用5V單電源供電，+2.5V的雙極性信號輸入，其中串行數(shù)據(jù)的輸入腳、輸出腳和串行時鐘輸入腳直接與CPU1的SPI口相連。

    3.D/A轉(zhuǎn)換電路采用環(huán)路供電芯片AD421,其16位分辨率和60.01%的非線性度特別適合于HART智能儀表的設(shè)計。AD421自帶的穩(wěn)壓器提供＋5V電源，同時也為MODEM供電，與CPU1通過串行接口方式相連，CPU1輸出的數(shù)字信號直接進(jìn)入AD421的數(shù)據(jù)輸入腳。同時將AD421與HART協(xié)議的MODEM芯片相連，1200Hz和2200Hz的調(diào)制正弦波就可以加到AD421芯片輸出的電流環(huán)路上，這樣就可以實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號同時輸出。

    4.調(diào)制解調(diào)芯片（MODEM）選用SMAR公司生產(chǎn)的HT2012,HT2012是專門為HART產(chǎn)品而設(shè)計生產(chǎn)的。解調(diào)器通過IRXA獲得FSK信號，F(xiàn)SK信號經(jīng)解調(diào)后在ORXD輸出數(shù)字信號，ORXD直接與CPU1的異步串行輸入口相連。調(diào)制器通過ITXD獲得CPU1異步串行輸出口的數(shù)字信號，該信號經(jīng)調(diào)制后在OTXA輸出FSK信號，F(xiàn)SK信號經(jīng)整形后加載到4～20mA輸出回路上。INRTS啟動調(diào)制解調(diào)器輸出FSK信號，OCD作為載波偵聽輸出，在IRXA有FSK信號時變?yōu)榈碗娖?，啟動CPU1讀取ORXD處的解調(diào)信號。由于HT2012芯片解調(diào)部分的輸入信號取自4～20mA回路，該信號必須經(jīng)過帶通濾波器以除去環(huán)境噪聲干擾，并經(jīng)觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成方波進(jìn)入IRXA。調(diào)制部分的輸入信號取自CPU1的異步串行輸出口，該信號必須在調(diào)制后經(jīng)整形電路加載到4～20mA沒回路。

    基金會現(xiàn)場總線（FF）

    基金會現(xiàn)場總線（Foundation Fieldbus）是全分布式自動化系統(tǒng)，其開放性數(shù)字通信能力使自動化系統(tǒng)具備了網(wǎng)絡(luò)化特征，要完成的主要功能是對工業(yè)生產(chǎn)過程中各個參數(shù)進(jìn)行測量、信號變送、控制、顯示、計算等，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動檢測、監(jiān)視、自動調(diào)節(jié)、順序控制和自我保護(hù)，在通訊模式上它采用全數(shù)字通訊。因為FF系統(tǒng)將控制功能完全下放到現(xiàn)場，要求僅由現(xiàn)場儀表即可實現(xiàn)完整的控制功能，也即現(xiàn)場儀表除了能夠進(jìn)行測量、計算外，彼此之間能夠進(jìn)行通訊接收、發(fā)送和通訊控制，智能電磁流量計以其顯著的優(yōu)勢，不僅完全能夠滿足FF總線的需要，而且能夠簡化自身的硬件電路，降低成本，提高儀表的可靠性。

    目前多家公司都生產(chǎn)可用作基金會現(xiàn)場總線通訊控制器的芯片，如日本的橫河公司、富士公司，美國的SHIPSTAR公司，巴西的SMAR公司等。我所在進(jìn)行九五攻關(guān)課題"符合FF協(xié)議的智能電磁流量計的開發(fā)"時，選用的是SMAR公司生產(chǎn)的FB3050芯片。

    1.該芯片符合SP50-2-1992 PART2中所規(guī)定的現(xiàn)場總線物理層標(biāo)準(zhǔn)，芯片設(shè)計時考慮了和各種流行的微處理器接口，既可用作現(xiàn)場總線上的主設(shè)備的通訊接口，也可用作從設(shè)備的通訊接口。為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，F(xiàn)B3050內(nèi)部設(shè)計了數(shù)據(jù)鏈路層地址及幀的自動識別處理器，提供了一套自動識別幀控制字和幀目的地址的邏輯機(jī)制，有了這套機(jī)制再加上DMA電路，F(xiàn)B3050可以不用CPU干預(yù)的情況下就能從網(wǎng)上全部正確接收屬于本節(jié)點的信息幀。

    2.網(wǎng)板上的CPU選用嵌入式控制中最常用的Intel80188芯片。80188存儲器空間為1MB，最大IO尋址空間為64KB，并集成了一套中斷控制器、兩路DMA控制器、3個16位定時器、6條可編程的存儲器片選線、7條可編程的IO接口片選線。鑒于80188芯片的豐富資源，在設(shè)計流量計智能卡時可以將HART智能電磁流量計智能板中CPU1中的功能完全上移至FF網(wǎng)板中的Intel80188芯片中。

    3.A/D采樣電路仍選用AD7715芯片，其數(shù)據(jù)輸入輸出線與80188的I/O口線相連，DRDY數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好線與中斷線INT1相連。80188在定時器到時開中斷，當(dāng)DRDY為低電平時表示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，中斷響應(yīng)，進(jìn)入中斷采樣處理程序。原有的CPU2、CPU3仍可保留（CPU3由用戶選擇），其SPI口線可與80188的I/O線相連，用模擬SPI方式通訊。因為FF總線是全數(shù)字通訊，所以4-20mA電路部分可以省去。

    LONWORKS總線 

    LONWORKS 總線是由美國Echelon公司推出的，是眾多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中比較完善和優(yōu)秀的一種。LONWORKS是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的總線產(chǎn)品，在美國等地已有廣泛應(yīng)用，我國已有很多成功的應(yīng)用實例，結(jié)合Echelon公司的OEM合作方式，LONWORKS 總線技術(shù)在我國將會有更廣闊的應(yīng)用前景，因此將該技術(shù)應(yīng)用在智能電磁流量計中也是十分必要的。

    LONWORKS現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)是一個局部操作網(wǎng)絡(luò)，為集散式監(jiān)控系統(tǒng)提供了很強的實現(xiàn)手段。由于在系統(tǒng)中使用了路由器，使網(wǎng)絡(luò)可不受通訊介質(zhì)、通訊距離、通訊速率的限制。智能電磁流量計與LONWORKS技術(shù)相結(jié)合，不僅方便了用戶，而且擴(kuò)大了電磁流量計的應(yīng)用領(lǐng)域。 

    在LONWORKS總線中每一個現(xiàn)場設(shè)備稱為節(jié)點，一個典型的現(xiàn)場控制節(jié)點主要包含以下幾部分功能塊：應(yīng)用CPU、I/O處理單元、通訊處理器、收發(fā)器和電源。LONWORKS技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片，它是節(jié)點的通訊協(xié)處理器，用以協(xié)調(diào)主機(jī)與節(jié)點之間的通訊與控制，以及各節(jié)點之間彼此的信息溝通。因為神經(jīng)元芯片主要是利用高級主機(jī)的資源來完成復(fù)雜的測控功能，其外圍電路簡單、體積小，可做成插拔式的與儀表通訊卡接口。這樣在設(shè)計電路時既保持了儀表通訊卡的通用性，又提高了抗干擾能力，使得儀表在網(wǎng)絡(luò)忙時仍可獨立完成監(jiān)測與控制功能。

    現(xiàn)場總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今工業(yè)自動化發(fā)展的趨勢與必然，近早、更好地將現(xiàn)場總線技術(shù)與工業(yè)儀表相結(jié)合，是每一個工程技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)清的方向，并為之做出積極的努力。