從現場總線技術看電磁流量計智能卡的設計

文章出處：http://5052h112.com 作者：中國一卡通網 收編   人氣： 發表時間：2011年12月05日

    當今現場總線技術的發展日新月異，應用領域也日趨廣泛，從家庭、能源、樓宇，到工業現場。本文將介紹利用現場總線來設計電磁流量計智能卡。

    為了適應市場的需要，國內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，其中結合現場總線技術的智能電磁流量計的開發尤為引人注目，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，智能化技術的應用不僅有利于提高電磁流量計的性能，而且易于與現場總線技術相結合。

    2)電磁流量計的用途十分廣泛，從流域治理到社區建設，特別是新興環保行業的發展，將進一步推廣電磁流量計的應用。

    現場總線技術的優勢在于簡化對現場設備的監控和管理，以網絡管理逐步取代傳統的分散型控制系統。智能化電磁流量計以其自身的智能化技術與現場總線技術相結合，將能極大地滿足各個領域對其應用的要求。目前我國在工業領域應用較廣泛地總線技術有：HART通信協議,基金會現場總線,LONWORKS技術等，下面分別介紹智能電磁流量計與這些現場總線相結合時智能卡的設計。

    HART

    HART（Highway Addressable Remote Transducer）協議是一種過渡性協議，它采用FSK技術，在4～20mA過程測量模擬信號上疊加了一個頻率信號，使模擬信號與數字雙向通訊能同時進行，互不干擾。我國目前工業現場中4～20mA標準的模擬儀表仍大量存在，HART協議起到了承前啟后的作用，在我國得到了廣泛的應用。

    1.考慮與HART協議相結合，在設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，該種型號的芯片具有體積小、功耗低、系統設計簡單等特點，是所有8位單片機中功能最強的系列。CPU1控制A/D采樣、D/A轉換、數據處理和HART命令接口；CPU2產生矩形波勵磁信號和寬脈沖采樣信號（CPU2雖然任務少，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實現這些功能）；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，CPU2和CPU3為從機.

    2.A/D轉換電路采用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點，可對單極輸入與雙極輸入信號進行放大轉換。在智能卡的設計中，AD7715芯片用5V單電源供電，+2.5V的雙極性信號輸入，其中串行數據的輸入腳、輸出腳和串行時鐘輸入腳直接與CPU1的SPI口相連。

    3.D/A轉換電路采用環路供電芯片AD421,其16位分辨率和60.01%的非線性度特別適合于HART智能儀表的設計。AD421自帶的穩壓器提供＋5V電源，同時也為MODEM供電，與CPU1通過串行接口方式相連，CPU1輸出的數字信號直接進入AD421的數據輸入腳。同時將AD421與HART協議的MODEM芯片相連，1200Hz和2200Hz的調制正弦波就可以加到AD421芯片輸出的電流環路上，這樣就可以實現數字信號與模擬信號同時輸出。

    4.調制解調芯片（MODEM）選用SMAR公司生產的HT2012,HT2012是專門為HART產品而設計生產的。解調器通過IRXA獲得FSK信號，FSK信號經解調后在ORXD輸出數字信號，ORXD直接與CPU1的異步串行輸入口相連。調制器通過ITXD獲得CPU1異步串行輸出口的數字信號，該信號經調制后在OTXA輸出FSK信號，FSK信號經整形后加載到4～20mA輸出回路上。INRTS啟動調制解調器輸出FSK信號，OCD作為載波偵聽輸出，在IRXA有FSK信號時變為低電平，啟動CPU1讀取ORXD處的解調信號。由于HT2012芯片解調部分的輸入信號取自4～20mA回路，該信號必須經過帶通濾波器以除去環境噪聲干擾，并經觸發器轉換成方波進入IRXA。調制部分的輸入信號取自CPU1的異步串行輸出口，該信號必須在調制后經整形電路加載到4～20mA沒回路。

    基金會現場總線（FF）

    基金會現場總線（Foundation Fieldbus）是全分布式自動化系統，其開放性數字通信能力使自動化系統具備了網絡化特征，要完成的主要功能是對工業生產過程中各個參數進行測量、信號變送、控制、顯示、計算等，實現對生產過程的自動檢測、監視、自動調節、順序控制和自我保護，在通訊模式上它采用全數字通訊。因為FF系統將控制功能完全下放到現場，要求僅由現場儀表即可實現完整的控制功能，也即現場儀表除了能夠進行測量、計算外，彼此之間能夠進行通訊接收、發送和通訊控制，智能電磁流量計以其顯著的優勢，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可用作基金會現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。我所在進行九五攻關課題"符合FF協議的智能電磁流量計的開發"時，選用的是SMAR公司生產的FB3050芯片。

    1.該芯片符合SP50-2-1992 PART2中所規定的現場總線物理層標準，芯片設計時考慮了和各種流行的微處理器接口，既可用作現場總線上的主設備的通訊接口，也可用作從設備的通訊接口。為了減輕CPU的負擔，FB3050內部設計了數據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制，有了這套機制再加上DMA電路，FB3050可以不用CPU干預的情況下就能從網上全部正確接收屬于本節點的信息幀。

    2.網板上的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網板中的Intel80188芯片中。

    3.A/D采樣電路仍選用AD7715芯片，其數據輸入輸出線與80188的I/O口線相連，DRDY數據準備好線與中斷線INT1相連。80188在定時器到時開中斷，當DRDY為低電平時表示數據準備好，中斷響應，進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，是眾多現場總線標準中比較完善和優秀的一種。LONWORKS是基于網絡技術的總線產品，在美國等地已有廣泛應用，我國已有很多成功的應用實例，結合Echelon公司的OEM合作方式，LONWORKS 總線技術在我國將會有更廣闊的應用前景，因此將該技術應用在智能電磁流量計中也是十分必要的。

    LONWORKS現場控制網絡是一個局部操作網絡，為集散式監控系統提供了很強的實現手段。由于在系統中使用了路由器，使網絡可不受通訊介質、通訊距離、通訊速率的限制。智能電磁流量計與LONWORKS技術相結合，不僅方便了用戶，而且擴大了電磁流量計的應用領域。 

    在LONWORKS總線中每一個現場設備稱為節點，一個典型的現場控制節點主要包含以下幾部分功能塊：應用CPU、I/O處理單元、通訊處理器、收發器和電源。LONWORKS技術的核心是神經元芯片，它是節點的通訊協處理器，用以協調主機與節點之間的通訊與控制，以及各節點之間彼此的信息溝通。因為神經元芯片主要是利用高級主機的資源來完成復雜的測控功能，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，使得儀表在網絡忙時仍可獨立完成監測與控制功能。

    現場總線技術的廣泛應用是當今工業自動化發展的趨勢與必然，近早、更好地將現場總線技術與工業儀表相結合，是每一個工程技術人員應該認清的方向，并為之做出積極的努力。