1、从现场总线技术看电磁流量计智能卡的设计消息来源：北极星电技术网 发布时间：2004 年 6 月 22 日 10:3 涉及厂商：无相关厂商当今现场总线技术的发展日新月异，应用领域也日趋广泛，从家庭、能源、楼宇，到工业现场。为了适应市场的需要，国内外各大公司纷纷推出新一代的各具特色的智能化流量仪表，其中结合现场总线技术的智能电磁流量计的开发尤为引人注目，这是由于电磁流量计的特点决定的。 1)在各种流量仪表中，电磁流量计涉及的智能化功能最多，智能化技术的应用不仅有利于提高电磁流量计的性能，而且易于与现场总线技术相结合。 2)电磁流量计的用途十分广泛，从流域治理到社区建设，特别是新兴环保行业的发展，将
2、进一步推广电磁流量计的应用。 现场总线技术的优势在于简化对现场设备的监控和管理，以网络管理逐步取代传统的分散型控制系统。智能化电磁流量计以其自身的智能化技术与现场总线技术相结合，将能极大地满足各个领域对其应用的要求。目前我国在工业领域应用较广泛地总线技术有：HART 通信协议,基金会现场总线,LONWORKS 技术等，下面分别介绍智能电磁流量计与这些现场总线相结合时智能卡的设计。 HART HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种过渡性协议，它采用 FSK 技术，在 420mA 过程测量模拟信号上叠加了一个频率信号，使模拟信号与数字双向通
3、讯能同时进行，互不干扰。我国目前工业现场中 420mA 标准的模拟仪表仍大量存在，HART 协议起到了承前启后的作用，在我国得到了广泛的应用。1.考虑与 HART 协议相结合，在设计电磁流量计智能卡时采用三 CPU 方案。CPU 选用 Motorola 公司的 68HC11 单片机，该种型号的芯片具有体积小、功耗低、系统设计简单等特点，是所有 8 位单片机中功能最强的系列。CPU1 控制 A/D 采样、D/A 转换、数据处理和 HART 命令接口；CPU2 产生矩形波励磁信号和宽脉冲采样信号（CPU2 虽然任务少，功能简单，但由于它的可靠工作是整台仪表正常工作的保障，所以单独用一块单片机实现这
4、些功能）；CPU3 管理键盘操作和液晶显示（CPU3 与智能板的接口可做成插拔式的，是否需要 CPU3 可由用户选择）。三块CPU 之间的通讯采用同步串行 SPI 方式，CPU1 为主机，CPU2 和 CPU3 为从机. 2.A/D 转换电路采用 AD7715 芯片，这是一种用于低频测量仪器的芯片，它具有16 位无误码分辨率、良好的抗干扰性等优点，可对单极输入与双极输入信号进行放大转换。在智能卡的设计中，AD7715 芯片用 5V 单电源供电，+2.5V 的双极性信号输入，其中串行数据的输入脚、输出脚和串行时钟输入脚直接与 CPU1 的 SPI口相连。 3.D/A 转换电路采用环路供电芯片 A
5、D421,其 16 位分辨率和 60.01%的非线性度特别适合于 HART 智能仪表的设计。AD421 自带的稳压器提供5V 电源，同时也为 MODEM 供电，与 CPU1 通过串行接口方式相连， CPU1 输出的数字信号直接进入 AD421 的数据输入脚。同时将 AD421 与 HART 协议的 MODEM 芯片相连，1200Hz 和 2200Hz 的调制正弦波就可以加到 AD421 芯片输出的电流环路上，这样就可以实现数字信号与模拟信号同时输出。 4.调制解调芯片（MODEM）选用 SMAR 公司生产的 HT2012,HT2012 是专门为HART 产品而设计生产的。解调器通过 IRXA
6、获得 FSK 信号，FSK 信号经解调后在 ORXD 输出数字信号，ORXD 直接与 CPU1 的异步串行输入口相连。调制器通过 ITXD 获得 CPU1 异步串行输出口的数字信号，该信号经调制后在 OTXA 输出FSK 信号，FSK 信号经整形后加载到 420mA 输出回路上。INRTS 启动调制解调器输出 FSK 信号，OCD 作为载波侦听输出，在 IRXA 有 FSK 信号时变为低电平，启动 CPU1 读取 ORXD 处的解调信号。由于 HT2012 芯片解调部分的输入信号取自 420mA 回路，该信号必须经过带通滤波器以除去环境噪声干扰，并经触发器转换成方波进入 IRXA。调制部分的输
7、入信号取自 CPU1 的异步串行输出口，该信号必须在调制后经整形电路加载到 420mA 没回路。 基金会现场总线（FF） 基金会现场总线（Foundation Fieldbus）是全分布式自动化系统，其开放性数字通信能力使自动化系统具备了网络化特征，要完成的主要功能是对工业生产过程中各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自我保护，在通讯模式上它采用全数字通讯。因为 FF 系统将控制功能完全下放到现场，要求仅由现场仪表即可实现完整的控制功能，也即现场仪表除了能够进行测量、计算外，彼此之间能够进行通讯接收、发送和通讯控制，智能电磁流量计
8、以其显著的优势，不仅完全能够满足 FF 总线的需要，而且能够简化自身的硬件电路，降低成本，提高仪表的可靠性。 目前多家公司都生产可用作基金会现场总线通讯控制器的芯片，如日本的横河公司、富士公司，美国的 SHIPSTAR 公司，巴西的 SMAR 公司等。我所在进行九五攻关课题“符合 FF 协议的智能电磁流量计的开发“时，选用的是 SMAR 公司生产的 FB3050 芯片。 1.该芯片符合 SP50-2-1992 PART2 中所规定的现场总线物理层标准，芯片设计时考虑了和各种流行的微处理器接口，既可用作现场总线上的主设备的通讯接口，也可用作从设备的通讯接口。为了减轻 CPU 的负担，FB3050
9、 内部设计了数据链路层地址及帧的自动识别处理器，提供了一套自动识别帧控制字和帧目的地址的逻辑机制，有了这套机制再加上 DMA 电路，FB3050 可以不用 CPU 干预的情况下就能从网上全部正确接收属于本节点的信息帧。 2.网板上的 CPU 选用嵌入式控制中最常用的 Intel80188 芯片。80188 存储器空间为 1MB，最大 IO 寻址空间为 64KB，并集成了一套中断控制器、两路 DMA 控制器、3 个 16 位定时器、6 条可编程的存储器片选线、7 条可编程的 IO 接口片选线。鉴于 80188 芯片的丰富资源，在设计流量计智能卡时可以将 HART 智能电磁流量计智能板中 CPU1
10、 中的功能完全上移至 FF 网板中的 Intel80188 芯片中。 3.A/D 采样电路仍选用 AD7715 芯片，其数据输入输出线与 80188 的 I/O 口线相连，DRDY 数据准备好线与中断线 INT1 相连。80188 在定时器到时开中断，当DRDY 为低电平时表示数据准备好，中断响应，进入中断采样处理程序。原有的CPU2、 CPU3 仍可保留（CPU3 由用户选择），其 SPI 口线可与 80188 的 I/O 线相连，用模拟 SPI 方式通讯。因为 FF 总线是全数字通讯，所以 4-20mA 电路部分可以省去。 LONWORKS 总线 LONWORKS 总线是由美国 Echel
11、on 公司推出的，是众多现场总线标准中比较完善和优秀的一种。LONWORKS 是基于网络技术的总线产品，在美国等地已有广泛应用，我国已有很多成功的应用实例，结合 Echelon 公司的 OEM 合作方式，LONWORKS 总线技术在我国将会有更广阔的应用前景，因此将该技术应用在智能电磁流量计中也是十分必要的。 LONWORKS 现场控制网络是一个局部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段。由于在系统中使用了路由器，使网络可不受通讯介质、通讯距离、通讯速率的限制。智能电磁流量计与 LONWORKS 技术相结合，不仅方便了用户，而且扩大了电磁流量计的应用领域。 在 LONWORKS 总线中
12、每一个现场设备称为节点，一个典型的现场控制节点主要包含以下几部分功能块：应用 CPU、I/O 处理单元、通讯处理器、收发器和电源。LONWORKS 技术的核心是神经元芯片，它是节点的通讯协处理器，用以协调主机与节点之间的通讯与控制，以及各节点之间彼此的信息沟通。因为神经元芯片主要是利用高级主机的资源来完成复杂的测控功能，其外围电路简单、体积小，可做成插拔式的与仪表通讯卡接口。这样在设计电路时既保持了仪表通讯卡的通用性，又提高了抗干扰能力，使得仪表在网络忙时仍可独立完成监测与控制功能。一个用户节点的结构框图如图 2 所示。 现场总线技术的广泛应用是当今工业自动化发展的趋势与必然，近早、更好地将现场总线技术与工业仪表相结合，是每一个工程技术人员应该认清的方向，并为之做出积极的努力。
