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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
2、发展，将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
3、拟信号 与数字双向通讯能同时进行，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
4、保障，所以单独用一块单片机实现这些功能）；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。
5、 3.D/A 转换电路采用环路供电芯片 AD421,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
6、 HART 产品而设计生产的。解调器通过 IRXA 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
7、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（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，
8、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
9、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 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
10、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 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
11、 总线是全数字通讯，所以 4-20mA 电路部分可 以省去。 LONWORKS 总线总线 LONWORKS 总线是由美国 Echelon 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、
12、 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。
