从现场总线技术看电磁流量计智能卡的设计

    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。本文将介绍利用现场总线来设计电磁流量计智能卡。 

    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4～20mA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讯能同时进行，互不干扰。我国目前工业现场中4～20mA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4～20mA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4～20mA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4～20mA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、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。 

    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。