带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计设计详解

随着工业自动化技术的快速发展，现场总线技术已成为工业控制系统中的核心组成部分。PROFIBUS-DP作为一种高效、可靠的现场总线协议，广泛应用于工业自动化领域。本文将详细阐述如何设计一种带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计，包括硬件设计、软件设计、元器件选型及其功能分析等方面。

一、设计背景与需求分析

1.1 设计背景

电磁流量计作为一种基于法拉第电磁感应定律的流量测量仪表，具有测量精度高、稳定性好、适用范围广等优点，在工业生产中得到了广泛应用。然而，传统的电磁流量计通常采用模拟信号输出或简单的数字通信协议，难以满足现代工业自动化系统对数据传输速率、实时性和可靠性的要求。因此，设计一种带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计，实现与工业自动化系统的无缝对接，具有重要的现实意义。

1.2 需求分析

在设计带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计时，需要满足以下需求：

1. 高精度测量：确保电磁流量计能够准确测量导电液体的体积流量。

2. 实时数据传输：通过PROFIBUS-DP接口实现与工业自动化系统的实时数据传输。

3. 智能化功能：具备数据存储、显示、报警等智能化功能。

4. 低功耗设计：降低系统功耗，提高能源利用效率。

5. 抗干扰能力强：确保系统在复杂电磁环境下稳定运行。

二、硬件设计

2.1 总体架构

带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计主要由传感器、信号处理电路、励磁电路、单片机系统、PROFIBUS-DP通信接口电路和电源系统等部分组成。其中，传感器负责采集导电液体的流量信号；信号处理电路对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波和转换；励磁电路为传感器提供稳定的励磁磁场；单片机系统负责信号处理、数据存储、显示和通信控制；PROFIBUS-DP通信接口电路实现与工业自动化系统的数据传输；电源系统为整个系统提供稳定的电源供应。

2.2 传感器选型与设计

传感器是电磁流量计的核心部件，其性能直接影响测量精度和稳定性。在本设计中，选用高精度、高稳定性的电磁流量传感器，如E+H公司的Proline Promag系列传感器。该传感器采用先进的电磁感应技术，具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。同时，传感器内置温度补偿电路，能够自动补偿温度变化对测量结果的影响，确保测量精度。

2.3 信号处理电路设计

信号处理电路的主要功能是对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波和转换。在本设计中，采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835AN实现线圈内的励磁电流信号与两电极输出流量信号的相乘。AD835具有很高的差分输入阻抗，无需外接阻抗变换电路，简化了电路设计。乘法器输出信号经过放大与电平的提升后，再先后经过高低通滤波器进入单片机进行A/D转换。高低通滤波器的截止频率分别为0.33 Hz和126 Hz，能够有效滤除高频噪声和低频干扰，提高信号质量。

2.4 励磁电路设计

励磁电路为传感器提供稳定的励磁磁场。在本设计中，采用三值梯形波励磁方式，通过16位D/A转换芯片DAC7731产生励磁信号。DAC7731通过电平转换芯片SN74AHC245与MSP430F149单片机的USART通信模块相连，实现励磁信号的精确控制。此励磁信号产生电路通过MSP430F149单片机的定时器进行分频，可软件编程修改励磁频率，为电磁流量计选择不同的励磁频率提供了更大的方便。功率放大电路部分采用互补对称式功率放大电路，通过运算放大器对励磁信号电压放大，两级互补对称功率放大电路对励磁信号电流放大，之后输入电磁流量计励磁线圈，作为励磁电压。此电路可线性放大梯形波斜边部分，满足了梯形波励磁方式的要求。

2.5 单片机系统设计

单片机系统是智能电磁流量计的控制核心，负责信号处理、数据存储、显示和通信控制等功能。在本设计中，采用双CPU设计，16位单片机MSP430F149作为核心部件，实现信号的采集处理、LCD显示、存储及与8位单片机PIC18F4520进行数据交换。MSP430F149具有低功耗、高性能、丰富的外设接口等优点，非常适合用于工业自动化仪表的设计。PIC18F4520和PROFIBUS现场总线专用协议芯片SPC3是PROFIBUS-DP接口部分的核心部件。PIC18F4520负责与MSP430F149交换数据及与SPC3通信等功能的实现，SPC3负责把主站送来的数据拆包，送往PIC18F4520，同时把PIC18F4520送来的数据打包，上传给主站。

2.6 PROFIBUS-DP通信接口电路设计

PROFIBUS-DP通信接口电路是实现与工业自动化系统数据传输的关键部分。在本设计中，采用PIC18F4520作为处理器单元管理通信事务，SPC3协议芯片则完成数据的转换和收发功能。PIC18F4520与SPC3之间的连接采用Intel芯片并工作于同步模式，此时片选信号输入引脚XCS不起作用，接高电平；地址锁存信号ALE起作用，接处理器RB3，SPC3内部地址锁存器和解码电路工作。CPU与SPC3通过SPC3的双口RAM交换数据，SPC3的双口RAMS应在CPU地址空间统一分配地址，CPU把这片RAM当作自己的外部RAM。为提高系统的抗干扰性，SPC3内部线路必须与物理接口在电气上隔离，此处采用速率可达25Mb/s的HCPL7721高速光耦，收发器采用SN75ALS176，足以满足本系统的应用。

2.7 电源系统设计

电源系统为整个系统提供稳定的电源供应。在本设计中，采用5V供电，而MSP430F149采用3.3V电压供电。考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此该硬件系统的3.3V电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现。TPS76033是一款低功耗、高精度的线性稳压器，具有输出电压稳定、纹波小、负载调整率高等优点，非常适合用于工业自动化仪表的电源设计。

三、元器件选型及其功能分析

3.1 MSP430F149单片机

功能：作为智能电磁流量计的核心控制单元，负责信号的采集处理、LCD显示、存储及与PIC18F4520进行数据交换。

选型理由：MSP430F149是一款16位低功耗单片机，具有高性能、丰富的外设接口和低功耗模式等优点。其内置的16位定时器、ADC、USART等模块能够满足智能电磁流量计对信号处理、数据采集和通信控制的需求。同时，MSP430F149的低功耗特性有助于降低系统功耗，提高能源利用效率。

3.2 PIC18F4520单片机

功能：作为PROFIBUS-DP通信接口的处理单元，负责与MSP430F149交换数据及与SPC3通信等功能的实现。

选型理由：PIC18F4520是一款8位高性能单片机，具有丰富的外设接口和强大的处理能力。其内置的EUSART模块能够满足与SPC3协议芯片的通信需求。同时，PIC18F4520的低功耗特性和高可靠性有助于确保PROFIBUS-DP通信接口的稳定运行。

3.3 SPC3协议芯片

功能：作为PROFIBUS-DP协议的专用芯片，负责数据的转换和收发功能。

选型理由：SPC3是西门子开发的用于PROFIBUS-DP总线的智能化接口芯片，集成了完整的DP协议，包括方式寄存器、状态寄存器、中断寄存器等组件。其内置的双口RAM和高速光耦接口能够确保数据的快速、准确传输。同时，SPC3支持12Mbaud总线速率，有效分担处理器压力，提高系统性能。

3.4 AD835AN乘法器芯片

功能：实现线圈内的励磁电流信号与两电极输出流量信号的相乘。

选型理由：AD835AN是一款四象限高速高精度乘法器芯片，具有很高的差分输入阻抗和线性度。其内置的运算放大器能够实现对微弱信号的精确放大和转换。同时，AD835AN的低功耗特性和高可靠性有助于确保信号处理电路的稳定运行。

3.5 DAC7731 D/A转换芯片

功能：产生励磁信号。

选型理由：DAC7731是一款16位D/A转换芯片，具有高精度、高分辨率和低噪声等优点。其内置的参考电压源和输出缓冲器能够确保励磁信号的稳定性和准确性。同时，DAC7731的SPI接口便于与单片机进行通信和控制。

3.6 TPS76033线性稳压器

功能：为MSP430F149单片机提供稳定的3.3V电源供应。

选型理由：TPS76033是一款低功耗、高精度的线性稳压器，具有输出电压稳定、纹波小、负载调整率高等优点。其内置的过流保护和过热保护功能能够确保电源系统的安全性和可靠性。同时，TPS76033的低功耗特性有助于降低系统功耗，提高能源利用效率。

四、软件设计

4.1 主程序设计

主程序是智能电磁流量计软件系统的核心部分，负责初始化系统、调用各个功能模块、处理中断请求等任务。在本设计中，主程序采用结构化、模块化的设计方法，将各个功能模块封装成独立的子程序或函数，便于程序的编写、调试和维护。主程序流程主要包括系统初始化、键盘菜单处理、定时器中断处理、三值梯形波励磁信号产生、A/D采样处理、LCD显示处理、串口通信处理等部分。

4.2 PROFIBUS-DP通信接口程序设计

PROFIBUS-DP通信接口程序是实现与工业自动化系统数据传输的关键部分。在本设计中，采用PIC18F4520单片机作为处理器单元管理通信事务，SPC3协议芯片则完成数据的转换和收发功能。PROFIBUS-DP通信接口程序主要包括SPC3初始化、数据接收处理、数据发送处理、中断处理等部分。在SPC3初始化过程中，需要设置SPC3的工作模式、波特率、站地址等参数。在数据接收处理过程中，需要读取SPC3接收缓冲区的数据，并进行解析和处理。在数据发送处理过程中，需要将需要发送的数据写入SPC3发送缓冲区，并触发发送操作。在中断处理过程中，需要响应SPC3产生的中断请求，并进行相应的处理。

4.3 信号处理程序设计

信号处理程序是智能电磁流量计软件系统的重要组成部分，负责对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波和转换。在本设计中，采用AD835AN乘法器芯片实现线圈内的励磁电流信号与两电极输出流量信号的相乘。信号处理程序主要包括A/D采样处理、乘法器输出信号处理、高低通滤波处理等部分。在A/D采样处理过程中，需要读取MSP430F149单片机内置的ADC模块的采样结果，并进行数字滤波和校准处理。在乘法器输出信号处理过程中，需要将A/D采样结果与励磁信号进行相乘运算，得到流量信号。在高低通滤波处理过程中，需要对流量信号进行滤波处理，滤除高频噪声和低频干扰。

4.4 LCD显示程序设计

LCD显示程序是智能电磁流量计软件系统的重要组成部分，负责将测量结果、报警信息等数据显示在LCD屏幕上。在本设计中，采用MSP430F149单片机内置的LCD驱动模块控制LCD屏幕的显示。LCD显示程序主要包括LCD初始化、显示内容更新、显示格式设置等部分。在LCD初始化过程中，需要设置LCD屏幕的工作模式、显示模式、背光亮度等参数。在显示内容更新过程中，需要将测量结果、报警信息等数据转换为LCD屏幕能够识别的格式，并写入LCD屏幕的显示缓冲区。在显示格式设置过程中，需要设置LCD屏幕的显示格式、字体大小、颜色等参数。

五、系统测试与验证

5.1 硬件测试

在硬件测试阶段，需要对各个硬件模块进行单独测试和联合测试。单独测试主要包括传感器测试、信号处理电路测试、励磁电路测试、单片机系统测试、PROFIBUS-DP通信接口电路测试和电源系统测试等部分。通过单独测试，可以验证各个硬件模块的功能和性能是否满足设计要求。联合测试则是将各个硬件模块连接在一起，进行整体测试。通过联合测试，可以验证整个系统的功能和性能是否满足设计要求。

5.2 软件测试

在软件测试阶段，需要对各个软件模块进行单独测试和联合测试。单独测试主要包括主程序测试、PROFIBUS-DP通信接口程序测试、信号处理程序测试、LCD显示程序测试等部分。通过单独测试，可以验证各个软件模块的功能和性能是否满足设计要求。联合测试则是将各个软件模块集成在一起，进行整体测试。通过联合测试，可以验证整个软件系统的功能和性能是否满足设计要求。

5.3 系统验证

在系统验证阶段，需要将智能电磁流量计接入工业自动化系统，进行实际应用测试。通过实际应用测试，可以验证智能电磁流量计在实际应用中的性能和稳定性是否满足设计要求。同时，还可以收集用户反馈意见，对智能电磁流量计进行进一步优化和改进。

六、结论与展望

本文详细阐述了一种带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计的设计方法，包括硬件设计、软件设计、元器件选型及其功能分析等方面。通过采用双CPU设计、高精度传感器、高性能单片机和PROFIBUS-DP通信接口等技术手段，实现了智能电磁流量计的高精度测量、实时数据传输和智能化功能。同时，通过合理的元器件选型和电路设计，确保了系统的稳定性和可靠性。未来，随着工业自动化技术的不断发展，带PROFIBUS-DP接口的智能电磁流量计将在更多领域得到广泛应用。同时，还可以进一步探索新的技术和方法，提高智能电磁流量计的性能和功能，满足工业自动化系统对流量测量的更高要求。