當今現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展日新月異，應用領(lǐng)域也日趨廣泛，從家庭、能源、樓宇，到工業(yè)現場(chǎng)。為了適應市場(chǎng)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?jì)x表，其中結合現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能電磁流量計的開(kāi)發(fā)尤為引人注目，這是由于電磁流量計的特點(diǎn)決定的。

    1)在各種流量?jì)x表中，電磁流量計涉及的智能化功能最多，智能化技術(shù)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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)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(huán)保行業(yè)的發(fā)展，將進(jìn)一步推廣電磁流量計的應用。

    現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢在于簡(jiǎn)化對現場(chǎng)設備的監控和管理，以網(wǎng)絡(luò )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(shù)與現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)相結合，將能極大地滿(mǎn)足各個(gè)領(lǐng)域對其應用的要求。目前我國在工業(yè)領(lǐng)域應用較廣泛地總線(xiàn)技術(shù)有：HART通信協(xié)議,基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn),LONWORKS技術(shù)等，下面分別介紹智能電磁流量計與這些現場(chǎng)總線(xiàn)相結合時(shí)智能卡的設計。 

HART

    HART（Highway Addressable Remote Transducer）協(xié)議是一種過(guò)渡性協(xié)議，它采用FSK技術(shù)，在4～20mA過(guò)程測量模擬信號上疊加了一個(gè)頻率信號，使模擬信號與數字雙向通訊能同時(shí)進(jìn)行，互不干擾。我國目前工業(yè)現場(chǎng)中4～20mA標準的模擬儀表仍大量存在，HART協(xié)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(xié)議相結合，在設計電磁流量計智能卡時(shí)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(jiǎn)單等特點(diǎn)，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(chǎn)生矩形波勵磁信號和寬脈沖采樣信號（CPU2雖然任務(wù)少，功能簡(jiǎn)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(shí)現這些功能）；CPU3管理鍵盤(pán)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(hù)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?jì)x器的芯片，它具有16位無(wú)誤碼分辨率、良好的抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)，可對單極輸入與雙極輸入信號進(jìn)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(shí)鐘輸入腳直接與CPU1的SPI口相連。

    3.D/A轉換電路采用環(huán)路供電芯片AD421,其16位分辨率和60.01%的非線(xiàn)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(shí)也為MODEM供電，與CPU1通過(guò)串行接口方式相連，CPU1輸出的數字信號直接進(jìn)入AD421的數據輸入腳。同時(shí)將AD421與HART協(xié)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(huán)路上，這樣就可以實(shí)現數字信號與模擬信號同時(shí)輸出。

    4.調制解調芯片（MODEM）選用SMAR公司生產(chǎn)的HT2012,HT2012是專(zhuān)門(mén)為HART產(chǎn)品而設計生產(chǎn)的。解調器通過(guò)IRXA獲得FSK信號，FSK信號經(jīng)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(guò)ITXD獲得CPU1異步串行輸出口的數字信號，該信號經(jīng)調制后在OTXA輸出FSK信號，FSK信號經(jīng)整形后加載到4～20mA輸出回路上。INRTS啟動(dòng)調制解調器輸出FSK信號，OCD作為載波偵聽(tīng)輸出，在IRXA有FSK信號時(shí)變?yōu)榈碗娖?，啟?dòng)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(jīng)過(guò)帶通濾波器以除去環(huán)境噪聲干擾，并經(jīng)觸發(fā)器轉換成方波進(jìn)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(jīng)整形電路加載到4～20mA沒(méi)回路。

基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）

　　基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（Foundation Fieldbus）是全分布式自動(dòng)化系統，其開(kāi)放性數字通信能力使自動(dòng)化系統具備了網(wǎng)絡(luò )化特征，要完成的主要功能是對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)參數進(jìn)行測量、信號變送、控制、顯示、計算等，實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測、監視、自動(dòng)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(chǎng)，要求僅由現場(chǎng)儀表即可實(shí)現完整的控制功能，也即現場(chǎng)儀表除了能夠進(jìn)行測量、計算外，彼此之間能夠進(jìn)行通訊接收、發(fā)送和通訊控制，智能電磁流量計以其顯著(zhù)的優(yōu)勢，不僅完全能夠滿(mǎn)足FF總線(xiàn)的需要，而且能夠簡(jiǎn)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(chǎn)可用作基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)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(jìn)行九五攻關(guān)課題"符合FF協(xié)議的智能電磁流量計的開(kāi)發(fā)"時(shí)，選用的是SMAR公司生產(chǎn)的FB3050芯片。

　　1.該芯片符合SP50-2-1992 PART2中所規定的現場(chǎng)總線(xiàn)物理層標準，芯片設計時(shí)考慮了和各種流行的微處理器接口，既可用作現場(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)識別處理器，提供了一套自動(dòng)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(wǎng)上全部正確接收屬于本節點(diǎn)的信息幀。

　　2.網(wǎng)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(gè)16位定時(shí)器、6條可編程的存儲器片選線(xiàn)、7條可編程的IO接口片選線(xiàn)。鑒于80188芯片的豐富資源，在設計流量計智能卡時(shí)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(wǎng)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(xiàn)與80188的I/O口線(xiàn)相連，DRDY數據準備好線(xiàn)與中斷線(xiàn)INT1相連。80188在定時(shí)器到時(shí)開(kāi)中斷，當DRDY為低電平時(shí)表示數據準備好，中斷響應，進(jìn)入中斷采樣處理程序。原有的CPU2、CPU3仍可保留（CPU3由用戶(hù)選擇），其SPI口線(xiàn)可與80188的I/O線(xiàn)相連，用模擬SPI方式通訊。因為FF總線(xiàn)是全數字通訊，所以4-20mA電路部分可以省去。

LONWORKS總線(xiàn)

　　LONWORKS 總線(xiàn)是由美國Echelon公司推出的，是眾多現場(chǎng)總線(xiàn)標準中比較完善和優(yōu)秀的一種。LONWORKS是基于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的總線(xiàn)產(chǎn)品，在美國等地已有廣泛應用，我國已有很多成功的應用實(shí)例，結合Echelon公司的OEM合作方式，LONWORKS 總線(xiàn)技術(shù)在我國將會(huì )有更廣闊的應用前景，因此將該技術(shù)應用在智能電磁流量計中也是十分必要的。

    LONWORKS現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)局部操作網(wǎng)絡(luò )，為集散式監控系統提供了很強的實(shí)現手段。由于在系統中使用了路由器，使網(wǎng)絡(luò )可不受通訊介質(zhì)、通訊距離、通訊速率的限制。智能電磁流量計與LONWORKS技術(shù)相結合，不僅方便了用戶(hù)，而且擴大了電磁流量計的應用領(lǐng)域。

　　在LONWORKS總線(xiàn)中每一個(gè)現場(chǎng)設備稱(chēng)為節點(diǎn)，一個(gè)典型的現場(chǎng)控制節點(diǎn)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(fā)器和電源。LONWORKS技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片，它是節點(diǎn)的通訊協(xié)處理器，用以協(xié)調主機與節點(diǎn)之間的通訊與控制，以及各節點(diǎn)之間彼此的信息溝通。因為神經(jīng)元芯片主要是利用高級主機的資源來(lái)完成復雜的測控功能，其外圍電路簡(jiǎn)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(shí)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(wǎng)絡(luò )忙時(shí)仍可獨立完成監測與控制功能。一個(gè)用戶(hù)節點(diǎn)的結構框圖如圖2所示。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的廣泛應用是當今工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的趨勢與必然，近早、更好地將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與工業(yè)儀表相結合，是每一個(gè)工程技術(shù)人員應該認清的方向，并為之做出積極的努力。