CN101221057A

CN101221057A - 现场总线电磁流量计

Info

Publication number: CN101221057A
Application number: CNA2008100521037A
Authority: CN
Inventors: 陈会庆; 张辉; 孙丽梅
Original assignee: TIANJIN TIANYI GROUP INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: TIANJIN TIANYI GROUP INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2008-07-16

Abstract

本发明涉及电磁流量计，特别是一种基于Profibus－DP现场总线电磁流量计。解决现有电磁流量计与监控装置必须一一连接控制，单独布线所存在的成本高、施工繁、系统功耗大的问题，其技术方案包括有：传感器；接于传感器输出的前置放大电路；接于前置放大电路输出的低通滤波电路；接于低通滤波及单片机电路输出的开关采样电路；接于开关采样电路输出的A/D转换电路；接于A/D转换电路输出，计算当前流量数据的单片机电路；接于单片机电路输出的励磁电路；输出接于单片机电路的键盘电路；连接于单片机电路输出的显示电路，还包括有以I/O接口连接于单片机电路的Profibus－DP通讯接口电路，本发明成本低、功耗小、精度高。

Description

现场总线电磁流量计

技术领域：

本发明涉及测量连续通过仪表的导电液体的流量计，特别是电磁流量计，具体是一种基于Profibus-DP现场总线电磁流量计。本装置能够实现现场管道流量数据的计量，并且能够将流量数据通过Profibus-DP现场总线传送给Profibus-DP主站进行数据处理，Profibus-DP主站通过Profibus-DP现场总线也可以对本电磁流量计进行部分参数的修改。

技术背景

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。50年代初电磁流量计实现了工业化应用，近年来世界范围电磁流量计产量约占工业流量仪表台数的5％～6.5％。70年代以来出现低频矩形波励磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流励磁方式，降低了干扰信号强度，仪表性能及稳定性有了很大提高，得到更为广泛的应用。

现场总线是20世纪80年代中后期随着计算机、通信、控制和模块集成等技术发展而产生的一门新兴技术，是目前自动化控制领域的最新阶段。现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制设备之间实现双向、串行、多节点数字通讯的技术，现场总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。目前，国际上影响较大的现场总线有40多种，比较流行的主要有FF、Profibus、CAN、DeviceNet、LonWorks等现场总线。

Profibus总线由Profibus-DP、Profibus-FMS、Profibus-PA三个兼容部分组成。其中Profibus-DP用于传感器和执行器级间的高速数据传输，可根据需要达到的目标对通信功能加以扩充，Profibus-DP的传输速率可以达到12Mbit/s，一般构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传输方式工作。

传统的电磁流量计将流量数据采集后，一般通过4-20mA电流信号、脉冲频率信号、RS232通讯将数据信息传送到控制监视装置。监控装置与现场电磁流量计必须一对一连接控制，这些信号都需要单独布线，如果距离比较远就存在成本高、现场施工困难、数据传送限制。例如4-20mA电流信号传输，如果距离较远则连接线缆的功耗就比较大，会影响信号的精度和增加系统功耗。

发明内容

为解决现有电磁流量计在数据传送和控制方面存在的问题，本发明提供并公开一种基于Profibus-DP现场总线电磁流量计。本电磁流量计通过Profibus-DP现场总线将各种信息数据传送给系统主站进行处理，有利于系统设备的综合管理与控制，并可与其它支持Profibus-DP现场总线协议的设备进行系统集成。

本发明的现场总线电磁流量计，其技术方案包括有：励磁线圈连接于励磁电路，电极输出接于前置放大电路输入的传感器；输入接于传感器输出端，接收传感器信号并将其放大的前置放大电路；接于前置放大电路的输出接收其放大信号并将其高频成分滤除的低通滤波电路；接于低通滤波电路和单片机电路输出将其输出信号进行采样的开关采样电路；接于开关采样电路输出并将其输出模拟量转换为数字量的A/D转换电路；接于A/D转换电路输出，计算当前流量数据的单片机电路；输入接于单片机电路输出，由单片机电路控制向传感器发送励磁电流的励磁电路；输出连接于单片机的键盘电路；连接于单片机电路输出的显示电路，特征是还包括有：以I/O接口连接于单片机电路的Profibus-DP通讯接口电路。

其前置放大电路由J4、电容C5、C6、R32、R33连接至传感器信号输出，输出连接至U11输入管脚2、3，U11管脚4、5接C7、C9，输入偏移电压，U11管脚1、8连接电阻R34调节放大比例，U11输出管脚6连接于低通滤波放大电路输入R15处，U11采用AD620集成芯片。

其A/D转换电路主要由U14、U15构成，U14是高精度A/D转换芯片，采用AD7799，其5、6输入脚连接于开关采样电路U13A、U13B输出与C18、C19连接点2、10，输出脚1、15、16连接于单片机U8的7、6、5脚。U15是一款基准电压源MAX6002，输入电压为+5V，输出为+2.5V的基准电压，用于U14的参考电压。U15输入1脚连接于供电电压Vcc，参考电压输出2脚连接于U14参考电压输入管脚9，所接C13、C14、C15、C16另端接地为滤波电容。

其以I/O接口连接于单片机电路的Profibus-DP通讯接口8主要由U3、U4、U5、U7A、U7B、U7C、U9构成，电路中单片机U8的P0口32-39脚与U3的11、12、15、16，18-22脚连接，P2口的21-28与U3的40-44，31、32、37脚连接，U8管脚16、17、30、8、12与U3的2、4、24、36、9脚相连，控制U3进行总线上的数据发送与读取。U3管脚27控制信号发送和接收状态，管脚电平为高时为发送状态，管脚电平为低时为接收状态。U3管脚27连接至U7A输入，U7A输出连接至U4的3脚输入，U4的6脚输出连接至U9输入2、3管脚，控制总线发送和接收状态。U3接收U8单片机命令控制输出数据，U3管脚26输出发送数据，经过U7B、U7C连接至U5输入3脚，U5输出8脚连接至U9输入4脚，U9将数据发送至Profibus-DP总线上。U9从Profibus-DP总线上接收数据，从管脚1输出至U5输入6脚，U5输出1脚连接至U3输入30脚，U3接收数据后等待单片机U8控制读取。

其工作原理是：单片机电路控制励磁电路发送励磁电流给传感器，励磁电流流经传感器线圈产生感应磁场，导电液体流经传感器产生感应电压信号，感应电压信号进入前置放大电路、低通滤波电路、A/D转换电路最后转换成数字信号进入单片机电路，单片机电路经过数据处理可计算出当前的管道流量数据。

单片机电路通过专用芯片SPC4连接到Profibus-DP总线上与主站进行数据交换。初始化过程中，单片机电路将本机地址写入专用芯片SPC4。发送数据时，单片机电路将数据按照预定格式发送至专用芯片SPC4内部存储器，由专用芯片SPC4对数据进行重新打包，再由专用芯片SPC4将数据发送至Profibus-DP总线上。接收数据时，专用芯片SPC4从Profibus-DP总线上接收主站相应数据，对数据解析存入内部存储器，并由单片机控制读取，单片机接收到数据后再进行相应处理。

优点及积极效果：本发明监控装置与现场电场电磁流量计不需一对一连接控制，各信号不需要长距离单独布线，故成本低且避免了现场施工困难、数据传送限制。另外，也消除了远距离传递电流信号时因连接线缆的功耗大，影响信号的精度和增加系统功耗的问题。

附图说明

图1.本发明基于Profibus-DP现场总线电磁流量计的电路功能框图；

图2.本发明基于Profibus-DP现场总线电磁流量计的电路原理图；

图3.本发明基于Profibus-DP现场总线电磁流量计的主程序流程图；

图4.本发明基于Profibus-DP现场总线电磁流量计主程序的定时中断程序图；

图5.本发明基于Profibus-DP现场总线电磁流量计主程序的外部中断程序图；

图6：传感器原理示意图。

具体实施方案：

为了进一步说明本发明的内容、技术方案及特点再举以下实施例并结合附图详细说明如下：

图1是基于Profibus-DP现场总线电磁流量计的电路结构框图，如图1所示，本发明现场总线电磁流量计包括有：励磁线圈L连接于励磁电路6的输出，电极P输出接于前置放大电路输入的传感器10；输入接于传感器输出，接收传感器号U并将其放大的前置放大电路1；接于前置放大电路的输出，接收其放大信号并将其高频成分滤除的低通滤波电路2；接于低通滤波电路及单片机电路输出并将其输出信号进行采样的开关采样电路3；接于开关采样电路输出并将其输出模拟量转换为数字量的A/D转换电路4；接于A/D转换电路输出，计算当前流量数据的单片机电路5；输入接于单片机电路输出，由单片机电路控制向传感器发送励磁电流的励磁电路6；输出连接于单片机电路的键盘电路7；连接于单片机电路输出的显示电路9，还包括有：以I/O接口连接于单片机电路的Profibus-DP通讯接口电路8。

其工作原理是：单片机管脚控制发送励磁信号至励磁电路6，励磁电路产生励磁电流传递至传感器线圈L产生磁场B，当管道中速度为V的导电流体流过传感器磁场B时，因切割磁力线在电极间产生相应的感应电压信号U。感应电压经过前置信号放大和低通滤波电路，对有用信号进行放大并滤除高频信号后再传至开关采样电路3。单片机通过控制开关采样，在预计时间内采集信号并予以保持。开关采样电路信号输出接至A/D转换电路4，将模拟电压信号转换成单片机能够处理的数字信号并接输至单片机电路5，单片机收到数据后可以计算出当前流体的流速V和流量。单片机将数据输至液晶显示电路9进行显示，并以I/O接口双向接输至Profibus-DP通讯接口电路，通过Profibus-DP总线通讯接口电路将数据传送至Profibus总线网络上。

图2是本发明基于Profibus-DP现场总线的电磁流量计的电路原理图。如图2所示，本发明电磁流量计实施例主要由虚线框表示的10个部分组成，即由传感器10；前置放大电路1；低通滤波电路2；开关采样电路3；A/D转换电路4；单片机电路5；励磁电路6；键盘电路7；Profibus通讯接口电路8；显示电路9组成。下面将10个部分组成及其连接分述于下：

前置放大电路1主要由仪表放大器U11组成。J4连接传感器电极，与其连接的C5、C6、R32、R33用于隔离电极直流干扰信号。放大器U11采用AD620集成芯片，U11管脚5接C7、C9并输入偏移电压，管脚7接电源VCC及C8接地，管脚1、8连接电阻R34调节放大比例，U11输出管脚6连接于低通滤波电路电阻R15、R16电容C10、C11及放大器U12A。前置放大电路对输入U11放大器2、3脚的差分电压信号进行放大后其输出输入到低通滤波电路2。

低通滤波电路2是由电阻R15串联R16并联C10、C11后接运算放大器U12A的3、2脚构成，用于滤除高频干扰信号，运算放大器U12A的5脚接电源VCC及C12接地，1脚经R27接输至开关采样电路3的1、11输入端。

开关采样电路3主要电子开关U13A、U13B输出2、10脚接电容C19、C18后接地组成，C18、C19用于电压保持。通道闭合时电容进行充放电，通道断开时电容上电压由于没有放电回路能够保持。

A/D转换电路4，其输入接于开关采样电路输出端2、10，主要由U14与U15组成。U14是一款高精度的A/D转换芯片AD7799，输入连接于开关采样电路U13A、U13B输出，输出脚1、15、16连接于单片机U8的7、6、5脚。共有三路采集通道，内置时钟，可进行差分输入信号的转换。U15是一款基准电压源，输入电压为+5V，输出为+2.5V的基准电压，用于U14的参考电压，U15输入1脚连接于供电电压Vcc，参考电压输出2脚连接于U14参考电压输入管脚9。。

单片机电路5，其U8选用P89V51RD2单片机，内置64K容量Flash存储器，属于51系列单片机，时钟选用24MHz无源晶振。单片机U8管脚1、2连接至励磁电路6的光耦管U1、U2，控制励磁电流波形。单片机U8管脚3、4连接至开关采样电路3的U13A、U13B的12、13脚控制开关电路的导通与断开。单片机U8管脚5、6、7连接至A/D转换电路U14的16、15、1脚，控制、A/D转换的时间和读取转换数据。单片机U8管脚13、14、15连接至键盘电路7的K1、K2、K3与电阻R10、R11、R12间，检测按键状态。单片机U8管脚10、11连接至显示电路中J1的3、2端处，控制液晶模块操作，显示相应的内容。单片机U8的P0口、P2口和管脚16、17、30、8、12与Profibus通讯接口中U13相连，控制U13进行总线上的数据发送与读取。

励磁电路6，其输出端J3的1、2接于传感器的线圈L，主要由场效应管R8、Q1、Q2、R13、R9、Q3、Q4、R14组成桥路回路，运算放大器U10A、三极管Q5、Q6与电阻R29、R30组成恒流控制电路，J3连接至传感器励磁线圈L。单片机通过励磁信号控制励磁电流的方向。例如LC+为低时，光耦U1导通，Q1与Q4导通，形成回流电流，电流沿Q1流经传感器线圈再从Q4返回。运算放大器U10A组成带负反馈的比较电路，控制电路中流经R30的电流大小。

键盘电路7，K1、K2、K3为三个按键，其串联R10、R11、R12为电压上拉电阻。按键按下时单片机相连管脚电压由高电平变成低电平，由此可以检测按键状态。

Profibus通讯接口电路8，主要由U3、U4、U5、U7A、U7B、U7C、U9组成。U3是Siemens公司的SPC4通讯芯片，SPC4是一款可应用于Profibus-DP从站的智能通讯芯片。SPC4可处理报文、地址码及备份数据序列，可完全按照协议完成Profibus-DP网络上的数据通信。U4是具有单通道隔离芯片IL610，U5是双通道隔离芯片IL612，U7A、U7B、U7C是信号反相器，U9是通讯驱动芯片采用SN65HVD1176D。单片机U8的P0口、P2口和管脚16、17、30、8、12与Profibus通讯接口中U3相连，控制U3进行总线上的数据发送与读取。U3管脚27控制信号发送和接收状态，管脚电平为高时为发送状态，管脚电平为低时为接收状态。U3管脚27连接至U7A输入，U7A输出连接至U4输入，U4输出连接至U9输入2、3管脚控制总线发送和接收状态。U3接收U8单片机命令控制输出数据，U3管脚26输出发送数据，经过U7B、U7C连接至U5输入3脚，U5输出8脚连接至U9输入4脚，U9将数据发送至Profibus-DP总线上。U9从Profibus-DP总线上接收数据，从管脚1输出至U5输入6脚，U5输出1脚连接至U3输入30脚，U3接收数据后等待U8单片机控制读取。

显示电路9，单片机U8管脚10、11连接至显示电路中J1的3、2端处，其J1连接液晶显示模块，液晶模块是采用串行通讯的图形点阵液晶，显示目前电磁流量计的状态和管道流速信息。

图6是传感器原理示意图。如图6所示，传感器由两个位于管道外相对位置的励磁线圈及在垂直励磁线圈间磁场方向管壁上安装的两个电极构成，，两个励磁线圈并联后连于励磁电路J3的1、2处，两个电极连于前置放大电路中J4的1、2、3处，两个励磁线圈间产生恒定磁场B，磁场垂直穿过管道，当管道中有导电液体流过时，相当于导体切割磁力线产生感应电动势U。根据感应电动势与流速成正比的关系进行液体流速V的测量。

图3.本发明基Profibus-DP现场总线电磁流量计的主程序流程图；

如图3、4、5所示，主程序运行时首先初始化系统，进行软硬件的配置，然后按照顺序执行按键处理、A/D转换、数据处理、液晶显示。中断程序分为T0定时中断和外部中断，T0定时中断处理励磁控制、采样控制、定时控制处理，外部中断处理数据的接收。按键处理用于处理按键操作，配合界面输入一些参数和命令。A/D转换，CPU将采样数据通过A/D转换芯片读出至内部存储器以供处理使用。数据处理，进行A/D数据处理计算管道流量数据和与流量相关数据；进行通讯数据处理，分析接收Profibus-DP总线的数据，进行相应数据处理；有新的流量数据时则由单片机写入SPC4内部存储器，由SPC4控制发送至Profibus-DP总线上。液晶显示，根据操作或者数据显示相应的操作界面或数据信息。T0定时中断，控制励磁信号定时，产生低频方波励磁信号；励磁过程中控制采样电路开启时间，采样时间为20MS；定时控制用于延时和监测操作超时。外部中断，中断后如果有新数据标志，单片机读出SPC4内部存储器中数据供主程序通讯数据处理使用。

Claims

1.一种现场总线电磁流量计包括有：励磁线圈连接于励磁电路，电极输出接于前置放大电路输入端的传感器；输入接于传感器输出，接收传感器信号并将其放大的前置放大电路；接于前置放大电路的输出，接收其放大信号并将其高频成分滤除的低通滤波电路；接于低通滤波电路及单片机电路输出，将其输出信号进行采样的开关采样电路；接于关采样电路输出并将其输出模拟量转换为数字量的(A/D)转换电路；接于(A/D)转换电路输出，计算当前流量数据的单片机电路；输入接于单片机电路输出，由单片机电路控制向传感器发送励磁电流的励磁电路；输出连接于单片机电路的键盘电路；连接于单片机电路输出的显示电路，其特征是还包括有：以(I/O)接口连接于单片机电路的(Profibus-DP)通讯接口电路。

2.根据权利要求1所述的现场总线电磁流量计，其特征是：其前置放大电路由(J4)、电容(C5)、(C6)、(R32)、(R33)接于传感器输出，输入接至(U11)输入管脚(2)、(3)，(U11)管脚(4)、(5)接(C7)、(C9)，输入偏移电压，(U11)管脚(1)、(8)连接电阻(R34)调节放大比例，(U11)输出管脚(6)连接于低通滤波放大电路输入(R15)处。(U11)采用(AD620)集成芯片。

3.根据权利要求1所述的现场总线电磁流量计，其特征是：其A/D转换电路主要由(U14)、(U15)构成，(U14)是高精度(A/D)转换芯片，采用(AD7799)，其(5)、(6)输入脚连接于开关采样电路(U13A)、(U13B)输出与(C18)、(C19)连接处(2)、(10)，输出脚(1)、(15)、(16)连接于单片机(U8)的(7)、(6)、(5)脚。(U15)是一款基准电压源(MAX6002)，输入电压为(+5V)，输出为(+2.5V)的基准电压，用于(U14)的参考电压。(U15)输入(1)脚连接于供电电压(Vcc)，参考电压输出(2)脚连接于(U14)参考电压输入管脚(9)，所接(C13)、(C14)、(C15)、(C16)另端接地为滤波电容。

4.根据权利要求1所述的现场总线电磁流量计，其特征是：其以(I/O)接口连接于单片机电路的(Profibus-DP)通讯接口主要由(U3)、(U4)、(U5)、(U7A)、(U7B)、(U7C)、(U9)构成，电路中单片机(U8)的(P0)口(32-39)脚与U3的(11)、(12)、(15)、(16)，(18-22)脚连接，(P2)口的(21-28)与(U3)的(40-44)，(31)、(32)、(37)脚连接，(U8)管脚(16)、(17)、(30)、(8)、(12)与(U3)的(2)、(4)、(24)、(36)、(9)脚相连，控制(U3)进行总线上的数据发送与读取。(U3)管脚(27)控制信号发送和接收状态，管脚电平为高时为发送状态，管脚电平为低时为接收状态。(U3)管脚(27)连接至(U7A)输入，(U7A)输出连接至(U4)的(3)脚输入，(U4)的(6)脚输出连接至(U9)输入(2)、(3)管脚，控制总线发送和接收状态。(U3)接收(U8)单片机命令控制输出数据，(U3)管脚(26)输出发送数据，经过(U7B)、(U7C)连接至(U5)输入(3)脚，(U5)输出(8)脚连接至(U9)输入(4)脚，(U9)将数据发送至(Profibus-DP)总线上。(U9)从(Profibus-DP)总线上接收数据，从管脚(1)输出至(U5)输入(6)脚，(U5)输出(1)脚连接至(U3)输入(30)脚，(U3)接收数据后等待单片机(U8)控制读取。