摘要：針(zhen)對用戶對高端(duan)電磁流量計
的(de)需求,提出了基(ji)于ARM9微處理器的(de)電磁流量計硬(ying)件設計方案🍉。ARM9微(wei)處理器可以實(shí)現多種勵磁方(fang)式、數據的USB存儲(chu)、以💋太網絡通信(xin)、TFT彩屏顯示等一(yi)系列的功能。對(duì)電磁流量計的(de)測量裝置,基于(yu)ARM9核心💜闆的模塊(kuai)化電路設計作(zuo)了詳細的介紹(shào)。
0引言
随着流量(liàng)檢測儀器的技(ji)術發展,對流量(liang)的測量儀器提(tí)出了更高的應(ying)用需求。傳統的(de)流量檢測儀器(qì)一般依據各自(zi)的測❓量機🥵理,通(tong)過簡單的信息(xi)分析處理來完(wán)成測量工作。因(yin)此,在處理能力(li)、測量精度、誤差(cha)修正、功能擴展(zhan)🈲等方面都♈存在(zai)着局限性。新一(yi)代流量檢測儀(yi)器将以更優良(liáng)的性能取而代(dai)之。
目前,高速、精(jing)度高、大容量的(de)嵌入式處理器(qi)在控制和測❤️量(liang)✨領域❓的應用越(yue)來越普遍,一旦(dan)應用到電磁🔴流(liú)量計[1]中,使得🔞電(diàn)磁流量計的輸(shū)入信号數字濾(lü)波、曆史數據保(bǎo)存🔅、輸出多🤞種勵(lì)磁🥰信号的變化(huà)、測量信息的特(te)殊🈲處理、測量結(jié)果的動🔞态圖形(xing)顯示、人性化🈲的(de)管理和控制等(deng)多方面應用,都(dou)将成爲可能。尤(you)其是新一代網(wǎng)絡技術的發展(zhan)會🙇♀️使得更多基(ji)于TCP/IP網絡協議的(de)儀器設備得到(dao)應用,針對電磁(ci)流量計的遠🈲程(cheng)數據交換傳送(song),基于典型的以(yi)太網通訊接口(kou)也應運而生[10]。
1.電(diàn)磁流量計基本(ben)原理
電磁流量(liàng)計是依據法拉(lā)第電磁感應定(ding)律來測量🔅管内(nei)☂️流體流量的測(ce)量裝置[9],如圖1所(suo)示。當流體在管(guan)道内流動🈲經過(guò)一橫向磁場B的(de)時候,相當于有(yǒu)圖1..電磁流量計(ji)原理圖一定👨❤️👨電(dian)導率的導體在(zài)切割磁線,形成(chéng)動生電動勢,通(tong)🐇過管道徑向兩(liang)電極可以引出(chū)該電動勢E,其😄大(dà)小與磁場👈B、流速(su)V和管徑D成正比(bǐ),即:E=B..V..D
流體的(de)體積流量Q與流(liú)速V和管道内截(jie)面成正比,隻要(yào)♍測量出兩電極(ji)之間的電動勢(shì)E,即可确定流量(liang)Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
當勵磁電流、管(guǎn)道尺寸和流體(ti)密度..确定的情(qíng)況下🔴,流體的質(zhì)💰量流量M僅取決(jué)于對兩電極間(jiān)的感應電🏃♀️勢E的(de)檢測。電磁流量(liang)計的數學模型(xing)爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其中:Coe爲儀表(biǎo)系數;E0爲儀表零(ling)點修正;x爲多段(duàn)非線性修正。
2.AT91RM9200及(ji)核心闆
AT91RM9200是Atmel公司(sī)推出的針對嵌(qian)入式應用的工(gōng)業級32位ARM9嵌入式(shi)處理器,最🧑🏽🤝🧑🏻高工(gong)作頻率達180MHz,其功(gōng)能強大、性能穩(wen)定,非常适合高(gao)端儀表的應用(yòng),由它構建的核(he)心闆形成了具(ju)有豐富接口資(zi)源的基本系統(tǒng),隻要擴展應用(yòng)模塊和接口即(ji)可實現系統應(yīng)用。介紹AT91RM9200的文獻(xian)很多,這裏僅給(gěi)😍出其主要資源(yuán)和特性:
内置的(de)10/100M以太網MAC控制器(qi)
5個UART通道
2個主USB口(kou),1個從USB口,全速12Mbps
1個(ge)MCI接口,支持MCI卡或(huo)SD卡
3個同步串行(háng)控制器
6個16位定(ding)時器,一個32位實(shi)時鍾
4個SPI接口
PWM輸(shū)出
I2C接口
支持SDRAM,SRAM。Flash等(děng)
JTAG邏輯測試部件(jian),支持軟/硬件開(kai)發
由AT91RM9200構建的核(hé)心闆集成了32M的(de)SDRAM、2M的并行Flash、8M的串行(háng)DateFlash、以太網♋電路和(he)複位電路,構成(cheng)了一個基本系(xi)統,爲用戶的軟(ruǎn)件研發提供了(le)充足的🔅空間。處(chu)理器的大多數(shù)管腳和其它信(xin)号都通過兩個(gè)排針對外引出(chū),爲用戶提供了(le)非🌍常豐富的擴(kuò)展資源。
由于在(zai)核心闆上移植(zhi)了嵌入式Linux操作(zuo)系統,其豐富的(de)軟件資源、開放(fàng)性和軟件低成(cheng)本使得系統應(ying)用變得方便可(kě)行。
3.智能電磁流(liu)量計硬件設計(ji)
3.1電磁流量計總(zong)體結構
電磁流(liú)量計由測量裝(zhuāng)置和電路兩部(bù)分組成,電路部(bu)分🌍主要由檢測(cè)輸入模塊、勵磁(ci)輸出模塊、流量(liàng)輸⛹🏻♀️出模塊、圖形(xing)顯示模塊、鍵盤(pan)模塊、通信及調(diào)試接口、電源模(mo)塊、以及最重要(yao)的基于ARM9嵌入式(shi)系統[2]的核心闆(pan)組成。圖2給出了(le)嵌入式電磁流(liu)量計的系統框(kuang)圖💁。圖2嵌入式電(diàn)磁流量計系統(tong)框圖。
系統經過(guò)初始化之後,核(he)心闆向勵磁模(mó)塊輸出一㊙️數字(zì)量的♌勵磁信号(hao),經過D/A轉換和電(diàn)流放大,驅動傳(chuan)感器🥵的勵磁線(xian)圈産生一定強(qiáng)度的磁場。傳感(gan)器的流速感應(ying)電極🔞送出微弱(ruò)的感應信号經(jing)過輸入模塊的(de)放大濾波處理(lǐ),經過A/D轉換成數(shù)字量輸入ARM9處理(li)器,進一步進❄️行(háng)數字分析處理(li)。通過顯示模塊(kuai)直接顯示瞬時(shi)流量、累積流量(liàng)和動态流量圖(tu)形。另外由流量(liang)輸出模塊輸出(chū)4~20mA的标準儀用瞬(shùn)時流量信号。
3.2.輸(shu)入及A/D轉換電路(lù)
檢測輸入模塊(kuai)包括差分測量(liàng)放大器、低通和(hé)高通濾波器、增(zēng)益放大器以及(ji)A/D轉換電路,如圖(tú)3所示。圖3輸入及(jí)👄A/D轉換框圖。
由于(yu)電磁流量計的(de)電極輸出信号(hào)非常微弱,一般(bān)隻☀️有10-4V數量級♻️,而(er)且,工業環境非(fēi)常大。因此,爲了(le)保證測量精度(du)💜,送入⭐A/D轉換的輸(shū)🐉入信号應達到(dào)-2.5~+2.5V的範圍,其模拟(ni)部🐕分電壓增益(yì)應該在60dB以上。其(qi)中,前置放大器(qi)采用差分輸入(ru)的儀用放大器(qì)AD620,高通濾波和低(di)通濾波采用二(er)階有源濾波器(qì)形成帶通濾波(bō)器濾除工頻及(jí)雜波,放大器采(cǎi)用運放CA3240A完成。A/D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG[4]實(shi)現12位并行模數(shù)轉換,直接與核(he)心闆的I/O線連接(jie)如圖3所✍️示,引腳(jiao)說明和接法如(rú)下:
D0~D1112位數據,接B口(kou)的PB4~PB15;
INT.中斷線,接核(hé)心闆的IRQ0/PB29;
CS片選線(xiàn),接核心闆B口的(de)PB22;
RD讀控制線,接核(hé)心闆B口的PB16;
WR寫控(kong)制線,接核心闆(pǎn)B口的PB17;
模拟信号(hào)輸入CH0通道。
3.3.勵磁(ci)輸出電路
智能(néng)電磁流量計
的(de)勵磁電路的任(rèn)務是向勵磁線(xian)圈提供一穩定(dìng)的驅動電流。電(dian)流波形爲方波(bo)、三值方波和梯(tī)形波[11]等形式,波(bō)形變化的目的(de)是結合信号處(chu)理電路,分析🈲在(zai)不同🔴勵磁方式(shi)下電✌️磁流量計(ji)的精度、零點穩(wen)定性和抗能力(lì)等多項指标。該(gai)電路由核心闆(pǎn)的SPI2口輸出數字(zi)量,經過D/A轉換形(xing)成模拟信号,經(jīng)V/I轉換激勵和帶(dai)有電流負反饋(kuì)的電流放大器(qi)輸出,适合各種(zhǒng)勵磁波形的💔變(biàn)化。結構框圖📐如(rú)圖4。D/A轉換❌電路采(cǎi)用AD7243芯片[5],實現12位(wei)的SPI同步串行輸(shū)入,-5~+5V的雙極性輸(shū)出。與ARM9核心闆✌️的(de)SPI2口對接,如圖4所(suǒ)示。
其中引腳說(shuō)明和接法如下(xia):
SDIN串行數據輸入(rù),接核心闆的MOSI;
SCLK同(tong)步時鍾,接核心(xīn)闆的SPCK;
SYNC串行選擇(ze),接核心闆的NPCS2;
CLR轉(zhuan)換清除,接核心(xīn)闆I/O口的PC14;
LDAC數據鎖(suo)入啓動,接I/O口的(de)PC15。
激勵放大器采(cai)用CA3240A運放,其特點(diǎn)是電源電壓高(gao),能獲得較大的(de)輸出動态範圍(wéi)。電流放大利用(yòng)兩對複合管實(shi)現,要💃求管🧑🏽🤝🧑🏻子盡(jin)🆚可能配對。接入(ru)勵磁線圈後,引(yǐn)入大環路的電(dian)流負反饋,穩定(ding)輸出勵磁電流(liu)。
3.4.流量輸出模塊(kuài)
電磁流量計在(zai)實現測量、分析(xi)和處理的時候(hou),除了現🐅場顯示(shi)❓瞬時流量和累(lèi)積流量以外,通(tōng)常還會輸出一(yī)個标準的4~20mA電流(liu)信号。因此,該電(diàn)路利用AD421轉換電(dian)路實現🔞了流量(liàng)輸出的功能。
AD421芯(xīn)片[6]是一款低電(dian)壓、SPI串行輸入、16位(wèi)Σ-Δ轉換的D/A轉換電(dian)路,具備4~20mA環🈲路🥵電(diàn)流輸出,支持HART通(tōng)信協議,非常适(shi)合該電路應用(yòng)。SPI串行輸入接🤩核(he)心闆的SPI3口,如圖(tu)5所示。其中引腳(jiao)說明和接法如(rú)下:
?
DATA串行數據輸(shū)入,接核心闆的(de)MOSI;
CLOCK同步時鍾,接核(hé)心闆的SPCK;
LATCH鎖入控(kòng)制,接核心闆的(de)NPCS3。
D/A轉換的電壓基(ji)準REFIN選用芯片提(tí)供的REFOUT2(2.5V)。電路中LV與(yu)VCC之間接👅0.01μF的電容(róng),決定了由+24V的環(huan)路電源LOOPPOWER産生3.3V電(diàn)源,+24V的環路電源(yuán)LOOPPOWER經内部控☁️制電(diàn)流由LOOPRTN返回,形成(chéng)4~20mA的電流環路。
3.5.圖(tú)形顯示模塊
由(you)于AT91RM9200處理器未集(jí)成圖形顯示,核(hé)心闆上也未提(ti)供,所♻️以,要實現(xian)圖形顯示,必須(xu)構建圖形顯示(shi)模塊。電路采💘用(yong)LCD控制器SID13506顯示芯(xīn)片[7]實現彩色液(yè)晶點陣顯示和(hé)VGA标準♌接口。系統(tong)框圖如圖6所示(shi)。
SID13506是EPSON公司較新的(de)大規模顯示控(kong)制器[8],主要應用(yong)于嵌入🔞式系統(tong),最高支持64K真彩(cǎi)色。系統配置了(le)1M的16位内存、LCD接口(kou)和VGA接口。3個🥰系統(tǒng)時鍾BUSCLK、CLKI和CLKI2受PA7和兩(liang)組可控震蕩器(qì)控制,核心闆通(tong)過PA7輸出🔞50M時鍾經(jīng)過驅動接BUSCLK,核心(xin)闆通過TWI管理兩(liang)組可控震💁蕩器(qi)PCLK1和PCLK2。ARM9核心闆與SID13506芯(xin)片引腳相連的(de)信号如表1所列(lie)。
3.6.鍵盤、通信及調(diao)試部分電路
電(dian)磁流量計的鍵(jiàn)盤、通信和調試(shì)部分電路屬于(yu)嵌入💘式系統的(de)典型應用電路(lu),系統利用ZLG7289A構建(jian)了8×2小型鍵盤,由(you)I/O模拟串行口建(jiàn)立✍️系統連接,實(shí)現流量計的系(xi)統設置和按鍵(jian)數據輸入。
調試(shì)功能主要由串(chuàn)行調試口DCOM和JTAC标(biāo)準調試口構成(chéng)✏️。其中串行調✨試(shì)口DCOM是由AT91RM9200處理器(qi)的DBGU單元通過SP3232E建(jiàn)立的,JTAG标準調試(shì)口直接由核心(xin)闆引出。
通信功(gōng)能的建立主要(yao)是直接由核心(xin)闆引出了10/100M的TCP/IP網(wang)絡接💋口,将處理(lǐ)器的USART1單元通過(guò)SP3243建立了RS232标準串(chuàn)行通信口COM1,将處(chù)理器的USART2單元👅通(tong)過SP3481建立了RS485标準(zhun)串行通信口。
另(ling)外,引出處理器(qì)的HDMA和HDPA線建立USBHOST接(jie)口,可外接USB存儲(chu)器,作💃爲電磁流(liu)量計曆史數據(ju)記錄設備。相應(ying)連接和功能框(kuang)圖如圖7所示。
3.7.電(dian)源電路
由ARM9核心(xīn)闆構建的電磁(ci)流量計的電源(yuan)部分還是比較(jiao)複雜的☀️,一般由(yóu)開關電源模塊(kuài)實現,其主電源(yuán)爲+5V穩壓電源,經(jīng)過2組穩壓器♌LT1085分(fèn)别産生3.3V和1.8V供給(gei)核心闆使用,3.3V和(hé)+5V供給大💯部分數(shu)👨❤️👨字電路💚使用,數(shu)字電源與模拟(ni)電源分開且不(bú)共地,副電源主(zhǔ)要有供給D/A轉換(huàn)及🏃♀️放大用的±15V,供(gòng)🈲給勵磁輸出的(de)±24V電源等。電磁流(liú)量計的功率消(xiao)耗還💚是比較大(da)的。
4.應用系統軟(ruǎn)件簡介
ARM9電磁流(liú)量計的軟件系(xi)統主要考慮的(de)是核心闆及各(gè)個硬件模塊的(de)初始化設置,系(xi)統在啓動之後(hòu),通過調用底層(céng)的驅動程序完(wan)成核心闆與各(ge)個硬件模塊之(zhī)間的命令控制(zhì)和數據傳送,建(jian)立相應的中斷(duan)服務子程序及(ji)中斷向量表。采(cai)用模塊化結構(gou)建立系統程序(xu),電磁流量計應(yīng)用系統主要由(yóu)定時器中斷進(jin)行管理,勵磁信(xin)号的輸出和轉(zhuǎn)換保持、感應信(xin)号的多次數據(jù)采集、流量的顯(xian)示和對外輸出(chū)等均由定時器(qì)的中斷服務來(lai)完成。
5.結束語
該(gāi)系統作爲高端(duān)電磁流量計的(de)應用研究,在硬(ying)件上采用了✉️模(mó)塊化設計方法(fa),提高了電磁流(liú)量計的🌈應用和(he)研究水平,降低(dī)了設計難度,已(yi)被列入重大⭕科(kē)技攻關項目..嵌(qiàn)入式系統智能(neng)儀表開發平台(tai)的👉研究及其⭐在(zai)流量儀表設計(jì)中的應用之中(zhong),目前正在作進(jin)一步的完善和(he)提高。
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