摘要:介紹(shao)一種基于以太(tài)網的新型智能(néng)金屬管浮子流(liu)量計 的設計方(fang)案。應用磁阻傳(chuán)感器測量金屬(shu)浮子角位移,結(jie)合精🐪度高A/D轉換(huan)器和低功耗MCU實(shí)現數字化采集(ji)和智能控制。系(xì)統提供了電流(liu)變送器XTR115輸出的(de)電流環接口和(he)基于TCP/P工業簡化(hua)協議的以太網(wang)數據通信接口(kǒu)。結合相應的固(gu)件系統,成功實(shí)現了精度高、低(dī)🔅功耗的數字化(hua)流量計。
　　金屬管(guǎn)浮子流量計具(ju)有其耐高溫、耐(nai)高壓、耐腐蝕等(děng)特點而💁廣泛應(yīng)用于中小流速(su)流量的工業計(jì)量。當前一般利(lì)用霍爾☀️元件💘感(gǎn)測浮子位置變(biàn)化或利☎️用電容(rong)式角位移傳感(gan)器測量機械連(lián)杆的旋轉角㊙️度(dù)等原理😄進行設(she)計🛀“。電路設計複(fu)雜、功耗較大、精(jīng)度👨‍❤️‍👨不高。一種使(shǐ)用各向異性📐磁(cí)阻(AMR)傳感原理,應(yīng)用低功耗單片(pian)機,并擁有工業(yè)以太網通信接(jiē)口的新型智☀️能(neng)金屬管浮子流(liu)量計的設計方(fāng)案。該流量計具(jù)有精度高、功耗(hao)低、易于構造測(ce)控網絡等特點(dian),能廣泛應用于(yu)工業計量,适合(hé)🚩日益興起的工(gong)業以太網的發(fā)展需求。
1總體設(shè)計
　　金屬管浮子(zǐ)流量計由錐形(xíng)管、内置磁鋼的(de)浮子以💋及外置(zhi)的嵌有磁鋼的(de)機械連杆組成(chéng)。當流量變化時(shí),浮子将在錐形(xíng)管内.上🏃下移動(dong),并由磁鋼耦合(hé)帶動機械✍️連杆(gǎn)旋轉一定角度(du)θ。流量Q和浮子移(yi)動的距離h以及(ji)連杆角度θ存😍在(zai)着相應🐆的函數(shù)關系,即:
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對(duì)θ值的測量精度(dù)直接關系到流(liú)量的測量精度(du),本設計🌈選用磁(cí)阻傳感器HMC1501測量(liàng)θ值,可保證模拟(nǐ)量✂️測量部分的(de)高精度💋要求。前(qian)端模數轉換數(shu)據處理🤩和控制(zhì)部分,選用内部(bu)🔱集成高💛精度A/D轉(zhuǎn)換器和16位硬件(jiàn)乘法器的低功(gong)耗單片機MSP430F449。接口(kou)設計分🏃🏻爲兩部(bù)分:(1)由電流變送(sòng)🐅器XTR115提供标準的(de)4~20mA電流環信号;(2)應(ying)用CiruLogic公司的10BASE-T以太(tai)網控制器CS8900A實現(xiàn)工業以太網接(jie)口。總體設計框(kuang)圖如圖🆚1所示。
 
2模(mó)拟量測量及磁(cí)阻傳感器的應(ying)用
2.1磁阻傳感器(qì)測量原理和特(tè)性
　　含鐵材料的(de)各向異性原理(li)可感測周圍磁(ci)場的變❌化,運用(yòng)特殊工藝可制(zhi)成薄膜狀磁阻(zǔ)元件。HMC150就是以🥵此(cǐ)原🈲理爲基礎,将(jiang)四個磁⛹🏻‍♀️阻元件(jian)構成一個金剛(gāng)石狀的惠斯登(deng)電橋(如圖🔅2所示(shi))。在外加磁場的(de)作用下,使得通(tong)過磁阻的電流(liu)發生變👄化，從而(er)在輸出端形成(chéng)差分電壓△V。
 
　　HMC1501傳感(gan)器是一種工作(zuò)在磁飽和狀态(tài)的變換器件,此(cǐ)時傳感器對磁(ci)場大小不再敏(mǐn)感,其輸出值僅(jǐn)和磁場方向有(you)關,利用此原理(lǐ)🌈就可以感測周(zhōu)圍磁場相對于(yu)傳感器的角度(dù)變🙇🏻化。HMC1501角度測量(liàng)範圍爲±45˳，分辨度(du)小于0.07°,傳感器和(he)磁鐵之間的有(you)✏️效線性距🌈離爲(wèi)8mm。典型😄電壓應用(yòng)時(橋路激勵電(diàn)🎯壓3.3V),橋路電阻和(he)輸出電壓分别(bie)爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其輸入輸(shu)出特性爲:
 
式中(zhōng)各變量分别爲(wèi)
V˳橋路輸出電壓(yā);Kt與溫度相關的(de)增益;
Vs橋路激勵(lì)電壓;S材料常數(shù);
θ磁場參考角度(du);C˳制造公差引起(qi)的偏置電壓;
kt偏(pian)置電壓的溫敏(mǐn)系數(-0.01%/℃)。
　　以上說明(míng)當溫度變化較(jiao)小時,橋路輸出(chu)電壓與θ角成正(zhèng)弦函數關系。而(er)當溫度變化較(jiào)大時,測量精度(du)會受到影響,其(qí)中橋路電阻溫(wen)度系數爲0.28%/℃,靈敏(min)度溫度系數爲(wei)-3.2%/℃。所以在該設🙇🏻計(jì)中引入了溫度(du)補償手段🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。
 
　　圖3表(biǎo)示θ角和輸出電(diàn)壓之間的函數(shù)關系。另一方面(miàn)該傳🐆感器的功(gōng)耗很低,由式P=Vs2/R(R爲(wei)橋路電阻)可知(zhī),當3.3V供橋時功耗(hào)僅爲2.42mw,滿足低功(gōng)耗設計的要求(qiu)。
2.2檢測電路設計(ji)和數字濾波
　　HMC1501輸(shū)出的橋路信号(hao)較小,接入A/D之前(qian),需要進行信号(hào)的放大和調理(lǐ)。設計選用典型(xing)差分式放大電(diàn)路,如圖4所示。
 
　　放(fàng)大器的選擇需(xū)要滿足兩點:第(di)--,能夠單電源工(gōng)作,可簡🆚化系統(tong)🤩電源設計;第二(er),較低的溫度漂(piao)移。設計⭐中使用(yong)了💃🏻TI的低溫漂高(gāo)運放ILC27L2。由于采用(yòng)了單電源供☂️電(diàn),所以🔆要求A點⭐電(diàn)位始終大于B點(diǎn),否則放大器的(de)輸出就會失真(zhen),爲了擡升A點的(de)電位,可以在含(hán)Out+的支路中,對模(mó)拟地之間串接(jiē)一個電阻,适當(dang)的放大倍數下(xià)電阻阻值☔取🌐300Ω。硬(ying)件采用RC濾波,在(zai)運放正負輸⛹🏻‍♀️入(rù)腳💘之間，以及負(fù)反，饋回路_上加(jia)入濾波電容,通(tōng)過計算和試驗(yàn)選擇了容值,提(tí)高系統的EMC性能(neng)💃。
　　放大後的信号(hào),經過一-級電壓(ya)跟随器,送入MSP430F449單(dān)片機内部12位SAR型(xíng)☀️ADC進行模數轉換(huàn)。高速采樣和16個(ge)AD值寄存器,爲數(shù)✏️字濾‼️波提🤞供了(le)方便。運用積分(fen)算法取得了很(hěn)好的效果。算法(fa)中設置--定長度(du)💯的時間窗口,采(cǎi)樣值按時間順(shun)序先入先出(FIFO),然(ran)後取平均值計(jì)📐算。系統可以通(tong)過軟件設置窗(chuāng)口長度,以在濾(lǜ)波效果和測控(kòng)時延之間取得(dé)👣平衡。
3系統接口(kou)設計
3.1電流環信(xìn)号(4~20mA)輸出
　　經過模(mo)數轉換和數值(zhí)處理後的流量(liang)數據或控制數(shu)🌈據,由系統✌️接口(kou)提供給外部設(shè)備。工控環境下(xià),經常使用4~20mA電流(liu)環輸出,設計中(zhong)采用的XTR115是TI公司(sī)的二線📧制電流(liu)變送器。轉換精(jing)💁度高達±0.05%非線性(xing)誤差±0.003%。
 
　　圖5是實現(xiàn)流量數據到電(dian)流環的DA轉換過(guo)程。MSP430單片機輸出(chū)PWM(脈寬調👈制)信号(hao),由RC積分電路将(jiāng)脈沖信号轉換(huan)成連續的電壓(yā)信号。--級放大後(hou)送入XTR115電流變送(song)器,弱電壓或電(diàn)流信号經電流(liú)變送🏃‍♀️器XTR115放大,獲(huo)得4~20mA的标準電流(liú)環輸出。流量或(huò)控制量值與電(diàn)流的對應關系(xì),由軟件标定㊙️程(chéng)序實現。
3.2工業以(yi)太網通信
(1)工業(ye)以太網應用前(qian)景
　　以太網使用(yong)星型拓撲結構(gou)交換技術的全(quán)雙工通🥵信方式(shì),基本消除了由(you)介質訪問控制(zhi)方式(沖突檢測(cè)載波多點訪🎯問(wen)CSMA/CD)導🤩緻的通信不(bu).确定性,滿足工(gong)業控制領🔞域對(duì)實時性的基本(ben)要求。同時🈲以太(tai)網豐富的資源(yuán)和低廉的成本(běn)必将促進其在(zài)工控領域的進(jin)一-步普及,面向(xiang)工業應用的TCP/IP協(xié)議也将成爲現(xiàn)場✍️總線的基礎(chu)協議。
(2)面向應用(yòng)裁減TCP/IP協議
　　TCP/IP協議(yì)族非常豐富,但(dàn)由于嵌入式系(xi)統的資源有限(xian),在保👈證實🍉時、低(di)誤碼率前提下(xia)對TCP/P協議進行裁(cai)減以适應🈲工業(yè)以太網應用成(cheng)👌爲-一個研究熱(rè)點,目前尚無統(tǒng)--标準公布[4]。本設(shè)計♋中以實際應(yīng)用爲背景、采用(yong)夠用即可”原則(zé),對協議簇進行(hang)🏃.了裁減,各層分(fèn)别實👌現的協議(yì)見表1。
 
　　表1中鏈路(lu)層爲其上層協(xie)議發送和接收(shōu)數據幀,實現了(le)IEEE802.3所規定的CSMA/CD協議(yì),構成以太網基(jī)本物理傳輸介(jiè)質訪問方式,實(shi)現該協議采用(yòng)通用的網絡接(jie)口控制芯片CS8900A。爲(wei)實現網絡MAC地址(zhi)到P地址的轉換(huàn)功能,加入了ARP地(dì)址解析協議。IP協(xié)議則是TCP/P協議族(zu)的核心協議,使(shi)異構網絡之間(jian)的通信成爲可(kě)能。而CMP協議隻是(shi)IP協議的附屬協(xie)議,設計中隻需(xu)測試網絡聯通(tong)情況,故隻保留(liu)了PNG協議。TCP(傳輸控(kong)制協議)和UDP(用戶(hù)數據報協議)是(shì)兩種傳輸層協(xié)議,二者建立于(yu)IP協議之，上,爲兩(liang)台主機.上的應(yīng)用程序提供端(duān)到端的通信。應(ying)用層上實現了(le)基于.HTIP協議的WEB浏(liu)覽服務。
TCP協議的(de)實現最爲困難(nán)。受資源限制，隻(zhi)實現了簡化的(de)有限狀态機和(hé)滑動窗口機制(zhi)以及單TCP連接。
(3)以(yi)太網控制器CS8900A
　　CS8900A内(nei)部含有802.3介質訪(fǎng)問控制塊(MAC),支持(chí)全雙工操作,自(zì)動處理沖☀️突🥵檢(jian)測、報頭生成、CRC校(xiào)驗碼生成和驗(yan)證功能。通過對(dui)發送控制寄🔅存(cun)器(TQMD)配置,MAC可以完(wan)成幀的自動重(zhòng)傳功🔅能[5]’。
　　圖6所示(shì)的MSP430F449與CS8900A的連接采(cai)用簡單的IO模式(shi)。該模式占用内(nei)存🐪資源少,相應(ying)管腳MBMW和MEMR需被置(zhi)高。單片機通過(guo)/SBHE、/DW和/DR等控🎯制信号(hao)線實現對CS8900A的工(gong)作方式控制和(he)讀寫操作'6]。芯片(piàn)使用中比較重(zhòng)要的是🏃🏻初始化(huà)❌操作,包括:軟‼️件(jian)複位并檢查标(biao)志✍️位、設定工作(zuò)模式、設定臨時(shi)以🌏太網物理地(dì)址、設定接收🌍幀(zhen)類型、确定數據(ju)傳送方♈向、中斷(duàn)使能👌以及數據(ju)收發使能等。
 
(4)以(yi)太網通信測試(shì)
 
　　網絡測試環境(jing)如表2,網絡架構(gou)如圖7。各設備上(shang)電初始化後🔞,都(dōu)設💔定了MAC地址和(hé)IP地址,所有IP地址(zhi)均爲C類地址。這(zhè)樣即可以接收(shōu)以太網單播或(huo)廣播包。首先,在(zai)主機.上PC機測試(shi)終端流量計的(de)‼️ARP工作機🍓制和實(shí)現情況。結果如(ru)圖8所示。
 
　　用ARP命令(ling)測試主機ARP高速(su)緩存中的IP和MAC地(di)址,此時隻有本(ben)地IP:210.29.104.1對應的MAC地址(zhǐ)00-30-85-88-8b-02;然後,用ping.程序測(ce)試網絡上的任(ren)何一台流量計(ji)終🔴端,圖👣中顯示(shi)對象IP:210.29.104.41的測試結(jié)果,報文數據的(de)往返時間是lmS;最(zui)後，再次測試主(zhǔ)機的ARP高速緩存(cún),結果顯示已添(tiān)加了對象終端(duan)的IP和MAC地址。測試(shi)主機和終端流(liú)量計之間UDP數據(jù)的傳輸效果。UDP協(xie)議提供簡單的(de)面向👈數據報的(de)傳輸層協議。一(yi)個簡單🌏的UDP應用(yòng)程序如圖9所示(shi)。主機對終端流(liú)量計發送UDP數據(jù)命令☁️,當流量計(ji)收到"DataCollection!”命令就回(hui)送采集到的兩(liang)路ADC的電壓信号(hào)值。測試結果表(biǎo)明接收和發送(sòng)數據包正确率(lǜ)高,丢包極少，實(shi)現了UDP數據處理(li)功能。
 
　　通過TCP簡化(hua)協議實現了基(ji)于HTTP協議的終端(duān)流量計WEB服務,簡(jiǎn)化的HTML網頁數據(jù)保存在MCU的片内(nei)FLASH存儲器中。HTTP服務(wù)器可以動态實(shi)時更新數據。在(zai)浏覽器的URL地址(zhi)中鍵入:htp://210.29.104.41,就可以(yǐ)浏覽如圖10所示(shì)的頁面,網頁動(dong)态顯示出采集(ji)到的流量值。
 
4結(jie)論
(1)通過以_上方(fāng)案成功實現了(le)低功耗、較低成(chéng)本智能金屬管(guǎn)浮🐕子流量計的(de)硬件和固件程(cheng)序設計;
(2)簡化TCP/IP協(xie)議的以太網通(tong)信,易于構造實(shí)時、可靠的網絡(luò)測🌍控系統⁉️,并在(zài)實際應用中得(dé)到驗證,同時也(yě)爲主機(PC)軟件開(kāi)發提供了廣闊(kuò)的空間。

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