摘要:根(gēn)據磁阻傳感(gan)器的角位移(yí)測量原理,提(ti)出智能金屬(shǔ)管浮子流量(liang)計 的設計方(fang)案.該方案采(cai)用低功耗MCU和(hé)精度高ADC實現(xian)對流😘量的數(shù)字㊙️化采集和(he)智能控制,應(ying)用LMBP算法實現(xiàn)精度高的靜(jìng)态特征曲線(xiàn)拟🌈合;通過裁(cai)減TCP1IP協議,在以(yǐ)太網上實現(xian)了流💃量計與(yu)用戶的數據(ju)通信.實際運(yun)行表明，設計(ji)😄的流量計系(xì)統運行穩定(dìng)可靠.
　　金屬管(guan)浮子流量計(jì)具有耐高溫(wēn)耐高壓、耐腐(fu)蝕等特⛹🏻‍♀️點,在(zai)中低流速、流(liú)量的工業計(ji)量中得到了(le)廣泛應用.目(mù)前采用電遠(yuan)🙇‍♀️傳方式的流(liu)量計多以霍(huò)爾元件或電(diàn)❄️容式角位移(yí)作爲傳感器(qi),不但🍓結構複(fu)雜、精度較低(dī)，而且不具備(bèi)以太網接口(kǒu)功能.本文中(zhong)作者❗應用各(gè)向異性磁阻(zu)的傳感原理(li)設計了一種(zhong)能與以太網(wǎng)通信的智能(neng)金屬管浮子(zǐ)流量計.該流(liu)🈲量計具有精(jing)度高、功耗低(dī)、設計簡單等(děng)特💁點,可廣泛(fàn)應用于工業(yè)計量,特别是(shi)💋适應了工業(ye)以太網的發(fa)展需求.
1總體(tǐ)設計
　　金屬管(guǎn)浮子流量計(jì)由錐形管、内(nèi)置磁鋼的浮(fu)子以及外置(zhì)🥵嵌🥵有磁鋼的(de)機械連杆等(děng)構件組成.當(dāng)流量變化時(shi)，浮子在錐形(xíng)管内上下移(yí)動,并由磁鋼(gāng)耦合帶動機(ji)械連杆旋轉(zhuan)-定角度.此角(jiao)度與流量的(de)大小存在着(zhe)一對應的關(guān)系,隻要測出(chū)角度便可通(tong)過對應關系(xi)求出流量,因(yin)此對㊙️角度的(de)正确測量是(shì)流量🔴計設計(jì)的關💋鍵.具體(tǐ)設計時采用(yòng)Honeywell公司生産的(de)☁️磁阻🏃傳感器(qì)HMC1501實現對機械(xiè)連杆角位移(yi)的正确測量(liang),選擇MSP430F449單片機(ji)作爲MCU,采用CirrusLogic公(gōng)司生産的以(yi)太網控制芯(xin)片CS8900A實❌現網絡(luò)互聯.系統的(de)總體設計♈框(kuàng)圖如圖1所示(shì).
 
2HMC1501磁阻傳感器(qì)的應用
2.1磁阻(zu)傳感器的測(cè)量原理和工(gong)作特性
　　鐵磁(ci)性材料通常(chang)爲各向異性(xing)材料,當采用(yong)特殊工藝🈲将(jiang)其制成薄膜(mo)狀的電阻元(yuan)件後,便可用(yòng)于感測周圍(wei)磁場的變化(huà).HMC1501傳感器🈚是一(yi)種工作在磁(ci)飽和狀态下(xià)的變換器件(jian),在此狀态下(xià)電阻對☎️磁場(chǎng)的大小不敏(min)感,僅與磁場(chang)的方向有關(guan)，利用此原理(lǐ)就可以感測(cè)周圍磁場相(xiàng)對于傳感器(qi)的角度♉變化(hua)4.圖2顯示了HMC1501的(de)磁場角度和(hé)輸出電壓之(zhi)間的對應關(guān)系，當磁場角(jiao)度爲-45°~+45°時輸出(chu)電壓遞減且(qie)單調性好，因(yin)此将HMC1501的有效(xiao)角度範圍定(dìng)義爲±45°,在此範(fan)圍内分🙇🏻辨率(lǜ)小于0.07°.典型橋(qiáo)路的電阻和(he)輸出電壓分(fen)别爲33kQ和-60~60mV,橋路(lù)供電電壓較(jiào)寬(1~24V),當以5V供電(dian)時功耗㊙️僅爲(wei)0.76mW,由此可見功(gong)耗低是該傳(chuan)感器的🥰優勢(shì)之一.該🌈傳感(gan)器存在零點(dian)偏置電壓,需(xu)🈲進行補償.一(yī)般補償的方(fāng)法可分爲硬(yìng)件補償和軟(ruan)件補🛀償,但硬(ying)件補償需設(she)計複雜的電(dian)路,成本較高(gao),而軟件補償(chang)随着MCU處理能(neng)力的提高得(dé)到了廣♈泛應(yīng)用,本設計中(zhōng)采用軟件補(bǔ)償.
 
2.2傳感器檢(jian)測電路設計(jì)
　　爲簡化傳感(gan)器檢測電路(lù)設計，采用了(le)依靠單電源(yuan)供電的👣放大(dà)器TLC27L2,這就要求(qiu)OUT+點的電位大(da)于OUT-點的電位(wei),否則⭐放大器(qi)的輸出就會(hui)失真.但HMC1501的典(dian)型輸出信号(hào)在.60~60mV之間,因此(ci)必須在含OUT+的(de)支路的節點(diǎn)😍2和模拟地之(zhi)間串接一阻(zu)值大于243Ω的電(diàn)阻，爲保證一(yi)定的冗餘度(dù),該電阻取300Ω,圖(tú)❗3爲簡化後的(de)傳感器檢測(cè)電路.
 
2.3LMBP算法及(ji)應用
　　智能金(jīn)屬管浮子流(liu)量計采用2個(gè)HMC1501傳感器和1個(gè)溫度傳感器(qi),其中2個HMC1501一個(ge)用于感測連(lián)杆磁鋼的方(fāng)向變化,另一(yi)個用于補償(cháng)浮子🧡磁鋼上(shang)下移動所形(xíng)成的㊙️複合磁(cí)場的影響,溫(wen)度傳感器感(gǎn)測HMC1501周圍的溫(wēn)度并予以溫(wen)度補償.溫度(du)傳感器的數(shù)學模型很難(nán)用解析式描(miao)述,傳統的做(zuo)法是在不同(tóng)溫度下進行(háng)标定🔴，這種做(zuo)法不但計算(suan)量大、占用存(cún)儲空間多,而(er)且計算精度(du)不高.鑒于人(ren)工神經網絡(luo)能夠完成任(rèn)意的非線性(xing)映射,其中BP算(suan)法(BackPropagation)具有以任(rèn)意精度逼近(jin)任何非線性(xing)函數的能力(li)，而且無需事(shì)先确定函數(shu)形式，因此利(lì)用BP神經網‼️絡(luo)處理傳感器(qì)靜态特性的(de)非線🔞性是一(yī)種較好的方(fang)法網.但實際(ji)應用時BP算法(fǎ)存在💔收斂速(su)度慢和目标(biāo)函數存在局(jú)部極小等不(bú)足之處.爲此(ci)采用基于誤(wu)差平方和最(zui)小化🤟的權值(zhí)調整✍️算法即(ji)Levenberg-Marquart算法作爲對(dui)BP算法的改進(jin)，稱之爲LMBP算法(fa).BP算法以均方(fāng)誤差作爲性(xìng)能函數,其🌈表(biǎo)達式❗爲
 
　　式中(zhōng)，w爲網絡的權(quán)值向量,t爲期(qi)望輸出向量(liang)(标定值),y爲實(shi)際輸出💋向量(liang),e爲誤差向量(liàng).LM算法結合了(le)梯度法⚽和高(gao)斯-牛頓法的(de)優⁉️點，具有全(quán)局性和收斂(liǎn)速度快的優(you)勢,并可通過(guo)對BP算法的修(xiu)正，避免🍉高斯(sī)-牛頓法中求(qiú)解Hessian矩陣的問(wen)題❓,減少了網(wang)絡訓練中的(de)計算量和内(nei)存需求量.權(quán)值的調💃🏻整公(gong)式爲
 
　　式中，μ爲(wèi)正常數,I爲單(dan)位矩陣,e。爲網(wang)絡的誤差向(xiang)量,J爲以網絡(luò)誤差對權值(zhi)的一階導數(shù)爲元素的Jacobian矩(jǔ)陣.△w每次叠🌈代(dai)時都對μ進行(háng)自适應調整(zheng),當網絡誤差(chà)減小時減小(xiǎo)🈲μ的值,反之增(zeng)加μ的值.-般情(qíng)況下Jacobian矩陣的(de)計算👌量較大(da)，因此該算法(fǎ)比較适合網(wang)絡規模⛷️不大(dà)、網絡參數較(jiào)少的應用場(chang)合，本設計中(zhōng)使用的是典(dian)型的3層網絡(luò)結構,如圖4所(suǒ)示.從圖中可(ke)以看出該網(wang)絡輸入層、輸(shū)出層、隐層的(de)節點🐆分别爲(wei)3個、1個、4個,網絡(luo)規模較✏️小，因(yin)此使用LM算法(fa)🌈可以取得較(jiào)好的效果.
 
3以(yi)太網結構的(de)實現
3.1TCP/IP協議的(de)裁減
　　以太網(wang)中的TCP/IP協議數(shù)以百計，而嵌(qiàn)入式系統的(de)資源有限,沒(mei)有必要實現(xian)全部TCP/IP協議.裁(cái)減TCP/IP協議以适(shi)應工業以太(tài)網應用的要(yào)求是當前的(de)一個研究熱(re)點,但目前尚(shàng)無統一的裁(cai)減标準4.在本(běn)應用中由于(yú)網絡的連接(jie)數和數據的(de)傳輸量較少(shao)，因此以夠用(yong)即可”爲原則(zé)，對TCP/IP協議進行(háng)合理裁減.裁(cai)減後的協議(yi)包括鏈路層(ceng)中的CSMA/CD.ARP協議，網(wang)絡層中的IP協(xié)議,ICMP中的Ping協議(yi)，傳輸層中的(de)TCP、UDP協議以及應(ying)用層中的HTTP協(xié)議.
　　數據鏈路(lu)層的主要作(zuò)用是爲其上(shàng)層協議發送(song)和接收數據(ju)幀,采用IEEE802.3規定(ding)的CSMA/CD協議,可使(shǐ)同一局域網(wǎng)上的多台計(ji)算機共享同(tong)一物理傳輸(shu)介質，隻要采(cǎi)用通用的網(wang)絡接口控制(zhì)芯片CS8900A就可實(shí)現該協議.以(yi)太網.上數據(ju)的傳輸是通(tōng)過網絡的MAC地(dì)址進行識别(bie)的，這就要求(qiú)系統具有從(cong)IP地址轉換到(dào)MAC地址的功能(néng),即ARP(地址解析(xī))協議.網絡層(ceng)中的IP協議是(shì)TCP/IP協議族的核(he)心協議,它使(shi)異構網絡之(zhi)間的通信成(chéng)爲可能.ICMP實現(xian)與其他主機(ji)或路由器交(jiao)換錯誤報文(wen)和其他重要(yao)信息，由于本(ben)設計隻需測(ce)試網絡聯通(tōng)情況，因此隻(zhī)保留了其中(zhōng)的Ping協議.傳輸(shū)層中的TCP協議(yì)和UDP協議爲2台(tai)主機上的應(ying)用程序提供(gòng)端到端的通(tōng)信.應用層中(zhong)的HTTP協議實現(xian)以浏覽器訪(fǎng)問的方式.在(zài)以，上諸多協(xié)議中以實現(xian)TCP協議最爲困(kùn)難,受運算資(zī)源限制，隻能(néng)實現簡化的(de)有限狀态機(jī)和滑動窗口(kou)确認機制以(yǐ)及單TCP連接.另(ling)外,爲過濾來(lái)訪信息，确保(bǎo)數據安全還(hai)實現了簡易(yì)網絡防火牆(qiáng)功能,隻允許(xǔ)某些事先設(shè)置好的IP地址(zhǐ)對流量計進(jin)行訪問，有效(xiao)減輕了流量(liang)計的工作負(fu)荷.
3.2以太網控(kong)制芯片CS8900A的應(yīng)用
　　CS8900A是一款性(xing)能好、低功耗(hao)的以太網控(kòng)制芯片,内部(bu)含有🤩802.3介質訪(fang)問控制塊(MAC),支(zhī)持全雙工操(cao)作,具有自動(dong)處理沖突檢(jian)🔴測、報頭生成(chéng)、CRC校驗碼生成(cheng)及其驗證等(děng)功👈能;同時通(tōng)過對發送控(kong)制寄存器(TCMD)的(de)配🌂置,MAC可以完(wán)成幀的自動(dòng)重傳51.設計🛀🏻時(shi)選擇3V供電的(de)CS8900A-CQ3,同時爲了便(bian)于和MSP430F449之間的(de)電🙇🏻平匹配,在(zài)MSP430F449與CS8900A之間采用(yòng)圖5所示的硬(ying)件🈲接口0.通過(guò)将管腳/MEMW和/MEMR置(zhi)高,使CS8900A工作在(zài)簡單的1/0模式(shi),該模式占用(yong)端口資源較(jiao)少.MSP430F449通過對/SBHE、/IOW和(he)/IOR等控制信号(hào)線實現對CS8900A工(gong)作方式的控(kòng)制和讀寫操(cao)作.
 
　　在設計中(zhong)考慮到CS8900A芯片(pian)采用的是16位(wei)數據傳輸模(mo)式，因此在訪(fang)問💔之前必須(xū)爲總線的高(gāo)位使能管腳(jiao)(1SBHE)提供--個由高(gao)到低，再由低(dī)到❤️高變化的(de)電平信号.CS8900A通(tōng)過網絡隔離(lí)變壓器TRC2023以12.5的(de)電壓比将數(shu)據發送到網(wang)絡,以11的電壓(ya)比從網絡接(jiē)收數據⛹🏻‍♀️.CS8900A芯片(pian)的初始化操(cao)作☔主要包括(kuò):軟件複位并(bìng)檢查标志位(wei)、設定16位工作(zuo)模✨式、設定臨(lin)時以太網物(wù)理地址、設定(ding)接收幀類🥰型(xíng)、确定數據傳(chuán)送方向、中斷(duàn)使能以及數(shu)據收發使能(néng)等♉.
4結束語
　　利(lì)用磁阻傳感(gan)器HMC1501實現了流(liú)量計機械連(lian)杆在士45°範圍(wéi)内角度的正(zhèng)确測量,并将(jiāng)流量計接入(ru)以太網，實現(xian)了流量測量(liang)的智能化和(hé)網絡化,實際(ji)運行表明該(gai)系統工作穩(wen)🏃‍♀️定、可靠☂️.

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