摘(zhai)要：針對用戶對高(gao)端電磁流量計
的(de)需求,提出了基于(yu)ARM9微處理器的電磁(ci)流量計硬件設計(jì)方💁案。ARM9微處理器可(ke)以實現多種勵磁(ci)方式、數據的USB存儲(chǔ)、以太網絡通信、TFT彩(cǎi)🌈屏顯示等一系列(lie)的功能。對電磁流(liu)量計的測量裝置(zhì),基✊于ARM9核心闆的模(mó)塊化電路設計💛作(zuò)了詳細的介紹。
0引(yǐn)言
随着流量檢測(ce)儀器的技術發展(zhǎn),對流量的測量儀(yi)♻️器提出了更高的(de)應用需求。傳統的(de)流量檢測儀器一(yi)般依據各自🌂的測(ce)量機🔞理,通過簡單(dan)的信息分析✔️處理(li)來完成測量工作(zuò)⁉️。因此,在處理能力(lì)、測量精度、誤差修(xiū)正、功能擴展🔴等方(fang)面都🧡存在着局限(xian)性。新一代流量檢(jian)測儀器将以更優(yōu)良的性能取而代(dài)之。
目前,高速、精度(dù)高、大容量的嵌入(ru)式處理器在控制(zhì)和測量✌️領域的應(ying)用越來越普遍,一(yī)旦應用到電磁👌流(liú)量計[1]中,使得電磁(ci)流量🧑🏽🤝🧑🏻計的輸入信(xin)号數字濾波、曆史(shi)數據保存🔞、輸出多(duo)種勵磁信号的變(bian)化、測量信息的特(te)殊處理、測量結果(guo)的動态圖形顯🆚示(shi)、人性化的管理和(he)控制等多方面應(yīng)用,都将成爲可能(neng)。尤其是新一代網(wǎng)絡技術的發展會(hui)使得更多基于TCP/IP網(wang)絡協議的儀器設(shè)備得到應用,針對(duì)電磁流量計的遠(yuan)程數據交換傳送(song),基于典型的以太(tài)網通訊接口也應(yīng)運而生[10]。
1.電磁流量(liang)計基本原理
電磁(ci)流量計是依據法(fǎ)拉第電磁感應定(ding)律來測量管🈚内流(liu)體㊙️流☀️量的測量裝(zhuang)置[9],如圖1所示。當流(liú)體在管道内♊流動(dong)經過一橫✍️向磁場(chǎng)B的時候,相當于有(you)圖1..電磁流量計原(yuan)理👣圖一定電導率(lǜ)的導體在切割磁(cí)線,形成動生電動(dòng)勢,通♉過管道徑向(xiang)兩電極❄️可以引出(chu)該電動勢E,其大小(xiao)與磁場B、流速V和管(guǎn)徑D成正比,即:E=B..V..D
流(liú)體的體積流量Q與(yǔ)流速V和管道内截(jié)面成正比,隻要測(ce)量出兩電極之間(jiān)的電動勢E,即可确(que)定流量Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
當勵磁電(diàn)流、管道尺寸和流(liu)體密度..确定的情(qíng)況下,流體的質量(liàng)流量M僅取決于對(duì)兩電極間的感應(yīng)電勢E的檢測。電磁(cí)流量計的數學模(mó)型爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其中:Coe爲儀表(biao)系數;E0爲儀表零點(dian)修正;x爲多段非線(xiàn)性修正🏃♂️。
2.AT91RM9200及核心闆(pǎn)
AT91RM9200是Atmel公司推出的針(zhen)對嵌入式應用的(de)工業級32位ARM9嵌入式(shi)處理器✂️,最高工作(zuò)頻率達180MHz,其功能強(qiáng)大、性能穩定,非常(cháng)适合⭐高端儀表的(de)應🐪用,由它構建的(de)核心闆形成了具(ju)有豐富接口資源(yuán)的基本系統🈲,隻要(yào)擴展應⭐用模塊和(he)接口即可實現系(xì)統應用。介紹AT91RM9200的文(wén)獻很多,這裏僅給(gěi)出其主要資源和(he)特性:
内置的10/100M以太(tài)網MAC控制器
5個UART通道(dào)
2個主USB口,1個從USB口,全(quán)速12Mbps
1個MCI接口,支持MCI卡(kǎ)或SD卡
3個同步串行(háng)控制器
6個16位定時(shí)器,一個32位實時鍾(zhong)
4個SPI接口
PWM輸出
I2C接口(kǒu)
支持SDRAM,SRAM。Flash等
JTAG邏輯測試(shì)部件,支持軟/硬件(jian)開發
由AT91RM9200構建的核(hé)心闆集成了32M的SDRAM、2M的(de)并行Flash、8M的串行DateFlash、以太(tai)網電路和♍複位電(diàn)路,構成了一個基(jī)本系統,爲用戶的(de)軟件研發提供了(le)充足的空間。處理(li)器的大多數管腳(jiǎo)和其它信号都通(tōng)過兩個排針對外(wai)引出,爲用戶提供(gong)了非常豐富的擴(kuo)展資源。
由于在核(hé)心闆上移植了嵌(qiàn)入式Linux操作系統,其(qí)豐富的♌軟🎯件資源(yuan)、開放性和軟件低(di)成本使得系統應(ying)用變得方便可行(háng)。
3.智能電磁流量計(jì)硬件設計
3.1電磁流(liú)量計總體結構
電(diàn)磁流量計由測量(liàng)裝置和電路兩部(bu)分組成,電路部分(fèn)主要由㊙️檢測輸入(rù)模塊、勵磁輸出模(mó)塊、流量輸㊙️出模塊(kuai)、圖形顯示模塊、鍵(jiàn)盤模塊、通信及調(diào)試接口🏃、電源模塊(kuai)、以及最重要🏃🏻♂️的基(ji)于ARM9嵌入式系統[2]的(de)核心闆組成。圖2給(gei)出了嵌入式電磁(ci)流量計的系統框(kuang)圖。圖2嵌入式電磁(cí)流量計系統框圖(tu)。
系統經過初始化(huà)之後,核心闆向勵(lì)磁模塊輸出一數(shu)字量的勵磁信号(hao),經過D/A轉換和電流(liu)放大,驅動傳感器(qi)的勵㊙️磁線圈産生(sheng)一定強度的磁場(chang)。傳感器的流速感(gǎn)應電極🔞送出微弱(ruo)的感應信号經過(guò)輸入模塊的放大(da)濾波處理,經過A/D轉(zhuan)換成數字量輸入(ru)ARM9處理器,進一步進(jìn)行數字分析處理(li)。通過顯示模塊直(zhí)接🌂顯示瞬時流量(liang)、累積流量和動态(tài)流量圖形。另外由(yóu)流量輸出🏃♂️模塊輸(shu)出4~20mA的标❌準儀用瞬(shùn)時流量信号。
3.2.輸入(ru)及A/D轉換電路
檢測(ce)輸入模塊包括差(cha)分測量放大器、低(di)通和高通濾波🌈器(qì)👨❤️👨、增益放大器以及(ji)A/D轉換電路,如圖3所(suǒ)示。圖3輸入及A/D轉換(huan)框圖。
由于電磁流(liu)量計的電極輸出(chū)信号非常微弱,一(yī)般隻有10-4V數量級,而(ér)且,工業環境非常(cháng)大。因此,爲了保證(zheng)測量精度,送入A/D轉(zhuan)換的輸入信号應(ying)達到-2.5~+2.5V的範圍,其模(mó)拟部分電壓增益(yì)應該在60dB以上。其中(zhōng),前置放大器采用(yong)差分輸入的儀🈲用(yong)放大器🌈AD620,高通濾波(bo)🥰和低通濾波采用(yong)二階有源濾波器(qì)形成帶通濾波器(qi)濾除工頻及雜波(bo),放大📐器采用運放(fàng)CA3240A完成。A/D轉換單元采(cǎi)💜用MAX1297AEEG[4]實現12位并行模(mo)數轉換,直接與核(he)心闆的I/O線連接如(rú)圖3所示,引腳說明(ming)和接法如下:
D0~D1112位數(shu)據,接B口的PB4~PB15;
INT.中斷線(xian),接核心闆的IRQ0/PB29;
CS片選(xuan)線,接核心闆B口的(de)PB22;
RD讀控制線,接核心(xin)闆B口的PB16;
WR寫控制線(xian),接核心闆B口的PB17;
模(mo)拟信号輸入CH0通道(dao)。
3.3.勵磁輸出電路
智(zhì)能電磁流量計
的(de)勵磁電路的任務(wu)是向勵磁線圈提(ti)供一穩定的驅動(dong)電流。電👌流波形爲(wèi)方波、三值方波和(hé)梯形波[11]等🔞形式,波(bo)形變化的目的是(shì)結合信号處理電(dian)路,分析在不同勵(li)磁方式下電磁流(liu)量計的精度、零點(diǎn)穩定性和抗能力(li)等多項指标。該電(dian)路由核心闆的SPI2口(kou)輸出數字量,經過(guo)D/A轉換形成模拟信(xin)号,經V/I轉換激勵和(hé)帶有電流負反饋(kuì)的電流放大器輸(shu)出,适合各種勵磁(ci)波形的變化。結構(gou)框圖🥰如圖4。D/A轉換電(diàn)路采用AD7243芯片[5],實現(xiàn)12位的SPI同步串行輸(shū)入,-5~+5V的雙極性輸出(chū)。與ARM9核心闆的SPI2口對(duì)接,如圖4所示。
其中(zhōng)引腳說明和接法(fǎ)如下:
SDIN串行數據輸(shu)入,接核心闆的MOSI;
SCLK同(tong)步時鍾,接核心闆(pǎn)的SPCK;
SYNC串行選擇,接核(hé)心闆的NPCS2;
CLR轉換清除(chú),接核心闆I/O口的PC14;
LDAC數(shu)據鎖入啓動,接I/O口(kou)的PC15。
激勵放大器采(cai)用CA3240A運放,其特點是(shi)電源電壓高,能獲(huo)得較大的🎯輸出動(dòng)态範圍。電流放大(dà)利用兩對複合管(guǎn)實現,要求管子盡(jìn)可能配對。接入勵(li)磁線圈後,引入大(da)環路的電流負反(fǎn)饋,穩定輸出勵磁(ci)電流。
3.4.流量輸出模(mó)塊
電磁流量計在(zài)實現測量、分析和(he)處理的時候,除了(le)現場顯示瞬時流(liú)量和累積流量以(yi)外,通常還會輸出(chu)一個标準的4~20mA電流(liú)信号👈。因此,該電路(lù)利用AD421轉換電路實(shí)現了流量輸出的(de)功能。
AD421芯片[6]是一款(kuǎn)低電壓、SPI串行輸入(rù)、16位Σ-Δ轉換的D/A轉換電(diàn)路🔅,具備🧑🏽🤝🧑🏻4~20mA環路🐇電流(liu)輸出,支持HART通信協(xie)議,非常适合該電(dian)🈲路應用。SPI串行輸入(ru)接核心闆的SPI3口,如(rú)圖5所示。其中引🔞腳(jiǎo)說明和接法如下(xià):
?
DATA串行(háng)數據輸入,接核心(xīn)闆的MOSI;
CLOCK同步時鍾,接(jiē)核心闆的SPCK;
LATCH鎖入控(kòng)制,接核心闆的NPCS3。
D/A轉(zhuan)換的電壓基準REFIN選(xuan)用芯片提供的REFOUT2(2.5V)。電(diàn)路中LV與VCC之間接0.01μF的(de)電容,決定了由+24V的(de)環路電源LOOPPOWER産生3.3V電(dian)源,+24V的環路電源LOOPPOWER經(jing)内部控制電流由(yóu)LOOPRTN返回,形成4~20mA的電流(liu)環路。
3.5.圖形顯示模(mó)塊
由于AT91RM9200處理器未(wèi)集成圖形顯示,核(hé)心闆上也未提供(gòng),所以,要實現圖形(xing)顯示,必須構建圖(tú)形顯示模塊。電路(lu)采🙇♀️用LCD控制器SID13506顯示(shi)🐅芯片[7]實現彩色液(ye)晶點陣顯示和VGA标(biao)準接口。系統框圖(tu)如圖6所示。
SID13506是EPSON公司(si)較新的大規模顯(xiǎn)示控制器[8],主要應(yīng)用于嵌入式系統(tong),最高支持64K真彩色(se)。系統配置了1M的16位(wei)内存、LCD接口🈲和VGA接🈲口(kou)。3個系統時鍾BUSCLK、CLKI和CLKI2受(shòu)PA7和兩組可控震蕩(dàng)器控制,核心闆通(tong)過PA7輸出50M時鍾經過(guò)驅動接BUSCLK,核心闆通(tong)⭕過TWI管理兩組可控(kong)震蕩器PCLK1和PCLK2。ARM9核心闆(pan)與SID13506芯片引腳相🔞連(lian)的信号如表1所列(lie)。
3.6.鍵盤、通信及調試(shi)部分電路
電磁流(liu)量計的鍵盤、通信(xin)和調試部分電路(lu)屬于嵌入式系統(tǒng)的典型應用電路(lù),系統利用ZLG7289A構建了(le)8×2小型鍵盤,由I/O模拟(ni)串行口建立系統(tong)連接,實現流量計(ji)的系統設置和按(an)鍵數據輸入。
調試(shi)功能主要由串行(hang)調試口DCOM和JTAC标準調(diào)試口構成💞。其✂️中串(chuàn)🈲行調試口DCOM是由AT91RM9200處(chu)理器的DBGU單元通過(guo)SP3232E建立的,JTAG标準調試(shi)口直接由核心闆(pan)引出。
通信功能的(de)建立主要是直接(jie)由核心闆引出了(le)10/100M的TCP/IP網🌈絡接口,将處(chu)理器的USART1單元通過(guò)SP3243建立了RS232标準串行(háng)通信口COM1,将🛀🏻處理器(qi)的✊USART2單元通過SP3481建立(lì)了RS485标準串行通信(xin)口。
另外,引出處理(li)器的HDMA和HDPA線建立USBHOST接(jiē)口,可外接USB存儲器(qi),作爲電磁流量計(jì)曆史數據記錄設(shè)備。相應連接和功(gōng)能框圖如圖7所示(shi)。
3.7.電源電路
由ARM9核心(xīn)闆構建的電磁流(liu)量計的電源部分(fen)還是比較複雜的(de),一般由開關電源(yuan)模塊實現,其主電(dian)源爲🚩+5V穩壓電源,經(jīng)過2組穩壓器LT1085分别(bie)産生3.3V和1.8V供給核心(xīn)闆使用,3.3V和🌂+5V供給大(dà)部分數🤞字電路使(shǐ)用,數🔴字電源與模(mo)拟電源分開且不(bú)共地,副電源🈲主要(yao)有供給D/A轉換及放(fang)大用的±15V,供🌐給勵磁(ci)輸出🌈的±24V電源等。電(dian)磁流量計的功率(lǜ)消耗還是比較大(da)的。
4.應用系統軟件(jian)簡介
ARM9電磁流量計(ji)的軟件系統主要(yao)考慮的是核心闆(pan)及各個硬件模塊(kuai)的初始化設置,系(xi)統在啓動之後,通(tōng)過調用底層的驅(qu)動程序完成核心(xin)闆與各個硬件模(mó)塊之間的命令控(kòng)制和數據傳送,建(jiàn)立相應的中斷服(fú)務子程序及中斷(duan)向量表。采用模塊(kuai)化結構建立系統(tong)程序,電磁流量計(jì)應用系統主要由(you)定時器中斷進行(háng)管理,勵磁信号的(de)輸出和轉換保持(chí)、感應信号的多次(ci)數據采集、流量的(de)顯示和對外輸出(chu)等均由定時器的(de)中斷服務來完成(chéng)。
5.結束語
該系統作(zuò)爲高端電磁流量(liang)計的應用研究,在(zài)硬件上🏃♂️采👈用了模(mo)塊化設計方法,提(tí)高了電磁流量計(ji)的應用和研究水(shuǐ)平,降低了設計難(nán)度,已被列入重大(da)科技攻關項目🐉..嵌(qiàn)入式系統智能儀(yí)表㊙️開發平台的研(yán)究及其在流量儀(yi)表設計中的應用(yòng)之中,目前正在作(zuo)進一步的完善和(hé)提高。
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