摘(zhāi)要:介紹(shao)一種基(ji)于以太(tai)網的新(xin)型智能(néng)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計 的(de)設計方(fang)案。應用(yòng)磁阻傳(chuan)感器測(cè)量金屬(shu)浮子角(jiao)位移,結(jie)🐉合精度(du)高A/D轉換(huan)器和低(di)功耗MCU實(shí)現數字(zì)化采集(jí)和智能(néng)控制。系(xi)🌐統提供(gòng)了電流(liu)變送器(qì)XTR115輸出的(de)電流環(huan)接口和(he)基于☔TCP/P工(gōng)業簡化(hua)協議的(de)以太網(wang)數據通(tōng)信接口(kǒu)。結合相(xiang)應的固(gu)件系統(tǒng),成功實(shí)現了精(jing)度高、低(dī)⭕功耗的(de)數字化(huà)流量計(jì)。
　　金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計具(jù)有其耐(nài)高溫、耐(nai)高壓、耐(nài)腐蝕等(deng)🤟特點而(ér)廣泛應(ying)用于中(zhong)小流速(su)流量的(de)工業計(ji)量。當前(qian)一般利(li)用霍爾(ěr)元件感(gan)測浮子(zǐ)位置變(biàn)化或利(li)用電容(róng)式角位(wèi)移傳感(gan)器測量(liàng)機械連(lián)杆的旋(xuan)轉角度(dù)等原理(lǐ)進行設(she)計“。電路(lù)設計複(fu)雜、功耗(hào)較大、精(jīng)度不高(gāo)。一種使(shǐ)用各向(xiàng)異性磁(cí)阻(AMR)傳感(gan)原理,應(ying)用低功(gōng)耗單片(pian)機,并擁(yong)有工業(yè)以太網(wang)通信接(jiē)口的新(xin)型智能(néng)金屬管(guan)浮子流(liu)🏒量計的(de)設計方(fang)案🆚。該流(liú)量計具(ju)有精度(du)高、功耗(hào)低、易于(yú)🈲構造測(cè)控網絡(luò)等特🈲點(dian),能廣泛(fàn)應用于(yu)工業計(ji)量,适合(hé)日益興(xìng)起的工(gong)業以太(tài)網的發(fa)展需求(qiu)。
1總體設(shè)計
　　金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(jì)由錐形(xing)管、内置(zhi)磁鋼的(de)浮子以(yǐ)及外置(zhi)的嵌有(yǒu)磁鋼的(de)機械連(lián)杆組成(cheng)。當流量(liàng)變化時(shi),浮子将(jiang)♊在錐形(xíng)管内.上(shang)下移動(dong),并由磁(cí)鋼耦合(he)帶🈲動機(jī)械連杆(gan)旋轉一(yī)定角度(dù)θ。流量Q和(hé)浮子移(yí)動的距(jù)離h以及(ji)連杆角(jiǎo)度θ存在(zai)着相應(ying)🏃‍♀️的函數(shù)關🧑🏾‍🤝‍🧑🏼系,即(ji):
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對(duì)θ值的測(cè)量精度(du)直接關(guan)系到流(liú)量的測(cè)量精度(dù),本設計(jì)選用磁(cí)阻傳感(gan)器HMC1501測量(liàng)θ值,可保(bao)證模拟(nǐ)量測量(liang)🥵部分的(de)高精度(du)要求。前(qian)端模數(shu)轉換數(shù)據處理(li)和控制(zhi)部分,選(xuǎn)用内部(bu)集成高(gao)精度A/D轉(zhuǎn)換器和(hé)16位硬件(jiàn)乘法器(qì)的低功(gōng)耗單片(pian)機MSP430F449。接口(kǒu)設計分(fèn)🔆爲兩部(bù)分:(1)由電(dian)流變送(song)器XTR115提供(gong)标準🈲的(de)4~20mA電流環(huán)信👉号;(2)應(yīng)用CiruLogic公司(sī)✂️的10BASE-T以太(tai)網控🈲制(zhì)器CS8900A實現(xian)工業以(yǐ)太網接(jiē)口。總體(ti)設計框(kuang)圖如圖(tu)1所示。
 
2模(mó)拟量測(cè)量及磁(cí)阻傳感(gǎn)器的應(ying)用
2.1磁阻(zǔ)傳感器(qi)測量原(yuán)理和特(tè)性
　　含鐵(tie)材料的(de)各向異(yì)性原理(li)可感測(ce)周圍磁(cí)場的變(biàn)化,運用(yong)特殊工(gong)藝可制(zhi)成薄膜(mo)狀磁阻(zu)元件。HMC150就(jiu)是以此(ci)原理爲(wèi)基礎,将(jiāng)四個磁(cí)阻元件(jian)構成一(yi)個金剛(gāng)石狀的(de)惠斯登(dēng)電橋(如(ru)圖2所示(shì))。在🍓外加(jia)磁🔞場的(de)作用下(xia),使得通(tōng)過磁阻(zǔ)的電流(liú)發生變(biàn)🈲化，從而(er)在輸出(chū)端形成(chéng)差分電(dian)壓❤️△V。
 
　　HMC1501傳感(gan)器是一(yī)種工作(zuò)在磁飽(bao)和狀态(tai)的變換(huàn)器件,此(cǐ)時傳感(gǎn)☀️器對🌈磁(cí)場大小(xiǎo)不再敏(min)感,其輸(shū)出值僅(jin)和磁場(chang)方向有(you)關,利用(yòng)此☎️原理(lǐ)就可以(yǐ)感測周(zhōu)圍磁場(chǎng)相✏️對于(yu)傳感器(qi)的🤟角度(du)變化。HMC1501角(jiao)度測量(liang)範圍爲(wèi)±45˳，分辨度(dù)🧡小于0.07°,傳(chuán)感器和(he)磁鐵🙇‍♀️之(zhi)間的有(yǒu)效線性(xìng)距離爲(wei)8mm。典型😄電(dian)壓應用(yòng)時(橋路(lù)激勵電(dian)壓3.3V),橋路(lù)電阻和(he)輸出電(diàn)壓分别(bié)爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其(qi)輸入輸(shu)出特性(xìng)爲:
 
式中(zhong)各變量(liang)分别爲(wei)
V˳橋路輸(shu)出電壓(ya);Kt與溫度(du)相關的(de)增益;
Vs橋(qiao)路激勵(li)電壓;S材(cai)料常數(shù);
θ磁場參(cān)考角度(du);C˳制造公(gong)差引起(qi)的偏置(zhì)電壓;
kt偏(pian)置電壓(ya)的溫敏(mǐn)系數(-0.01%/℃)。
　　以(yi)上說明(ming)當溫度(du)變化較(jiào)小時,橋(qiao)路輸出(chu)電壓與(yǔ)θ角成正(zheng)弦㊙️函數(shù)關系。而(er)當溫度(du)變化較(jiao)大時,測(ce)量精度(dù)㊙️會受到(dao)影響,其(qí)中橋路(lù)電阻溫(wen)度系數(shù)爲0.28%/℃,靈敏(mǐn)度溫度(dù)系數爲(wei)-3.2%/℃。所以🤞在(zài)該設計(jì)中引入(ru)了溫度(du)補償手(shou)段。
 
　　圖3表(biǎo)示θ角和(he)輸出電(dian)壓之間(jian)的函數(shù)關系。另(lìng)一方面(miàn)該傳感(gǎn)器的功(gōng)耗很低(di),由式P=Vs2/R(R爲(wèi)橋路電(diàn)阻)可知(zhī),當3.3V供橋(qiao)時功耗(hào)僅爲2.42mw,滿(mǎn)足低功(gong)耗設計(jì)的要求(qiu)。
2.2檢測電(diàn)路設計(jì)和數字(zì)濾波
　　HMC1501輸(shu)出的橋(qiao)路信号(hao)較小,接(jie)入A/D之前(qian),需要進(jìn)行信号(hào)的👅放大(da)和調理(lǐ)。設計選(xuǎn)用典型(xíng)差分式(shì)放大電(dian)路,如圖(tú)4所示。
 
　　放(fang)大器的(de)選擇需(xu)要滿足(zú)兩點:第(di)--,能夠單(dān)電源工(gong)作,可簡(jian)化系統(tǒng)電源設(she)計;第二(èr),較低的(de)溫度漂(piāo)移。設計(jì)中使用(yòng)了♌TI的低(dī)溫漂♍高(gao)運放ILC27L2。由(you)于采用(yong)了單電(dian)源供電(dian),所以要(yao)求A點電(dian)位始💰終(zhōng)大于❄️B點(dian),否則放(fang)大器的(de)輸出就(jiu)會失真(zhen),爲了擡(tai)升A點的(de)電🏃位,可(kě)以在含(han)Out+的支路(lù)中,對模(mó)拟地之(zhi)間串接(jie)一🔞個電(diàn)阻,适當(dang)的放大(dà)倍數🥵下(xia)電阻阻(zu)值🔴取300Ω。硬(ying)件采用(yòng)RC濾波,在(zai)運放正(zheng)負輸入(ru)腳之間(jiān)，以及負(fù)反，饋回(hui)路_上加(jiā)入濾波(bo)🛀🏻電容,通(tōng)過計算(suan)和試驗(yan)選擇了(le)容值✨,提(tí)高系統(tǒng)的EMC性能(neng)。
　　放大後(hòu)的信号(hao),經過一(yī)-級電壓(yā)跟随器(qi),送入MSP430F449單(dān)片機内(nei)部12位SAR型(xíng)ADC進行模(mo)數轉換(huàn)。高速采(cǎi)樣和16個(ge)AD值寄存(cun)器,爲數(shu)字濾📞波(bō)提供了(le)方便。運(yùn)用積分(fen)算法取(qu)得了很(hen)好的效(xiào)👌果。算法(fa)中設置(zhi)--定長度(du)的時間(jiān)‼️窗口,采(cai)樣值按(àn)時間順(shùn)序先入(rù)先出(FIFO),然(rán)後取💃平(píng)均值計(jì)算。系統(tǒng)可以通(tōng)過軟件(jiàn)設置窗(chuang)口長度(du),以在濾(lü)波😘效果(guo)和測控(kòng)時延之(zhi)間取得(de)平衡。
3系(xì)統接口(kǒu)設計
3.1電(dian)流環信(xin)号(4~20mA)輸出(chu)
　　經過模(mó)數轉換(huàn)和數值(zhi)處理後(hou)的流量(liàng)數據或(huo)控制數(shu)據,由系(xi)統接口(kǒu)提供給(gei)外部設(shè)備。工控(kong)環境下(xia),經常使(shǐ)✔️用4~20mA電🔞流(liu)環輸出(chū)🏃‍♀️,設計中(zhōng)采用的(de)XTR115是TI公司(si)的二線(xian)制電流(liú)變送器(qi)。轉換精(jīng)度高達(da)±0.05%非線性(xing)誤差±0.003%。
 
　　圖(tu)5是實現(xian)流量數(shu)據到電(diàn)流環的(de)DA轉換過(guo)程。MSP430單片(piàn)機❤️輸出(chu)PWM(脈寬調(diao)制)信号(hào),由RC積分(fèn)電路将(jiāng)脈沖信(xin)号轉換(huàn)⚽成連續(xu)的電壓(ya)信号。--級(jí)放大後(hou)送入XTR115電(dian)流變送(song)器,弱電(diàn)壓或電(dian)流信号(hào)經電流(liú)變送器(qi)XTR115放大📞,獲(huò)得4~20mA的标(biāo)準電流(liu)環輸出(chu)。流量或(huo)控制量(liàng)值💁與電(dian)流的對(dui)應關系(xi),由軟件(jian)标定程(cheng)序實現(xian)。
3.2工業以(yǐ)太網通(tong)信
(1)工業(yè)以太網(wǎng)應用前(qian)景
　　以太(tai)網使用(yong)星型拓(tuo)撲結構(gòu)交換技(ji)術的全(quan)雙工通(tōng)💞信方式(shi),基✌️本消(xiao)除了由(you)介質訪(fang)問控制(zhì)方式(沖(chong)突檢測(ce)載波多(duo)點訪問(wèn)CSMA/CD)導緻的(de)通信不(bú).确定性(xìng),滿足工(gōng)業控制(zhi)領域對(duì)實時性(xìng)的基本(běn)要求。同(tóng)時以太(tai)網豐富(fu)🌈的資源(yuan)和低廉(lián)的成本(ben)必将促(cù)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進其在(zai)工控領(ling)域的進(jin)一-步普(pu)及,面向(xiàng)工業應(ying)用的TCP/IP協(xie)議也将(jiang)成爲現(xian)場總線(xiàn)的基礎(chǔ)協議。
(2)面(mian)向應用(yòng)裁減TCP/IP協(xié)議
　　TCP/IP協議(yì)族非常(chang)豐富,但(dan)由于嵌(qian)入式系(xì)統的資(zī)源有限(xiàn),在💯保🧑🏾‍🤝‍🧑🏼證(zhèng)實⛱️時❗、低(dī)誤碼率(lǜ)前提下(xia)對TCP/P協議(yì)進行裁(cai)減以适(shi)應工業(ye)以太網(wǎng)應🤞用成(chéng)爲-一個(gè)研究熱(rè)點,目前(qian)尚無統(tong)--标準公(gong)布[4]。本設(she)計中以(yi)實際應(yīng)用爲背(bei)景、采用(yong)夠用即(ji)可”原則(zé),對協議(yi)簇進行(háng).了裁減(jiǎn),各♋層分(fèn)别實現(xiàn)的協議(yi)見表1。
 
　　表(biao)1中鏈路(lu)層爲其(qí)上層協(xie)議發送(sòng)和接收(shou)數據幀(zhēn),實現了(le)IEEE802.3所規定(ding)的CSMA/CD協議(yi),構成以(yǐ)太網基(ji)本物理(lǐ)傳輸介(jie)質訪問(wen)方式,實(shí)現該協(xie)議采用(yong)通用的(de)網絡接(jiē)口控制(zhi)芯片CS8900A。爲(wèi)實現網(wǎng)絡MAC地址(zhǐ)到P地址(zhi)的轉換(huan)功能,加(jia)入了ARP地(dì)址解析(xī)協議。IP協(xie)議則是(shì)TCP/P協議族(zu)的核心(xīn)協議,使(shǐ)異構網(wǎng)絡之間(jiān)的通信(xìn)成爲可(ke)能。而CMP協(xié)議隻是(shì)IP協議的(de)附屬協(xié)議,設計(ji)中隻需(xū)測試網(wǎng)絡聯通(tōng)情況,故(gu)隻保留(liú)了PNG協議(yi)。TCP(傳輸控(kòng)制協議(yì))和UDP(用戶(hù)數據報(bào)協議)是(shì)兩種傳(chuán)輸層協(xié)議,二者(zhe)建立于(yu)IP協議之(zhi)，上,爲兩(liǎng)台主機(jī).上的應(ying)用程序(xu)提供端(duān)到端的(de)通信。應(yīng)用層上(shàng)實現了(le)基于.HTIP協(xie)議的WEB浏(liú)覽服務(wù)。
TCP協議的(de)實現最(zuì)爲困難(nan)。受資源(yuan)限制，隻(zhi)實現了(le)簡化的(de)有☔限狀(zhuàng)🐅态機和(he)滑動窗(chuāng)口機制(zhì)以及單(dān)TCP連接。
(3)以(yǐ)太網控(kong)制器CS8900A
　　CS8900A内(nei)部含有(yǒu)802.3介質訪(fang)問控制(zhi)塊(MAC),支持(chi)全雙工(gong)操作,自(zi)動處理(li)沖💯突檢(jian)測、報頭(tóu)生成、CRC校(xiào)驗碼生(sheng)成和驗(yan)證功能(neng)。通過對(duì)發送控(kòng)制寄存(cun)器(TQMD)配置(zhì),MAC可以完(wán)成幀的(de)自動重(zhòng)傳功能(néng)[5]’。
　　圖6所示(shì)的MSP430F449與CS8900A的(de)連接采(cǎi)用簡單(dān)的IO模式(shi)。該模式(shì)占用内(nei)🏃🏻存資源(yuán)少,相應(yīng)管腳MBMW和(he)MEMR需被置(zhi)高。單片(piàn)機通過(guò)/SBHE、/DW和/DR等控(kong)制信号(hao)線實現(xian)對CS8900A的工(gong)作方式(shi)控制和(he)讀寫操(cāo)作'6]。芯片(pian)使用中(zhōng)比較重(zhong)要的是(shi)🔞初始化(hua)🌈操作,包(bāo)括:軟件(jian)複位并(bing)檢查标(biāo)志位、設(she)定工作(zuo)模式、設(shè)定臨時(shi)以太網(wang)物理地(dì)址、設定(dìng)接收⛷️幀(zhēn)類型、确(què)定🚩數據(ju)傳送方(fang)向、中斷(duan)使能以(yǐ)及數據(ju)收發使(shǐ)能等。
 
(4)以(yǐ)太網通(tōng)信測試(shi)
 
　　網絡測(cè)試環境(jing)如表2,網(wang)絡架構(gòu)如圖7。各(gè)設備上(shang)電初始(shǐ)化後,都(dōu)設定了(le)MAC地址和(he)IP地址,所(suǒ)有IP地址(zhǐ)均爲C類(lèi)地址。這(zhe)⛹🏻‍♀️樣即🌍可(kě)以接收(shou)以太網(wang)單播或(huò)廣播包(bāo)。首先,在(zai)主機.上(shàng)❗PC機測試(shi)終端流(liu)量計的(de)ARP工作機(jī)制和實(shi)現情況(kuàng)。結果如(ru)圖8所示(shi)。
 
　　用ARP命令(ling)測試主(zhǔ)機ARP高速(sù)緩存中(zhōng)的IP和MAC地(di)址,此時(shi)隻有本(běn)地IP:210.29.104.1對💘應(ying)的MAC地址(zhǐ)00-30-85-88-8b-02;然後,用(yong)ping.程序測(ce)試網絡(luò)上的任(rèn)何㊙️一台(tái)流量計(jì)終端,圖(tú)中顯示(shì)對象IP:210.29.104.41的(de)測試結(jié)果,報文(wén)數據的(de)往返時(shi)🏃‍♂️間是lmS;最(zui)後，再次(ci)🐕測試主(zhu)💛機的ARP高(gāo)速緩存(cun),結果顯(xian)示已添(tian)加了對(dui)象終端(duān)的IP和MAC地(di)址。測試(shì)主機和(he)終端流(liú)🐉量計之(zhi)間UDP數據(jù)的傳輸(shū)效果。UDP協(xié)議提供(gòng)簡單的(de)面向數(shu)✨據報的(de)傳輸層(ceng)協議。一(yi)個簡單(dan)的UDP應用(yong)程序如(rú)圖9所示(shì)。主機對(duì)終端流(liu)量計發(fā)送UDP數據(jù)命令,當(dang)流量計(jì)收到"DataCollection!”命(ming)♋令就回(huí)送采集(ji)到的兩(liang)路ADC的電(diàn)壓信号(hao)值。測試(shi)結果表(biao)明接收(shōu)和發送(song)數據包(bao)⭕正确♻️率(lǜ)高,丢包(bao)極少，實(shí)現了UDP數(shu)🏃‍♂️據處理(li)功能。
 
　　通(tōng)過TCP簡化(hua)協議實(shi)現了基(ji)于HTTP協議(yi)的終端(duan)流量計(ji)WEB服務,簡(jiǎn)化的HTML網(wǎng)頁數據(jù)保存在(zai)MCU的片内(nei)FLASH存儲器(qi)中。HTTP服務(wu)器可以(yi)動态實(shí)時更新(xīn)數據。在(zài)浏覽器(qi)的URL地址(zhi)中鍵入(ru):htp://210.29.104.41,就可以(yǐ)浏覽如(rú)圖10所示(shì)的頁面(mian),網頁動(dong)态顯示(shì)出采集(ji)到的流(liu)量值。
 
4結(jie)論
(1)通過(guo)以_上方(fang)案成功(gong)實現了(le)低功耗(hào)、較低成(cheng)本智能(néng)金屬管(guan)浮子流(liú)量計的(de)硬件和(hé)固件程(cheng)序設計(ji);
(2)簡化TCP/IP協(xié)議的以(yǐ)太網通(tōng)信,易于(yú)構造實(shi)時、可靠(kao)的網絡(luo)測控系(xì)統,并在(zài)實際應(yīng)用中得(dé)到驗證(zhèng),同時也(ye)爲主機(ji)(PC)軟件🔆開(kāi)發提供(gong)了廣闊(kuo)的空間(jiān)。

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