摘(zhai)要:介紹一(yi)種基于以(yi)太網的新(xin)型智能金(jin)屬管浮子(zi)流量計 的(de)設計方案(an)。應用磁阻(zu)傳感器測(ce)量金屬浮(fu)子角位移(yi),結合精度(du)高A/D轉換器(qi)和低功耗(hao)MCU實現數字(zi)化采集和(he)智能控制(zhi)。系統提供(gong)了電流變(bian)送器XTR115輸出(chu)的電流環(huan)接口和基(ji)于TCP/P工業簡(jian)化協議的(de)以太網數(shu)據通信接(jie)口。結合相(xiang)應的固件(jian)系統,成功(gong)實現了精(jing)度高、低🐉功(gong)耗的數字(zi)化流量計(ji)。
　　金屬管浮(fu)子流量計(ji)具有其耐(nai)高溫、耐高(gao)壓、耐腐蝕(shi)等特點而(er)廣💋泛應用(yong)于中小流(liu)速流量的(de)工業計量(liang)🔱。當前一般(ban)利用📧霍爾(er)💯元件感測(ce)浮子位置(zhi)變化或利(li)用電容🔴式(shi)角位移傳(chuan)感器測量(liang)機械連杆(gan)的旋轉角(jiao)度等原理(li)進行設計(ji)“。電路設計(ji)複雜、功耗(hao)🔴較大、精度(du)不高。一種(zhong)使用各向(xiang)異性磁阻(zu)(AMR)傳感原理(li),應用低功(gong)耗單片機(ji),并擁有工(gong)業以太網(wang)通信接口(kou)的新型智(zhi)能金屬管(guan)浮子流量(liang)計的設計(ji)方案。該流(liu)量計具有(you)🙇‍♀️精💞度高、功(gong)耗低、易于(yu)🔱構造測控(kong)網絡等特(te)點,能廣泛(fan)應用于工(gong)業計量,适(shi)合日益興(xing)起的工業(ye)以太網的(de)🌈發展需求(qiu)。
1總體設計(ji)
　　金屬管浮(fu)子流量計(ji)由錐形管(guan)、内置磁鋼(gang)的浮子以(yi)及🏒外置的(de)嵌有磁鋼(gang)的機械連(lian)杆組成。當(dang)流量變化(hua)🍉時,浮✉️子将(jiang)在錐形管(guan)内.上下移(yi)動,并由磁(ci)鋼耦合帶(dai)動機械⁉️連(lian)杆旋轉一(yi)定角度θ。流(liu)量Q和浮子(zi)移動的距(ju)離h以及連(lian)杆角度θ存(cun)在着相應(ying)的函數關(guan)系,即:
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以(yi),對θ值的測(ce)量精度直(zhi)接關系到(dao)流量的測(ce)量精度🔞,本(ben)設計💛選用(yong)磁阻傳感(gan)器HMC1501測量θ值(zhi),可保證模(mo)拟量測量(liang)部分的高(gao)精度要求(qiu)。前端模數(shu)轉換數據(ju)處理和控(kong)制部分,選(xuan)用内部集(ji)成高精度(du)A/D轉換器和(he)16位硬件乘(cheng)法器的低(di)功耗單片(pian)機MSP430F449。接☂️口設(she)計分爲兩(liang)部分♻️:(1)由電(dian)流變送器(qi)XTR115提供标準(zhun)的4~20mA電流環(huan)信号;(2)應用(yong)CiruLogic公司的10BASE-T以(yi)太網控制(zhi)🤟器CS8900A實現工(gong)業以太網(wang)接口。總體(ti)設計框圖(tu)如圖1所示(shi)。
 
2模拟量測(ce)量及磁阻(zu)傳感器的(de)應用
2.1磁阻(zu)傳感器測(ce)量原理和(he)特性
　　含鐵(tie)材料的各(ge)向異性原(yuan)理可感測(ce)周圍磁場(chang)的變化,運(yun)用特殊♋工(gong)藝可制成(cheng)薄膜狀磁(ci)阻元件。HMC150就(jiu)是以此原(yuan)⭕理爲基礎(chu),将四個磁(ci)阻元件構(gou)成一個金(jin)剛石狀的(de)惠斯登電(dian)橋(如圖💃🏻2所(suo)示)。在外加(jia)磁場的作(zuo)用下,使得(de)通過🧑🏽‍🤝‍🧑🏻磁阻(zu)的電♊流發(fa)生變㊙️化，從(cong)而在輸出(chu)端形成差(cha)分電壓△V。
 
　　HMC1501傳(chuan)感器是一(yi)種工作在(zai)磁飽和狀(zhuang)态的變換(huan)器件,此🤩時(shi)傳感器對(dui)磁場大小(xiao)不再敏感(gan),其輸出值(zhi)僅和磁場(chang)方向有關(guan),利用此原(yuan)理就可以(yi)感測周圍(wei)磁場相對(dui)于傳感器(qi)的角度變(bian)化。HMC1501角度測(ce)量範圍爲(wei)±45˳，分辨度小(xiao)于0.07°,傳感✍️器(qi)和磁鐵之(zhi)間的有效(xiao)線性距離(li)爲8mm。典型電(dian)壓應用時(shi)(橋路激勵(li)電壓3.3V),橋路(lu)電阻和輸(shu)出電壓分(fen)别爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其(qi)輸🐕入輸出(chu)特性爲:
 
式(shi)中各變量(liang)分别爲
V˳橋(qiao)路輸出電(dian)壓;Kt與溫度(du)相關的增(zeng)益;
Vs橋路激(ji)勵電壓;S材(cai)料常數;
θ磁(ci)場參考角(jiao)度;C˳制造公(gong)差引起的(de)偏置電壓(ya);
kt偏置電壓(ya)的溫敏系(xi)數(-0.01%/℃)。
　　以上說(shuo)明當溫度(du)變化較小(xiao)時,橋路輸(shu)出電壓與(yu)θ角成正✂️弦(xian)函🌈數關系(xi)。而當溫度(du)變化較大(da)時,測量精(jing)度會受到(dao)影響,其中(zhong)橋路電阻(zu)溫度系數(shu)爲0.28%/℃,靈敏度(du)溫度系數(shu)爲-3.2%/℃。所以🍓在(zai)該設計中(zhong)引入了溫(wen)度補償手(shou)段。
 
　　圖3表示(shi)θ角和輸出(chu)電壓之間(jian)的函數關(guan)系。另一方(fang)面該傳感(gan)器的功耗(hao)很低,由式(shi)P=Vs2/R(R爲橋路電(dian)阻)可知,當(dang)3.3V供橋時功(gong)耗僅爲2.42mw,滿(man)足低功耗(hao)設計的要(yao)求。
2.2檢測電(dian)路設計和(he)數字濾波(bo)
　　HMC1501輸出的橋(qiao)路信号較(jiao)小,接入A/D之(zhi)前,需要進(jin)行信号的(de)放大和調(diao)理。設計選(xuan)用典型差(cha)分式放大(da)電路,如圖(tu)4所示🏃🏻‍♂️。
 
　　放大(da)器的選擇(ze)需要滿足(zu)兩點:第--,能(neng)夠單電源(yuan)工作✂️,可簡(jian)化系統電(dian)源設計;第(di)二,較低的(de)溫度漂移(yi)。設計中使(shi)用了TI的低(di)溫漂🎯高運(yun)放ILC27L2。由于采(cai)用了單電(dian)源供電,所(suo)以要求A點(dian)電位始終(zhong)大于B點,否(fou)則放大器(qi)的輸出就(jiu)會失真,爲(wei)了擡升A點(dian)的電位,可(ke)以在含Out+的(de)支路中,對(dui)模拟地之(zhi)間串接一(yi)個電阻,适(shi)當的放大(da)倍數下電(dian)阻阻值取(qu)300Ω。硬件采用(yong)RC濾波,在運(yun)放正負輸(shu)🔞入腳之間(jian)，以及負反(fan)，饋回路_上(shang)加入濾波(bo)電容,通過(guo)計算和試(shi)驗選擇了(le)容值💃,提高(gao)系統的EMC性(xing)能。
　　放大後(hou)的信号,經(jing)過一-級電(dian)壓跟随器(qi),送入MSP430F449單片(pian)機内部12位(wei)SAR型ADC進行模(mo)數轉換。高(gao)速采樣和(he)16個AD值寄存(cun)器🔱,爲數字(zi)濾波提供(gong)了方便🔅。運(yun)用積分算(suan)法取得了(le)很好的效(xiao)果。算法中(zhong)設置--定長(zhang)度的時間(jian)👄窗口,采樣(yang)值按時間(jian)順序先入(ru)先出(FIFO),然後(hou)取🏃‍♀️平均值(zhi)計算。系統(tong)可以通過(guo)軟件設置(zhi)窗口長度(du),以在濾波(bo)🛀🏻效果和測(ce)控時延之(zhi)間取得平(ping)衡。
3系統接(jie)口設計
3.1電(dian)流環信号(hao)(4~20mA)輸出
　　經過(guo)模數轉換(huan)和數值處(chu)理後的流(liu)量數據或(huo)控制數據(ju),由🚩系統接(jie)口提供給(gei)外部設備(bei)。工控環境(jing)下,經常使(shi)用4~20mA電流環(huan)輸出,設計(ji)中采用的(de)XTR115是TI公司的(de)二線🌈制電(dian)流變送器(qi)。轉換精度(du)高達❗±0.05%非線(xian)性誤差±0.003%。
 
　　圖(tu)5是實現流(liu)量數據到(dao)電流環的(de)DA轉換過程(cheng)。MSP430單片機輸(shu)出PWM(脈寬調(diao)制)信号,由(you)RC積分電路(lu)将脈沖信(xin)号轉換成(cheng)連續的電(dian)壓信号❓。--級(ji)放大後送(song)入XTR115電流變(bian)送器,弱電(dian)壓或電流(liu)信号經電(dian)流變送器(qi)XTR115放大,獲得(de)4~20mA的标準電(dian)流環輸出(chu)。流量或控(kong)制量值與(yu)電流的🐅對(dui)應關系,由(you)軟件标定(ding)程序實現(xian)。
3.2工業以太(tai)網通信
(1)工(gong)業以太網(wang)應用前景(jing)
　　以太網使(shi)用星型拓(tuo)撲結構交(jiao)換技術的(de)全雙工通(tong)信方式,基(ji)本消除了(le)由介質訪(fang)問控制方(fang)式(沖突檢(jian)🌈測載波多(duo)點訪問CSMA/CD)導(dao)緻的通信(xin)不.确定性(xing),滿足工業(ye)控制領域(yu)對實時性(xing)的🈲基本要(yao)求。同時以(yi)太網豐富(fu)✍️的資源和(he)低廉的成(cheng)本必将促(cu)進其在工(gong)⭐控領域的(de)進一-步普(pu)及,面向工(gong)業應用的(de)TCP/IP協議也将(jiang)成爲現場(chang)🈲總線的基(ji)礎協議。
(2)面(mian)向應用裁(cai)減TCP/IP協議
　　TCP/IP協(xie)議族非常(chang)豐富,但由(you)于嵌入式(shi)系統的資(zi)源有限,在(zai)保證實時(shi)、低誤碼率(lü)前提下對(dui)TCP/P協議進行(hang)裁減以适(shi)應工業以(yi)太網應✏️用(yong)成爲-一個(ge)研究熱點(dian),目前尚無(wu)統--标準公(gong)布[4]。本設計(ji)⭐中以實⛹🏻‍♀️際(ji)應用爲背(bei)景、采用夠(gou)用即可”原(yuan)則,對協議(yi)簇進行.了(le)裁減,各層(ceng)分别實現(xian)的協議見(jian)🧡表1。
 
　　表1中鏈(lian)路層爲其(qi)上層協議(yi)發送和接(jie)收數據幀(zhen),實現了IEEE802.3所(suo)規定的CSMA/CD協(xie)議,構成以(yi)太網基本(ben)物理傳輸(shu)介質訪問(wen)方式,實現(xian)該協議采(cai)用通用的(de)網絡接口(kou)控制芯片(pian)CS8900A。爲實現網(wang)絡MAC地址到(dao)P地址的轉(zhuan)換功能,加(jia)入了ARP地址(zhi)解析協議(yi)。IP協議則是(shi)TCP/P協議族的(de)核心協議(yi),使異構網(wang)絡之間的(de)通信成爲(wei)可能。而CMP協(xie)議隻是IP協(xie)議的附屬(shu)協議,設計(ji)中隻需測(ce)試網絡聯(lian)通情況,故(gu)隻保留了(le)PNG協議。TCP(傳輸(shu)控制協議(yi))和UDP(用戶數(shu)據報協議(yi))是兩種傳(chuan)輸層協議(yi),二者建立(li)于IP協議之(zhi)，上,爲兩台(tai)主機.上的(de)應用程序(xu)提供端到(dao)端的通信(xin)。應用層上(shang)實現了基(ji)于.HTIP協議的(de)WEB浏覽服務(wu)。
TCP協議的實(shi)現最爲困(kun)難。受資源(yuan)限制，隻實(shi)現了簡化(hua)⛱️的有限🧑🏽‍🤝‍🧑🏻狀(zhuang)🔱态機和滑(hua)動窗口機(ji)制以及單(dan)TCP連接。
(3)以太(tai)網控制器(qi)CS8900A
　　CS8900A内部含有(you)802.3介質訪問(wen)控制塊(MAC),支(zhi)持全雙工(gong)操作,自動(dong)處理沖突(tu)檢測、報頭(tou)生成、CRC校驗(yan)碼生成和(he)驗證功能(neng)。通過✔️對發(fa)💋送控制寄(ji)存器(TQMD)配置(zhi),MAC可以完成(cheng)幀的自動(dong)重傳功能(neng)[5]’。
　　圖6所示的(de)MSP430F449與CS8900A的連接(jie)采用簡單(dan)的IO模式。該(gai)模式占用(yong)内存資源(yuan)少,相應管(guan)腳MBMW和MEMR需被(bei)置高。單片(pian)機通過/SBHE、/DW和(he)/DR等控制信(xin)号線🍓實現(xian)對CS8900A的工作(zuo)方式控制(zhi)和讀寫操(cao)作'6]。芯片使(shi)用中比較(jiao)重要的是(shi)🚩初始化⭕操(cao)作,包括:軟(ruan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻件複位并(bing)檢查标志(zhi)㊙️位、設定工(gong)作模式、設(she)定臨時以(yi)💃太網物理(li)地址、設定(ding)接收幀類(lei)型、确定數(shu)據傳送方(fang)向、中斷使(shi)能以👨‍❤️‍👨及數(shu)據收發使(shi)能等。
 
(4)以太(tai)網通信測(ce)試
 
　　網絡測(ce)試環境如(ru)表2,網絡架(jia)構如圖7。各(ge)設備上電(dian)初始化👈後(hou),都✍️設定了(le)MAC地址和IP地(di)址,所有IP地(di)址均爲C類(lei)地⁉️址。這樣(yang)即可以接(jie)收以太網(wang)單播或廣(guang)播包。首先(xian),在✉️主機.上(shang)PC機測試終(zhong)端流量計(ji)的ARP工作機(ji)制和實現(xian)情況。結果(guo)如圖8所示(shi)。
 
　　用ARP命令測(ce)試主機ARP高(gao)速緩存中(zhong)的IP和MAC地址(zhi),此時隻有(you)本地IP:210.29.104.1對應(ying)的MAC地址00-30-85-88-8b-02;然(ran)後,用ping.程序(xu)測試網絡(luo)上的任何(he)一台流量(liang)計終端,圖(tu)中顯示對(dui)象IP:210.29.104.41的測試(shi)結果,報文(wen)數據的往(wang)返時間是(shi)lmS;最後，再次(ci)‼️測試主機(ji)的ARP高速緩(huan)存,結果顯(xian)示已添加(jia)了對象終(zhong)端的IP和MAC地(di)址。測試主(zhu)機和終端(duan)流量計之(zhi)間UDP數據的(de)傳輸效果(guo)。UDP協議提供(gong)簡單的面(mian)向數據報(bao)的傳輸層(ceng)⭕協議。一個(ge)簡單的UDP應(ying)用程序如(ru)圖9所示。主(zhu)機對終端(duan)流量計發(fa)送UDP數據命(ming)令,當流量(liang)計收到"DataCollection!”命(ming)🙇🏻令就回送(song)采集到☎️的(de)🔆兩路ADC的電(dian)壓信号值(zhi)。測試結果(guo)表明接收(shou)和發送數(shu)據包🛀🏻正确(que)率高,丢包(bao)極少，實現(xian)了UDP數據處(chu)理功能。
 
　　通(tong)過TCP簡化協(xie)議實現了(le)基于HTTP協議(yi)的終端流(liu)量計WEB服務(wu),簡化的HTML網(wang)頁數據保(bao)存在MCU的片(pian)内FLASH存儲器(qi)中。HTTP服務器(qi)可以動态(tai)實時更新(xin)數據。在浏(liu)覽器的URL地(di)址中鍵入(ru):htp://210.29.104.41,就可以浏(liu)覽如圖10所(suo)示的頁面(mian),網頁動态(tai)顯示出采(cai)集到的流(liu)量值。
 
4結論(lun)
(1)通過以_上(shang)方案成功(gong)實現了低(di)功耗、較低(di)成本智能(neng)🙇‍♀️金㊙️屬💋管浮(fu)子流量計(ji)的硬件和(he)固件程序(xu)設計;
(2)簡化(hua)TCP/IP協議的以(yi)太網通信(xin),易于構造(zao)實時、可靠(kao)的網絡測(ce)控系統💋,并(bing)在實際應(ying)用中得到(dao)驗證,同時(shi)也爲💞主機(ji)(PC)軟件開發(fa)提供💋了廣(guang)闊的空間(jian)。

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