摘要：針(zhēn)對用戶對高端(duān)電磁流量計 的(de)需求,提出了基(jī)于ARM9微處理器的(de)電磁流量計硬(yìng)件設計方案。ARM9微(wēi)處理器可以實(shi)現多種勵磁方(fang)式、數據的USB存儲(chǔ)、以太網絡通信(xìn)、TFT彩屏顯示等一(yi)系列的功能。對(duì)電磁流量計的(de)測量裝置,基于(yu)ARM9核心闆的模塊(kuài)化電路設計⁉️作(zuò)了詳細的介紹(shao)。
0引言
　　随着流量(liàng)檢測儀器的技(ji)術發展,對流量(liàng)的測量儀器提(ti)出了更高的應(yīng)用需求。傳統的(de)流量檢測儀器(qì)一般🚶依據各自(zì)的測量機理,通(tong)過簡單的信息(xi)分析處理來完(wan)成測量工作🌈。因(yīn)此,在處理能力(lì)、測量精度、誤差(cha)修正、功能擴展(zhǎn)等方面都存在(zai)着局限性。新一(yi)♻️代流量檢測⛱️儀(yí)器将以更優良(liáng)的性能取而代(dài)之。
　　目前,高速、精(jing)度高、大容量的(de)嵌入式處理器(qì)在控制和測量(liàng)領域的應用越(yue)來越普遍,一旦(dàn)應用到電磁流(liú)量計[1]中,使得電(diàn)磁流量計的輸(shu)入信号數字濾(lü)波、曆史數據保(bao)存💃🏻、輸出多🙇‍♀️種勵(lì)磁信号的✌️變化(hua)、測量信息的特(tè)殊處理、測量結(jié)果的動态圖形(xing)顯示、人性化的(de)管理和控👨‍❤️‍👨制等(deng)多方面應用,都(dou)将成爲可能。尤(yóu)其是新一代網(wang)絡♊技術的發展(zhǎn)會使得更多基(jī)于TCP/IP網絡協議的(de)儀器設備得到(dao)應☁️用,針對電👣磁(cí)流量計的遠程(chéng)數據交換傳送(song),基于典型的以(yi)太網通訊接口(kou)也應運而生🙇🏻[10]。
1.電(dian)磁流量計基本(běn)原理
　　電磁流量(liang)計是依據法拉(lā)第電磁感應定(ding)律來測量管内(nei)流🈲體流量的測(cè)量裝置[9],如圖1所(suo)示。當流體在管(guǎn)道内流動💯經過(guò)一橫向磁場B的(de)時候,相當于有(yǒu)圖1..電磁流量計(jì)原理圖一定電(diàn)導率⁉️的導體在(zai)切割磁線,形成(chéng)動生電動勢,通(tong)過管道徑向兩(liang)電極📧可以引出(chū)該電動勢E,其大(dà)小與磁場B、流速(su)V和管徑D成正比(bǐ),即:E=B..V..D

流體的(de)體積流量Q與流(liú)速V和管道内截(jié)面成正比,隻要(yao)測量出兩電極(jí)之間的電動勢(shi)E,即可确定流量(liàng)Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
　　當勵磁電流、管(guan)道尺寸和流體(tǐ)密度..确定的情(qing)況下,流體的質(zhi)量流量M僅取決(jue)于對兩電極間(jian)的感應電勢E的(de)檢測。電磁流量(liàng)計的數學模型(xíng)爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其中:Coe爲儀表(biǎo)系數;E0爲儀表零(líng)點修正;x爲多段(duan)非線性修正。
2.AT91RM9200及(jí)核心闆
　　AT91RM9200是Atmel公司(sī)推出的針對嵌(qiàn)入式應用的工(gong)業級32位ARM9嵌入式(shì)⛷️處♋理器,最高工(gōng)作頻率達180MHz,其功(gong)能強大、性能穩(wěn)定,非常💯适合🛀高(gāo)端儀表的應🤩用(yong),由它構建的核(hé)心闆形成了具(jù)有豐富㊙️接口資(zī)源的基本系統(tong),隻要擴展應用(yòng)模塊和接口即(jí)可實現系統應(ying)用。介紹AT91RM9200的文獻(xian)很多,這裏僅給(gěi)🚶‍♀️出其主要資源(yuán)和特性:
内置的(de)10/100M以太網MAC控制器(qi)
5個UART通道
2個主USB口(kǒu),1個從USB口,全速12Mbps
1個(ge)MCI接口,支持MCI卡或(huo)SD卡
3個同步串行(háng)控制器
6個16位定(dìng)時器,一個32位實(shí)時鍾
4個SPI接口
PWM輸(shu)出
I2C接口
支持SDRAM,SRAM。Flash等(deng)
JTAG邏輯測試部件(jian),支持軟/硬件開(kāi)發
　　由AT91RM9200構建的核(he)心闆集成了32M的(de)SDRAM、2M的并行Flash、8M的串行(hang)DateFlash、以太網電路和(hé)複👣位✏️電路,構成(cheng)了一個基本系(xi)統,爲用戶的軟(ruǎn)件研發提供了(le)充足的空間。處(chu)理器的大多數(shu)管腳和其它信(xìn)号都通過兩個(ge)排針對外引出(chū),爲用戶🐆提供了(le)非常豐富的擴(kuò)展資源。
　　由于在(zài)核心闆上移植(zhí)了嵌入式Linux操作(zuo)系統,其豐富的(de)軟件資源、開放(fang)性和軟件低成(cheng)本使得系統應(yīng)用變得方便📐可(ke)行。
3.智能電磁流(liu)量計硬件設計(jì)
3.1電磁流量計總(zǒng)體結構
　　電磁流(liú)量計由測量裝(zhuāng)置和電路兩部(bu)分組成,電路部(bu)分主♻️要🙇‍♀️由檢測(ce)輸入模塊、勵磁(cí)輸出模塊、流量(liang)輸出模㊙️塊、圖形(xing)顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、通信及調(diao)試接口、電源模(mó)塊、以及最重要(yao)的基于ARM9嵌入式(shì)系統[2]的核心闆(pǎn)組成。圖2給出了(le)嵌入式電磁流(liú)量計的系統框(kuàng)圖。圖2嵌入式電(dian)磁流量計系統(tong)框圖。

　　系統經過(guò)初始化之後,核(hé)心闆向勵磁模(mó)塊輸出一數字(zi)量的勵磁信号(hao),經過D/A轉換和電(diàn)流放大,驅動傳(chuan)感器的勵磁線(xiàn)圈産生一定強(qiang)度的磁場。傳感(gan)器的流速感應(ying)電極送出微弱(ruo)的感⭕應信号經(jing)過輸入模🥵塊的(de)放大濾波處理(lǐ),經過A/D轉換成數(shù)字量輸入ARM9處理(lǐ)器,進一步進行(háng)數字分析處理(lǐ)。通過顯🐪示模塊(kuai)直接顯示瞬時(shí)流量、累積流量(liàng)和動态流量圖(tú)形。另外由流量(liàng)輸出模塊輸出(chū)4~20mA的标準儀用瞬(shùn)時流量信号。
3.2.輸(shū)入及A/D轉換電路(lu)
　　檢測輸入模塊(kuài)包括差分測量(liàng)放大器、低通和(hé)高通濾波器、增(zeng)益放大器以及(ji)A/D轉換電路,如圖(tú)3所示。圖3輸入及(jí)A/D轉換框圖。

　　由于(yu)電磁流量計的(de)電極輸出信号(hao)非常微弱,一般(bān)✂️隻🌍有10-4V數量級,而(ér)且,工業環境非(fei)常大。因此,爲了(le)保證測量精度(dù),送入A/D轉換的輸(shū)入信号應達到(dào)-2.5~+2.5V的範圍,其模拟(ni)部分電壓增益(yì)應該在60dB以上。其(qi)中,前置放大器(qi)采用差分輸入(rù)的儀用放大器(qi)AD620,高通濾波和低(di)通濾🔞波采用二(er)階有源濾波器(qi)形成帶通濾🔴波(bo)器濾除工👉頻及(ji)雜波,放大器采(cǎi)用運放CA3240A完成。A/D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG[4]實(shi)現12位并行模數(shu)轉換,直接與核(hé)心闆的I/O線連接(jiē)如圖3所示,引腳(jiao)說明和接法如(rú)下:
D0~D1112位數據,接B口(kǒu)的PB4~PB15;
INT.中斷線,接核(hé)心闆的IRQ0/PB29;
CS片選線(xiàn),接核心闆B口的(de)PB22;
RD讀控制線,接核(hé)心闆B口的PB16;
WR寫控(kong)制線,接核心闆(pǎn)B口的PB17;
模拟信号(hao)輸入CH0通道。
3.3.勵磁(ci)輸出電路
　　智能(néng)電磁流量計 的(de)勵磁電路的任(rèn)務是向勵磁線(xiàn)圈提供一穩定(dìng)的驅動電流🌐。電(dian)流波形爲方波(bō)、三值方波和梯(ti)形波[11]等🏃🏻‍♂️形式,波(bo)形變化的目🌍的(de)是👅結合信号處(chù)理電路,分析在(zai)不同勵磁方式(shì)下電磁流量計(jì)的精度、零點穩(wen)定性和抗能力(lì)等多項指标。該(gai)電路由核心闆(pǎn)的SPI2口輸⛷️出數字(zi)量,經♍過D/A轉換形(xíng)成模拟信号,經(jīng)V/I轉換激勵和💋帶(dài)有電流負反饋(kui)的電流放大🔴器(qi)輸出,适合各種(zhong)勵磁波形的💘變(bian)化。結構框圖如(rú)圖4。D/A轉換電路采(cai)用AD7243芯片[5],實現12位(wei)的SPI同步串行輸(shū)入,-5~+5V的雙極性輸(shū)出。與ARM9核心闆的(de)SPI2口對接,如圖4所(suǒ)示。

其中引腳說(shuō)明和接法如下(xia):
SDIN串行數據輸入(rù),接核心闆的MOSI;
SCLK同(tong)步時鍾,接核心(xin)闆的SPCK;
SYNC串行選擇(ze),接核心闆的NPCS2;
CLR轉(zhuan)換清除,接核心(xin)闆I/O口的PC14;
LDAC數據鎖(suo)入啓動,接I/O口的(de)PC15。
　　激勵放大器采(cai)用CA3240A運放,其特點(dian)是電源電壓高(gāo),能獲💯得較大的(de)輸出動态範圍(wei)。電流放大利用(yong)兩對複合管實(shi)現,要求管子盡(jìn)可能配對。接入(ru)勵磁線圈後,引(yǐn)✍️入大環路的電(dian)流負反㊙️饋,穩定(ding)輸出勵磁電流(liú)。
3.4.流量輸出模塊(kuài)
　　電磁流量計在(zài)實現測量、分析(xī)和處理的時候(hou),除了🌂現場顯示(shì)瞬時流量和累(lèi)積流量以外,通(tong)常還會輸出一(yi)個标準的4~20mA電流(liú)信号。因此,該電(diàn)路利用AD421轉換電(dian)路實現了流量(liàng)輸出的功能。
　　AD421芯(xīn)片[6]是一款低電(diàn)壓、SPI串行輸入、16位(wei)Σ-Δ轉換的D/A轉換電(dian)路🐅,具備4~20mA環⭐路🤩電(dian)流輸出,支持HART通(tong)信協議,非常适(shi)合該電路應用(yòng)。SPI串行輸入接🌈核(hé)心闆的SPI3口,如圖(tu)5所示。其中引腳(jiǎo)說明和接法💃如(ru)下:
?
DATA串行數據輸(shu)入,接核心闆的(de)MOSI;
CLOCK同步時鍾,接核(he)心闆的SPCK;
LATCH鎖入控(kòng)制,接核心闆的(de)NPCS3。
　　D/A轉換的電壓基(ji)準REFIN選用芯片提(tí)供的REFOUT2(2.5V)。電路中LV與(yǔ)VCC之間接0.01μF的電容(rong),決♈定了由+24V的環(huán)路電源LOOPPOWER産生3.3V電(dian)源,+24V的環路電源(yuan)LOOPPOWER經内🐉部控制電(diàn)流由LOOPRTN返回,形成(chéng)4~20mA的電流環路。
3.5.圖(tu)形顯示模塊
　　由(you)于AT91RM9200處理器未集(ji)成圖形顯示,核(hé)心闆上也未提(ti)供♻️,所以,要❓實現(xian)圖形顯示,必須(xū)構建圖形顯示(shi)模塊。電路采用(yong)LCD控制器SID13506顯示芯(xīn)片[7]實現彩色液(yè)晶點陣顯示和(hé)VGA标準🙇🏻接口。系統(tǒng)框圖如圖6所示(shi)。

　　SID13506是EPSON公司較新的(de)大規模顯示控(kong)制器[8],主要應用(yong)于嵌入式🏃‍♂️系統(tong),最‼️高支持64K真彩(cai)色。系統配置了(le)1M的16位内存、LCD接口(kou)和VGA接🎯口。3個系統(tong)✌️時鍾BUSCLK、CLKI和CLKI2受PA7和兩(liǎng)組可控震蕩器(qì)控制,核心闆通(tong)過PA7輸出🏒50M時鍾經(jing)過驅動接BUSCLK,核心(xin)闆通過TWI管理兩(liǎng)組可控震✍️蕩器(qi)PCLK1和PCLK2。ARM9核心闆與SID13506芯(xīn)片引腳相連的(de)信号如表1所列(liè)。

3.6.鍵盤、通信及調(diào)試部分電路
　　電(dian)磁流量計的鍵(jiàn)盤、通信和調試(shi)部分電路屬于(yú)嵌入式👨‍❤️‍👨系統的(de)典型應用電路(lù),系統利用ZLG7289A構建(jiàn)了8×2小型㊙️鍵盤,由(you)I/O模拟串📐行口建(jiàn)立系統連接,實(shi)現流量計的系(xì)統設☂️置和按鍵(jiàn)數據輸入。
　　調試(shi)功能主要由串(chuàn)行調試口DCOM和JTAC标(biāo)準調試口構成(chéng)。其🧡中串🏃行調🈚試(shì)口DCOM是由AT91RM9200處理器(qi)的DBGU單元通過SP3232E建(jiàn)立的,JTAG标準調試(shì)🛀🏻口直接由核心(xin)闆引出。
　　通信功(gong)能的建立主要(yao)是直接由核心(xin)闆引出了10/100M的TCP/IP網(wǎng)絡💘接口❤️,将💃🏻處理(li)器的USART1單元通過(guo)SP3243建立了RS232标準串(chuàn)行通信口COM1,将處(chù)理器的USART2單元通(tōng)過SP3481建立了RS485标準(zhun)串行通🔞信口。
　　另(lìng)外,引出處理器(qì)的HDMA和HDPA線建立USBHOST接(jiē)口,可外接USB存儲(chu)器,作爲電磁流(liú)量計曆史數據(ju)記錄設備。相應(ying)連接和功能框(kuang)圖🈲如圖7所示。

3.7.電(diàn)源電路
　　由ARM9核心(xin)闆構建的電磁(ci)流量計的電源(yuan)部分還是比較(jiào)複雜的,一般由(yóu)開關電源模塊(kuai)實現,其主電源(yuan)爲+5V穩壓電源㊙️,經(jing)過2組穩壓器♌LT1085分(fen)别産生3.3V和1.8V供給(gei)核心闆使用,3.3V和(hé)+5V供給大部分數(shù)字電路使用,數(shu)字電源與模拟(nǐ)電源分開且不(bú)共地,副電源主(zhǔ)要有供給D/A轉換(huàn)及放大用的±15V,供(gòng)給勵磁輸出的(de)±24V電源等。電🆚磁流(liú)量計的🌐功率消(xiao)耗還是比較大(da)的。
4.應用系統軟(ruan)件簡介
　　ARM9電磁流(liú)量計的軟件系(xì)統主要考慮的(de)是核心闆及各(ge)個硬件模塊的(de)初始化設置,系(xì)統在啓動之後(hòu),通過調用底層(céng)的驅動程序完(wán)成核心闆與各(ge)個硬件模塊之(zhī)間的命令控制(zhi)和數據傳送,建(jian)立相應的中斷(duan)服務子程序及(ji)中斷向量表。采(cǎi)用模塊化結構(gou)建立系統程序(xu),電磁流量計應(ying)用系統主要由(you)定時器中斷進(jìn)行管理,勵磁信(xin)号的輸出和轉(zhuan)換保持、感應信(xin)号的多次數據(ju)采集、流量的顯(xian)示和對外輸出(chu)等均由定時器(qi)的中斷服務來(lái)完成。
5.結束語
　　該(gāi)系統作爲高端(duan)電磁流量計的(de)應用研究,在硬(yìng)件上采用了模(mó)🈚塊化設計方法(fǎ),提高了電磁流(liú)量計的應用和(hé)研究水平,降👨‍❤️‍👨低(di)了設計難度,已(yǐ)被列入重大科(kē)技攻關項目..嵌(qiàn)入式系統智能(neng)儀表✉️開發平台(tai)的🔱研究及其在(zài)流量儀表設計(ji)中👨‍❤️‍👨的應用之中(zhong),目前正在作進(jìn)一步的完善和(he)提高。

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