摘(zhai)要:介紹(shào)一種基(jī)于以太(tài)網的新(xin)型智能(néng)金屬管(guan)浮子流(liú)量計 的(de)設計方(fang)案。應用(yong)磁阻傳(chuán)感器測(cè)量金屬(shǔ)浮子角(jiǎo)位♍移,結(jie)⭐合精度(du)高A/D轉換(huan)器和低(dī)功耗MCU實(shí)現數字(zì)化采集(ji)和智能(neng)控制。系(xi)統提👌供(gòng)了🚩電流(liú)變送器(qì)XTR115輸出的(de)電流環(huan)接口和(hé)基于TCP/P工(gōng)業簡化(huà)協議的(de)以太網(wǎng)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(jīng)度高、低(di)功耗的(de)數字🔴化(hua)流量計(ji)。
　　金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計具(ju)有其耐(nai)高溫、耐(nài)高壓、耐(nai)腐蝕等(děng)🥵特點而(er)廣泛應(ying)用于中(zhōng)小流速(su)流量的(de)工業計(jì)量。當前(qian)一般🧑🏾‍🤝‍🧑🏼利(li)用霍爾(er)元件㊙️感(gǎn)測浮子(zǐ)位置變(biàn)化或利(lì)用電容(rong)式角位(wèi)移傳感(gǎn)器測量(liang)機械連(lián)杆的旋(xuan)轉角♊度(du)等原理(lǐ)進行設(she)計✨“。電路(lù)設計複(fu)雜、功耗(hào)💛較大、精(jing)度🧑🏽‍🤝‍🧑🏻不高(gao)。一種使(shǐ)用各向(xiang)異性磁(cí)阻(AMR)傳感(gan)原理,應(ying)用低功(gōng)耗單片(piàn)機,并擁(yōng)有工業(yè)以太網(wang)通信接(jiē)口的新(xin)型智能(neng)金屬管(guan)浮子流(liú)量計的(de)設計方(fāng)案。該流(liú)量計具(jù)有☎️精度(dù)高、功耗(hao)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(xing)起的工(gōng)業以太(tai)網的🌈發(fā)展需求(qiú)。
1總體設(she)計
　　金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(jì)由錐形(xing)管、内置(zhì)磁鋼的(de)浮子以(yi)及外置(zhì)的嵌有(yǒu)磁鋼的(de)機械連(lian)杆組成(cheng)。當流量(liàng)變化時(shi),浮子将(jiāng)在錐形(xing)管内.上(shàng)下移動(dòng),并由磁(cí)鋼耦合(he)帶🔴動機(jī)械連杆(gǎn)旋轉一(yi)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(jiao)度θ存在(zai)着相應(ying)的函數(shu)關系,即(ji):
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對(duì)θ值的測(cè)量精度(dù)直接關(guān)系到流(liú)量的測(ce)量精度(du)💃,本🐉設計(jì)選用磁(ci)阻傳感(gǎn)器HMC1501測量(liàng)θ值,可保(bǎo)證模拟(nǐ)量測量(liang)部分的(de)高精度(dù)要求。前(qian)端模數(shù)轉換數(shu)據處理(li)和控制(zhì)部分,選(xuǎn)用内部(bu)集成高(gao)精度A/D轉(zhuan)㊙️換器和(he)16位硬件(jian)乘法器(qì)的低功(gōng)耗🍉單片(piàn)機MSP430F449。接口(kou)設計分(fèn)爲兩部(bù)分🤞:(1)由電(diàn)流變送(sòng)器XTR115提供(gòng)标準的(de)4~20mA電流環(huan)信号;(2)應(ying)用CiruLogic公司(si)的10BASE-T以太(tai)網控📧制(zhì)器CS8900A實現(xian)工業以(yǐ)太網接(jie)口。總體(tǐ)設計框(kuang)圖如圖(tu)㊙️1所示。
 
2模(mo)拟量測(ce)量及磁(ci)阻傳感(gǎn)器的應(ying)用
2.1磁阻(zu)傳感器(qì)測量原(yuan)理和特(te)性
　　含鐵(tie)材料的(de)各向異(yi)性原理(li)可感測(cè)周圍磁(ci)場的變(bian)化,運用(yòng)特殊工(gōng)藝可制(zhì)成薄膜(mó)狀磁阻(zu)元件。HMC150就(jiu)是以此(ci)原理爲(wei)基礎,将(jiāng)四個磁(cí)阻元件(jian)構成一(yi)個金剛(gang)石狀的(de)惠👌斯登(deng)電橋(如(ru)圖2所示(shi))。在外加(jia)磁♻️場的(de)作用下(xià),使得通(tōng)過磁阻(zu)的電流(liu)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(gǎn)器是一(yi)種工作(zuo)在磁飽(bao)和狀态(tai)的變換(huàn)器件,此(ci)時傳感(gǎn)💃器對磁(cí)場大小(xiǎo)不再敏(min)感,其輸(shu)出值僅(jin)和磁場(chang)方向有(yǒu)關,利用(yong)此原理(li)就可以(yi)感測周(zhōu)圍磁場(chang)相對于(yú)傳感器(qì)的🌈角度(du)變化。HMC1501角(jiǎo)度測量(liàng)範圍爲(wei)±45˳，分辨度(dù)小于0.07°,傳(chuan)感器和(hé)磁鐵之(zhī)間的有(yǒu)效線性(xing)距❄️離爲(wèi)8mm。典型🐇電(diàn)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(dian)壓♋分别(bie)爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其(qí)輸入輸(shū)出特性(xing)爲❗:
 
式中(zhōng)各變量(liang)分别爲(wèi)
V˳橋路輸(shū)出電壓(yā);Kt與溫度(du)相關的(de)增益;
Vs橋(qiáo)路激勵(lì)電壓;S材(cái)料常數(shù);
θ磁場參(can)考角度(dù);C˳制造公(gōng)差引起(qi)的偏置(zhi)電壓;
kt偏(piān)置電壓(yā)的溫敏(min)系數(-0.01%/℃)。
　　以(yǐ)上說明(míng)當溫度(du)變化較(jiào)小時,橋(qiáo)路輸出(chu)電壓與(yǔ)θ角🚶成⭐正(zheng)弦函🧑🏾‍🤝‍🧑🏼數(shu)關系。而(ér)當溫度(du)變化較(jiao)大時,測(ce)量精度(du)會受到(dao)影響,其(qí)中橋路(lù)電阻溫(wēn)度系數(shù)爲0.28%/℃,靈敏(min)度溫度(du)系數🌈爲(wèi)-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(hé)輸出電(diàn)壓之間(jiān)的函數(shu)關系。另(ling)一方面(miàn)該♉傳感(gǎn)🔞器的功(gong)耗很低(dī),由式P=Vs2/R(R爲(wei)橋路電(dian)阻)可知(zhi),當3.3V供橋(qiáo)時功耗(hào)僅爲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻2.42mw,滿(man)足低功(gōng)耗設計(ji)的要求(qiu)。
2.2檢測電(dian)路設計(jì)和數字(zi)濾波
　　HMC1501輸(shu)出的橋(qiáo)路信号(hao)較小,接(jiē)入A/D之前(qián),需要進(jìn)行信号(hao)的放大(dà)和調理(li)。設計選(xuan)用典型(xing)差分式(shì)放大電(diàn)路,如圖(tú)4所示。
 
　　放(fàng)大器的(de)選擇需(xū)要滿足(zu)兩點:第(dì)--,能夠單(dān)電源工(gong)作,可簡(jian)化系統(tǒng)電源設(shè)計;第二(èr),較低的(de)溫度漂(piao)移。設計(jì)中使用(yong)了TI的低(dī)🌍溫漂高(gao)運放ILC27L2。由(yóu)于采用(yong)了單電(dian)源供電(dian),所以要(yào)求A點電(diàn)位始🛀終(zhong)大于B點(dian),否則放(fang)大器的(de)輸出就(jiu)會失真(zhēn),爲了擡(tái)升A點的(de)電位,可(ke)以在含(hán)Out+的支路(lu)💁中,對模(mo)拟地之(zhi)間串接(jie)一個電(diàn)阻,适當(dāng)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(zài)運放正(zheng)負輸入(ru)腳之間(jian)，以及😍負(fù)反，饋回(huí)路_上加(jia)入濾波(bo)📧電容,通(tong)過計算(suàn)和試驗(yàn)選擇了(le)容值,提(tí)高系統(tǒng)的EMC性能(neng)。
　　放大後(hou)的信号(hao),經過一(yī)-級電壓(ya)跟随器(qi),送入MSP430F449單(dan)片機内(nei)部12位SAR型(xíng)ADC進行模(mó)數轉換(huàn)。高速采(cǎi)樣和16個(gè)AD值寄存(cún)器,爲數(shu)字濾波(bō)提供了(le)方便。運(yun)用積分(fèn)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(an)時間順(shùn)序先入(ru)先出(FIFO),然(ran)後取平(ping)均值計(jì)算。系統(tǒng)可以通(tōng)過軟件(jiàn)設置窗(chuang)口長度(dù),以在濾(lü)波效果(guo)和測控(kong)時延之(zhi)間取得(de)平衡。
3系(xì)統接口(kǒu)設計
3.1電(diàn)流環信(xìn)号(4~20mA)輸出(chū)
　　經過模(mo)數轉換(huan)和數值(zhi)處理後(hou)的流量(liang)數據或(huò)控制數(shu)據,由系(xì)⛷️統接口(kou)提供給(gei)外部設(she)備。工控(kòng)環境下(xià),經常使(shǐ)用4~20mA電流(liu)環👣輸出(chu),設計中(zhōng)采用的(de)XTR115是TI公司(si)的二線(xian)制電流(liu)🔞變送器(qì)。轉換精(jing)📧度高達(dá)±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(pian)機⁉️輸出(chū)PWM(脈寬調(diào)制)信号(hao),由RC積分(fèn)電路将(jiāng)脈沖信(xìn)号轉換(huan)♊成連續(xù)的電壓(yā)信号。--級(ji)放大後(hou)送入XTR115電(dian)流變送(sòng)器,弱電(diàn)壓或🔞電(diàn)流信号(hao)經電流(liú)變送器(qi)XTR115放大,獲(huo)得4~20mA的标(biao)準電流(liú)環輸出(chu)。流量或(huo)控制量(liang)值與電(diàn)流的對(dui)應關系(xì)🌂,由軟件(jiàn)标定程(chéng)序實現(xian)。
3.2工業以(yi)太網通(tōng)信
(1)工業(ye)以太網(wang)應用前(qián)景
　　以太(tai)網使用(yòng)星型拓(tuò)撲結構(gou)交換技(ji)術的全(quan)雙工通(tong)💋信方♋式(shi),基本消(xiao)除了由(yóu)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(bu).确定性(xing),滿足工(gōng)業控制(zhi)領🔞域對(dui)實時性(xing)的基本(ben)要求。同(tóng)時以太(tài)網豐富(fù)的資源(yuán)和低廉(lian)的成本(běn)必将促(cù)進其在(zai)工控領(ling)域的進(jìn)一-步普(pu)及,面向(xiang)工業應(yīng)用的TCP/IP協(xie)議也将(jiāng)成爲現(xian)場⭐總線(xiàn)的基礎(chǔ)協議。
(2)面(miàn)向應用(yong)裁減TCP/IP協(xie)議
　　TCP/IP協議(yi)族非常(chang)豐富,但(dan)由于嵌(qian)入式系(xi)統的資(zi)源有限(xian),在保證(zheng)實時、低(di)誤碼率(lü)前提下(xia)對TCP/P協議(yì)進行裁(cai)減以适(shi)應工業(yè)以太網(wang)應用成(chéng)爲-一個(ge)研究熱(re)點,目前(qian)尚無統(tǒng)--标準公(gong)布[4]。本設(she)計⛹🏻‍♀️中以(yi)實際應(yīng)用🌏爲背(bèi)景、采用(yong)夠用即(ji)可”原則(ze),對協議(yì)簇進行(háng).了裁減(jian),各層分(fèn)别實現(xiàn)的協議(yì)見😘表1。
 
　　表(biǎo)1中鏈路(lù)層爲其(qi)上層協(xié)議發送(song)和接收(shōu)數據幀(zhen),實現了(le)IEEE802.3所規定(dìng)的CSMA/CD協議(yi),構成以(yi)太網基(jī)本物理(lǐ)傳輸介(jiè)質訪問(wen)方式,實(shí)現該協(xié)議采用(yòng)通用的(de)網絡接(jiē)口控制(zhì)芯片CS8900A。爲(wèi)實現網(wǎng)絡MAC地址(zhi)到P地址(zhǐ)的轉換(huan)功能,加(jia)入了ARP地(di)址解析(xi)協議。IP協(xie)議則是(shi)TCP/P協議族(zú)的核心(xīn)協議,使(shi)異構網(wǎng)絡之間(jiān)的通信(xìn)成爲可(ke)能。而CMP協(xié)議隻是(shi)IP協議的(de)附屬協(xie)議,設計(jì)中隻需(xū)測試網(wǎng)絡聯通(tōng)情況,故(gu)隻保留(liu)了PNG協議(yì)。TCP(傳輸控(kòng)制協議(yì))和UDP(用戶(hu)數據報(bào)協議)是(shi)兩種傳(chuán)輸層協(xie)議,二者(zhe)建立于(yú)IP協議之(zhī)，上,爲兩(liǎng)台主機(jī).上的應(yīng)用程序(xu)提供端(duan)到端的(de)通信。應(yīng)用層上(shàng)實現了(le)基于.HTIP協(xié)議的WEB浏(liu)覽服務(wu)。
TCP協議的(de)實現最(zuì)爲困難(nan)。受資源(yuan)限制，隻(zhī)實現了(le)簡化的(de)⭐有限狀(zhuàng)态機和(hé)滑動窗(chuāng)口機制(zhi)以及單(dan)TCP連接。
(3)以(yǐ)太網控(kong)制器CS8900A
　　CS8900A内(nèi)部含有(yǒu)802.3介質訪(fǎng)問控制(zhì)塊(MAC),支持(chi)全雙工(gong)操作,自(zì)動處理(lǐ)沖😍突㊙️檢(jian)測、報頭(tóu)生成、CRC校(xiao)驗碼生(sheng)成和驗(yan)證功能(neng)。通過對(dui)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(zhong)傳功能(néng)[5]’。
　　圖6所示(shì)的MSP430F449與CS8900A的(de)連接采(cai)用簡單(dan)的IO模式(shi)。該模式(shi)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(hào)線🏃實現(xian)⭐對CS8900A的工(gong)作方式(shì)控制和(he)讀寫操(cao)♉作'6]。芯片(piàn)使用中(zhōng)比較重(zhong)要的是(shi)初始化(huà)🏃‍♂️操作,包(bao)括:軟件(jian)複位并(bing)檢查标(biāo)志位、設(shè)定工作(zuo)模式、設(shè)定臨時(shi)以👌太網(wǎng)物理地(dì)址、設定(dìng)接收幀(zhen)類型、确(què)定數據(jù)傳送方(fāng)向、中斷(duan)使能以(yǐ)及數據(jù)收發使(shi)🌈能等。
 
(4)以(yi)太網通(tong)信測試(shi)
 
　　網絡測(ce)試環境(jìng)如表2,網(wǎng)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(hé)IP地址,所(suǒ)有IP地址(zhi)均爲C類(lei)地🈲址。這(zhe)🔴樣即可(kě)以接收(shōu)🔞以太網(wang)單播或(huo)廣播包(bāo)。首先,在(zài)主機.上(shàng)PC機測試(shi)終端流(liú)量計的(de)ARP工作機(jī)制和實(shí)現情況(kuang)。結果如(rú)圖8所示(shì)。
 
　　用ARP命令(lìng)測試主(zhu)機ARP高速(su)緩存中(zhong)的IP和MAC地(dì)址,此時(shí)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(yòng)ping.程序測(cè)試網絡(luo)上的任(rèn)何一台(tai)流量計(ji)終㊙️端,圖(tu)📞中顯示(shi)對象IP:210.29.104.41的(de)測試結(jie)果,報文(wen)數據的(de)❤️往返時(shí)間是lmS;最(zuì)後，再次(ci)測試主(zhu)機的ARP高(gāo)速緩存(cún),結果顯(xian)示已添(tian)加了對(duì)象終端(duān)的IP和MAC地(di)✉️址。測試(shì)主機和(he)終端流(liu)🏃🏻量計之(zhī)間UDP數據(ju)的傳輸(shu)效果。UDP協(xié)議提供(gong)😘簡單的(de)面向數(shù)據報的(de)傳輸層(ceng)協議。一(yī)個簡單(dan)的UDP應用(yong)程序如(ru)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(jí)到的兩(liǎng)路ADC的電(dian)壓信号(hào)值。測試(shi)結果表(biao)明接收(shou)和發送(song)數據包(bao)♋正确率(lǜ)高,丢包(bāo)極少，實(shí)現了UDP數(shù)據處理(lǐ)功能。
 
　　通(tong)過TCP簡化(hua)協議實(shi)現了基(jī)于HTTP協議(yì)的終端(duan)流量計(jì)WEB服務,簡(jian)化的HTML網(wang)頁數據(jù)保存在(zài)MCU的片内(nei)FLASH存儲器(qì)中。HTTP服務(wù)器可以(yi)動态實(shí)時更新(xin)數據。在(zài)浏覽器(qì)的URL地址(zhǐ)中鍵入(rù):htp://210.29.104.41,就可以(yi)浏覽如(rú)圖10所示(shi)的頁面(miàn),網頁動(dòng)态顯示(shi)出采集(jí)到的流(liu)量值。
 
4結(jie)論
(1)通過(guo)以_上方(fāng)案成功(gong)實現了(le)低功耗(hao)、較低成(chéng)本智能(néng)金屬管(guan)浮子💚流(liú)量計的(de)硬件和(he)固件程(chéng)序設計(jì);
(2)簡化TCP/IP協(xie)議的以(yǐ)太網通(tong)信,易于(yu)構造實(shi)時、可靠(kao)的網絡(luò)測控❓系(xì)統,并在(zài)實際應(yīng)用中得(dé)到驗證(zheng),同時也(ye)爲主機(jī)(PC)軟件開(kāi)發提供(gong)了廣闊(kuo)的空間(jian)。

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