摘(zhāi)要:根據(ju)磁阻傳(chuan)感器的(de)角位移(yí)測量原(yuán)理,提出(chu)智能金(jin)屬管浮(fú)子流量(liàng)計 的設(shè)計方案(àn).該方案(an)采用低(dī)功耗MCU和(hé)精度高(gāo)ADC實現對(duì)❓流🈲量的(de)數字化(huà)采集和(hé)智能控(kong)制,應用(yong)LMBP算法實(shí)現精度(dù)高㊙️的靜(jìng)态特征(zhēng)曲線拟(nǐ)合;通過(guò)裁減TCP1IP協(xie)議,在以(yǐ)太❤️網上(shang)實現了(le)流量計(ji)與🛀用戶(hu)的數據(jù)通信.實(shi)際運行(háng)表明，設(shè)計💚的流(liú)量計系(xi)統運行(hang)穩定可(ke)靠.
　　金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(ji)具有耐(nài)高溫耐(nai)高壓、耐(nài)腐蝕等(deng)特🔞點,在(zai)中🌐低流(liú)速、流量(liang)的工業(ye)計量中(zhong)得到了(le)廣泛應(ying)用.目前(qian)采用電(dian)遠傳方(fang)💃式的流(liú)量計多(duo)以霍爾(ěr)元♋件或(huo)電容式(shi)角位移(yi)作爲傳(chuán)感器,不(bu)但結構(gou)複雜、精(jīng)度較低(dī)，而🍓且不(bu)具備以(yǐ)太網接(jie)口功能(néng).本✔️文中(zhōng)作者🧑🏽‍🤝‍🧑🏻應(ying)用各向(xiang)異性磁(cí)阻的傳(chuan)感原理(lǐ)設計了(le)一種能(néng)與以太(tai)網通信(xin)🤟的智能(néng)金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計.該(gai)流量計(jì)具有精(jīng)度🐕高、功(gōng)耗🈲低、設(shè)計簡單(dān)等特點(dian),可廣泛(fan)應用于(yu)工業計(ji)量,特别(bie)是适應(ying)了工業(yè)以太網(wǎng)🏃‍♂️的發展(zhǎn)需求.
1總(zǒng)體設計(ji)
　　金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計由(yóu)錐形管(guan)、内置磁(ci)鋼的浮(fu)子以✊及(ji)⭐外置嵌(qiàn)有磁鋼(gang)的機械(xiè)連杆等(děng)構件組(zu)成.當流(liú)量🚩變化(huà)時，浮子(zǐ)在錐形(xíng)管内💃🏻上(shang)下移動(dòng),并由磁(cí)鋼耦合(hé)帶動機(ji)械連杆(gan)旋轉-定(ding)角度.此(cǐ)角度與(yu)流量的(de)大小存(cun)在着一(yī)對應的(de)關系,隻(zhī)要測出(chu)角度便(biàn)可通過(guo)對☂️應關(guān)系求出(chū)流量,因(yīn)此對㊙️角(jiao)度的正(zheng)确測量(liang)是流量(liàng)計設計(jì)的關🔱鍵(jiàn).具體設(shè)計時采(cǎi)用Honeywell公司(si)生産的(de)磁阻傳(chuan)感器HMC1501實(shí)現對機(ji)械連杆(gan)🐇角位移(yí)的正确(què)測量,選(xuan)擇MSP430F449單片(pian)機作爲(wei)MCU,采用CirrusLogic公(gong)司生産(chǎn)的以太(tài)網控制(zhi)芯片CS8900A實(shi)👄現網絡(luò)互聯.系(xì)統的總(zǒng)體設計(ji)框圖如(ru)圖1所示(shi).
 
2HMC1501磁阻傳(chuan)感器的(de)應用
2.1磁(ci)阻傳感(gǎn)器的測(cè)量原理(li)和工作(zuo)特性
　　鐵(tie)磁性材(cai)料通常(cháng)爲各向(xiàng)異性材(cai)料,當采(cǎi)用特殊(shu)工🏃🏻藝将(jiang)其制成(chéng)薄膜狀(zhuang)的電阻(zǔ)元件後(hòu),便可用(yong)于感測(ce)周圍磁(cí)場的變(bian)化.HMC1501傳感(gǎn)器是一(yī)種工作(zuò)在磁飽(bǎo)和狀态(tài)下的變(biàn)換器件(jiàn),在此狀(zhuang)态下✔️電(diàn)阻對磁(cí)場的大(dà)小不敏(mǐn)感,僅與(yǔ)磁場的(de)方向有(yǒu)關，利用(yòng)此原理(li)就可以(yi)♍感測周(zhōu)圍磁場(chǎng)相對于(yú)傳感器(qi)的角度(dù)變化4.圖(tu)2顯示♌了(le)HMC1501的磁場(chang)角度和(he)輸出電(diàn)壓之間(jian)的對應(ying)關系，當(dāng)磁💜場角(jiao)度爲-45°~+45°時(shí)輸出電(diàn)壓遞減(jiǎn)且單調(diao)✂️性好，因(yin)此将HMC1501的(de)有效角(jiǎo)度範圍(wéi)定義爲(wèi)±45°,在此範(fan)圍内分(fèn)辨率小(xiao)于0.07°.典型(xing)橋路的(de)電阻和(hé)輸出電(diàn)壓分别(bié)爲33kQ和-60~60mV,橋(qiao)路供電(dian)電壓較(jiao)寬(1~24V),當以(yi)5V供電時(shí)功耗僅(jin)爲0.76mW,由此(cǐ)可見功(gōng)耗低是(shi)該傳感(gǎn)器的優(you)勢之一(yi).該傳感(gǎn)器存在(zai)零點偏(piān)置電壓(yā),需進行(hang)補償.一(yī)般補償(cháng)的方法(fǎ)☂️可分爲(wei)硬件補(bu)償🌈和軟(ruǎn)件補⭐償(chang),但硬件(jiàn)補償需(xu)設計複(fu)雜🌈的💁電(diàn)路,成本(běn)較高,而(er)軟件補(bǔ)償随⭐着(zhe)MCU處理能(néng)力的💔提(ti)高得到(dao)了廣泛(fan)應用,本(běn)設計中(zhong)采用軟(ruǎn)件補☀️償(chang).
 
2.2傳感器(qì)檢測電(dian)路設計(jì)
　　爲簡化(hua)傳感器(qi)檢測電(diàn)路設計(ji)，采用了(le)依靠單(dān)電源供(gong)💋電的放(fàng)📱大🌏器TLC27L2,這(zhè)就要求(qiu)OUT+點的電(dian)位大于(yu)OUT-點的電(dian)位,否則(zé)放大器(qì)的輸出(chū)♋就會失(shī)真.但HMC1501的(de)典型輸(shu)出信号(hào)在.60~60mV之間(jian),因此必(bì)須在含(han)❌OUT+的支路(lù)的節點(diǎn)2和模拟(nǐ)地之間(jiān)串接一(yī)阻值大(da)于243Ω的電(diàn)阻，爲保(bao)證一定(dìng)的冗餘(yú)度,該電(dian)阻取300Ω,圖(tu)3爲簡化(huà)後的傳(chuan)感器檢(jian)測電路(lu).
 
2.3LMBP算法及(jí)應用
　　智(zhi)能金屬(shǔ)管浮子(zi)流量計(jì)采用2個(ge)HMC1501傳感器(qi)和1個溫(wen)度傳感(gan)器,其中(zhong)2個HMC1501一個(ge)用于感(gan)測連杆(gan)磁鋼的(de)方向變(bian)🔴化,另一(yi)個用于(yu)補償浮(fu)子磁鋼(gang)上下移(yí)動所形(xing)成的🔞複(fú)合磁場(chǎng)的影響(xiǎng),溫度傳(chuán)感器感(gan)測HMC1501周圍(wéi)的溫度(du)并予以(yǐ)溫度補(bǔ)償.溫度(dù)傳感器(qi)的數學(xué)模型很(hěn)難用解(jiě)析式描(miao)述,傳統(tong)的做法(fǎ)是🤟在不(bu)同溫度(dù)下進行(hang)标定，這(zhè)種做法(fa)不但計(jì)算量大(dà)、占用存(cun)儲空間(jian)多,而🈲且(qie)計🚩算精(jing)度不高(gao).鑒于人(rén)工神經(jīng)網絡能(neng)❌夠完成(chéng)任意的(de)非🏃線性(xing)映射,其(qi)中BP算📞法(fǎ)(BackPropagation)具有以(yǐ)任意精(jing)度逼近(jin)任何👣非(fei)線性函(hán)👄數的能(néng)力，而🏃🏻‍♂️且(qiě)無需事(shi)先确定(ding)函數😍形(xing)式，因此(cǐ)利用BP神(shen)經網絡(luo)處理傳(chuan)感器靜(jing)态特性(xing)的非線(xiàn)🔴性是一(yi)種較✨好(hǎo)的方法(fa)網.但🐅實(shi)際應用(yong)時BP算法(fǎ)存在收(shou)斂速度(dù)慢和目(mu)标函數(shu)存在局(ju)部極小(xiǎo)等不足(zú)之處.爲(wèi)此采用(yòng)基于誤(wu)差平方(fang)和最小(xiǎo)化的權(quán)值調整(zhěng)算法即(ji)Levenberg-Marquart算法作(zuo)🌐爲對BP算(suan)法的改(gǎi)進，稱🐅之(zhi)爲LMBP算法(fǎ).BP算法🍉以(yǐ)均方誤(wu)差作爲(wèi)性能函(han)數,其🔞表(biao)達式爲(wèi)
 
　　式中，w爲(wèi)網絡的(de)權值向(xiang)量,t爲期(qī)望輸出(chū)向量(标(biāo)定值),y爲(wei)實際🈲輸(shu)❄️出向量(liang),e爲誤差(chà)向量.LM算(suàn)法結合(hé)了梯度(dù)法✍️和高(gāo)斯-牛頓(dùn)法🐕的優(you)點，具有(yǒu)全局性(xìng)和收斂(liǎn)速度快(kuài)的優勢(shì),并可通(tong)過對BP算(suàn)法的修(xiu)正，避免(miǎn)高斯-牛(niu)頓法中(zhōng)求解Hessian矩(jǔ)陣的問(wen)題,減少(shǎo)了網絡(luò)訓練中(zhong)的計算(suàn)量和内(nèi)存需求(qiú)量.權值(zhi)的調整(zheng)公式爲(wèi)
 
　　式中，μ爲(wei)正常數(shù),I爲單位(wèi)矩陣,e。爲(wei)網絡的(de)誤差向(xiang)量,J爲☎️以(yi)網絡誤(wù)差對權(quán)值的一(yi)階導數(shu)爲元素(su)的Jacobian矩陣(zhen).△w每次叠(die)代時🏃‍♀️都(dōu)對μ進行(hang)自适應(ying)調整,當(dāng)網絡誤(wù)差減小(xiao)時減小(xiǎo)👌μ的值,反(fan)之增加(jia)μ的值.-般(bān)情況下(xia)Jacobian矩陣的(de)計算量(liang)較大，因(yin)此該算(suàn)法比較(jiào)适合網(wǎng)絡規模(mo)🏃不大、網(wang)絡參數(shù)較少的(de)應用場(chǎng)合，本設(she)計中使(shǐ)用的是(shi)典型的(de)🌏3層網絡(luo)結構,如(rú)圖4所示(shi).從圖中(zhōng)可以看(kan)出該網(wang)絡輸入(rù)層、輸出(chu)層、隐層(ceng)的節點(diǎn)🏒分别爲(wèi)3個、1個、4個(gè),網絡規(gui)模較小(xiǎo)，因此使(shǐ)用LM算法(fa)✊可以取(qǔ)得較好(hǎo)的💰效♋果(guo).
 
3以太網(wang)結構的(de)實現
3.1TCP/IP協(xie)議的裁(cai)減
　　以太(tai)網中的(de)TCP/IP協議數(shù)以百計(ji)，而嵌入(ru)式系統(tong)的資源(yuán)有限,沒(mei)有必要(yao)實現全(quan)部TCP/IP協議(yì).裁減TCP/IP協(xié)議以适(shì)應工業(yè)以太網(wang)應用的(de)要求是(shì)當前的(de)一個研(yán)究熱點(diǎn),但目前(qian)尚無統(tong)一的裁(cái)減标準(zhun)4.在本應(ying)用中由(you)于網絡(luo)的連接(jie)數和數(shu)據的傳(chuán)輸量較(jiao)少，因此(ci)以夠用(yòng)即可”爲(wei)原則，對(dui)TCP/IP協議進(jin)行合理(li)裁減.裁(cai)減後的(de)協議包(bāo)括鏈路(lu)層中的(de)CSMA/CD.ARP協議，網(wang)絡層中(zhōng)的IP協議(yì),ICMP中的Ping協(xie)議，傳輸(shu)層中的(de)TCP、UDP協議以(yǐ)及應用(yong)層中的(de)HTTP協議.
　　數(shù)據鏈路(lu)層的主(zhu)要作用(yong)是爲其(qí)上層協(xie)議發送(song)和接收(shōu)數據幀(zhen),采用IEEE802.3規(gui)定的CSMA/CD協(xie)議,可使(shi)同一局(ju)域網上(shang)的多台(tái)計算機(jī)共享同(tóng)一物理(li)傳輸介(jiè)質，隻要(yao)采用通(tōng)用的網(wǎng)絡接口(kǒu)控制芯(xin)片CS8900A就可(kě)實現該(gai)協議.以(yi)太網.上(shàng)數據的(de)傳輸是(shi)通過網(wang)絡的MAC地(dì)址進行(hang)識别的(de)，這就要(yào)求系統(tǒng)具有從(cong)IP地址轉(zhuǎn)換到MAC地(di)址的功(gong)能,即ARP(地(di)址解析(xi))協議.網(wǎng)絡層中(zhōng)的IP協議(yì)是TCP/IP協議(yi)族的核(hé)心協議(yi),它使異(yi)構網絡(luo)之間的(de)通信成(cheng)爲可能(néng).ICMP實現與(yu)其他主(zhǔ)機或路(lù)由器交(jiāo)換錯誤(wù)報文和(hé)其他重(zhòng)要信息(xī)，由于本(běn)設計隻(zhī)需測試(shi)網絡聯(lian)通情況(kuàng)，因此隻(zhi)保留了(le)其中的(de)Ping協議.傳(chuan)輸層中(zhong)的TCP協議(yi)和UDP協議(yì)爲2台主(zhǔ)機上的(de)應用程(chéng)序提供(gòng)端到端(duan)的通信(xin).應用層(céng)中的HTTP協(xié)議實現(xian)以浏覽(lǎn)器訪問(wen)的方式(shi).在以，上(shang)諸多協(xié)議中以(yi)實現TCP協(xie)議最爲(wei)困難,受(shòu)運算資(zi)源限制(zhi)，隻能實(shi)現簡化(hua)的有限(xiàn)狀态機(jī)和滑動(dòng)窗口确(que)認機制(zhì)以及單(dan)TCP連接.另(lìng)外,爲過(guò)濾來訪(fang)信息，确(què)保數據(ju)安全還(hái)實現了(le)簡易網(wang)絡防火(huǒ)牆功能(néng),隻允許(xǔ)某些事(shi)先設置(zhi)好的IP地(di)址對流(liú)量計進(jìn)行訪問(wen)，有效減(jian)輕了流(liu)量計的(de)工作負(fù)荷.
3.2以太(tài)網控制(zhì)芯片CS8900A的(de)應用
　　CS8900A是(shi)一款性(xing)能好、低(dī)功耗的(de)以太網(wang)控制芯(xīn)片,内部(bù)含🈲有802.3介(jiè)質訪問(wèn)控制塊(kuài)(MAC),支持全(quan)雙工操(cao)作,具有(you)自動處(chù)理沖突(tū)檢測、報(bào)頭生成(cheng)、CRC校驗碼(mǎ)生成及(ji)其驗證(zheng)等功能(néng);同時通(tōng)過對發(fā)送控制(zhì)寄存💋器(qì)(TCMD)的配置(zhì),MAC可以完(wán)成幀的(de)自動重(zhòng)傳51.設計(jì)時選擇(zé)3V供電的(de)CS8900A-CQ3,同時爲(wei)了便于(yú)👉和MSP430F449之間(jian)的電平(ping)匹配,在(zai)MSP430F449與CS8900A之間(jian)采用圖(tú)5所示的(de)硬件接(jiē)口0.通過(guo)将管腳(jiǎo)/MEMW和/MEMR置高(gāo),使CS8900A工作(zuò)在簡單(dān)的1/0模式(shi),該模式(shi)占用端(duān)口資源(yuan)較少.MSP430F449通(tong)過對/SBHE、/IOW和(he)/IOR等控制(zhì)信号線(xiàn)🔞實現對(dui)CS8900A工作方(fang)式的👈控(kong)制和讀(dú)寫操作(zuò).
 
　　在設計(ji)中考慮(lǜ)到CS8900A芯片(piàn)采用的(de)是16位數(shù)據傳輸(shu)模式，因(yin)此在訪(fǎng)問之前(qian)必須爲(wei)總線的(de)高位使(shi)能管腳(jiao)(1SBHE)提供--個(ge)由高到(dao)低，再由(yóu)低到高(gao)變化的(de)電平信(xìn)号.CS8900A通過(guo)網絡隔(ge)離變壓(ya)♻️器TRC2023以12.5的(de)🔴電壓比(bǐ)将數據(ju)發送到(dao)網絡,以(yi)11的電壓(ya)🚶比從網(wǎng)絡㊙️接收(shou)數據.CS8900A芯(xin)片的初(chū)始化操(cao)作🔅主要(yao)包括:軟(ruan)件複位(wei)并檢查(chá)标志位(wei)、設定16位(wei)工作模(mó)❗式、設定(ding)臨時以(yi)太網物(wu)理地址(zhǐ)、設定接(jie)收幀類(lei)型、确定(ding)數據傳(chuan)送方向(xiang)、中斷使(shi)能以及(ji)數據收(shou)發使能(néng)等.
4結束(shu)語
　　利用(yong)磁阻傳(chuán)感器HMC1501實(shi)現了流(liú)量計機(ji)械連杆(gan)在士45°範(fan)圍内角(jiao)度的😘正(zheng)确測量(liàng),并将流(liu)量計接(jiē)入以太(tai)網，實現(xian)了流量(liàng)測量的(de)智能化(hua)和網絡(luò)化,實際(jì)運行表(biao)明🈲該系(xì)統工作(zuò)穩定、可(ke)靠.

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