摘(zhāi)要：針對用戶(hu)對高端電磁(cí)流量計 的需(xu)求,提出了基(jī)于ARM9微處理器(qi)的電磁流量(liàng)計硬件設🔱計(jì)方案。ARM9微🈲處理(lǐ)器可以實現(xiàn)多種勵磁方(fang)式、數據💃的USB存(cún)儲、以太網♊絡(luò)通信、TFT彩屏顯(xiǎn)示等一系列(lie)的功能🌈。對電(dian)磁流量計的(de)測量裝置,基(ji)于ARM9核心❤️闆的(de)模塊化電路(lu)設計作了詳(xiang)細的介紹。
0引(yǐn)言
　　随着流量(liang)檢測儀器的(de)技術發展,對(dui)流量的測量(liàng)儀💃器提出了(le)更高的應用(yong)需求。傳統的(de)流量檢測儀(yi)器🌈一般依據(ju)各自的測量(liang)機理,通過簡(jiǎn)單的信息分(fen)析處理來完(wan)成測👌量工作(zuò)。因此,在處理(lǐ)能力、測量精(jing)度、誤差修正(zheng)、功能擴展等(deng)方面都存在(zai)着局☁️限性。新(xin)一代流量檢(jiǎn)測儀器将以(yi)更優良的性(xing)能取而代之(zhī)。
　　目前,高速、精(jing)度高、大容量(liàng)的嵌入式處(chu)理器在控制(zhi)👌和測量領域(yù)的應用越來(lai)越普遍,一旦(dàn)應用到電磁(ci)流量♍計[1]中,使(shǐ)得電磁流量(liàng)計的輸入信(xìn)号數字濾波(bō)、曆史數據保(bǎo)存♈、輸出多種(zhǒng)勵磁信号的(de)變化、測量信(xin)息的特殊處(chù)理、測量結果(guǒ)的動⁉️态圖形(xing)顯示、人性化(huà)的管理和控(kong)制等多方面(mian)應用,都将成(chéng)爲可能。尤其(qí)🤞是新一代網(wǎng)絡技術的發(fa)展會使得更(gèng)多基于TCP/IP網絡(luo)協議的儀器(qi)設備得到應(ying)用,針對電磁(cí)流量計的遠(yuan)程數據交換(huan)傳送,基于典(dian)型的以太網(wang)通訊接口也(yě)❗應運而生[10]。
1.電(dian)磁流量計基(jī)本原理
　　電磁(cí)流量計是依(yi)據法拉第電(dian)磁感應定律(lü)來測量管内(nèi)流體流量的(de)測量裝置[9],如(ru)圖1所示。當流(liú)體在管道内(nei)流動🏃經過一(yi)橫向磁場B的(de)時候,相當于(yu)有圖1..電磁流(liu)量計原理圖(tú)一定電導率(lü)的導體在切(qie)割磁線,形成(cheng)動生電動勢(shì),通過管道徑(jìng)向兩電極🤟可(ke)以引出該電(diàn)動勢E,其大小(xiao)與磁場B、流速(sù)V和管徑D成正(zhèng)比,即:E=B..V..D

流體的體積(ji)流量Q與流速(su)V和管道内截(jie)面成正比,隻(zhi)🐇要測量🙇🏻出兩(liang)電極之間的(de)電動勢E,即可(kě)确定流量Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
　　當(dāng)勵磁電流、管(guan)道尺寸和流(liu)體密度..确定(dìng)的情況下,流(liu)體的質量流(liu)量M僅取決于(yu)對兩電極間(jian)的感應電勢(shì)E的檢測。電磁(ci)流量計的數(shù)學模型爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其(qi)中:Coe爲儀表系(xì)數;E0爲儀表零(ling)點修正;x爲多(duo)段非線性修(xiu)正。
2.AT91RM9200及核心闆(pan)
　　AT91RM9200是Atmel公司推出(chū)的針對嵌入(rù)式應用的工(gong)業級32位ARM9嵌入(ru)式處理器,最(zui)高工作頻率(lü)達180MHz,其功能強(qiáng)大、性能穩定(dìng),非常适合高(gāo)端儀表的應(yīng)用,由它構建(jiàn)的核心闆形(xíng)成了具有豐(feng)富接口資源(yuan)的基本系統(tǒng),隻要擴展應(yīng)用模塊和🆚接(jie)口即可♈實現(xiàn)系統應用。介(jie)紹AT91RM9200的文獻很(hen)多,這裏僅給(gei)出其主要資(zī)源和特性:
内(nei)置的10/100M以太網(wǎng)MAC控制器
5個UART通(tōng)道
2個主USB口,1個(ge)從USB口,全速12Mbps
1個(gè)MCI接口,支持MCI卡(kǎ)或SD卡
3個同步(bu)串行控制器(qi)
6個16位定時器(qi),一個32位實時(shi)鍾
4個SPI接口
PWM輸(shu)出
I2C接口
支持(chí)SDRAM,SRAM。Flash等
JTAG邏輯測試(shì)部件,支持軟(ruan)/硬件開發
　　由(you)AT91RM9200構建的核心(xin)闆集成了32M的(de)SDRAM、2M的并行Flash、8M的串(chuan)行DateFlash、以太網電(dian)路💜和複👈位電(dian)路,構成了一(yī)個基本系統(tǒng),爲用戶的軟(ruan)件研發提供(gong)了充⭕足的空(kōng)間。處理器的(de)大多數管腳(jiǎo)和其它信号(hào)都通過兩個(gè)排針對外引(yin)出,爲用戶提(tí)供了非♈常豐(feng)富的擴展資(zi)源。
　　由于在核(he)心闆上移植(zhi)了嵌入式Linux操(cao)作系統,其豐(feng)富的軟♉件資(zī)源、開放性和(hé)軟件低成本(běn)使得系統應(yīng)用變得方便(bian)可行。
3.智能電(diàn)磁流量計硬(yìng)件設計
3.1電磁(ci)流量計總體(ti)結構
　　電磁流(liú)量計由測量(liàng)裝置和電路(lu)兩部分組成(chéng),電路部分主(zhǔ)🏃要由㊙️檢測輸(shū)入模塊、勵磁(ci)輸出模塊、流(liu)量輸出模塊(kuài)、圖形顯示模(mo)塊、鍵盤模塊(kuài)、通信及調試(shi)接口、電源模(mo)塊、以及最重(zhong)要的基于ARM9嵌(qian)入式系統[2]的(de)核心闆組成(cheng)。圖2給出了嵌(qiàn)入式電磁流(liú)量計的系統(tong)框圖🌏。圖2嵌入(rù)式電磁流量(liang)計系✉️統框圖(tu)。

　　系統經過初(chū)始化之後,核(hé)心闆向勵磁(ci)模塊輸出一(yi)數字量的勵(lì)磁信号,經過(guò)D/A轉換和電流(liu)放大,驅動傳(chuan)感器的勵磁(cí)線圈産生一(yī)定強度的磁(cí)場。傳感器的(de)流速感應電(dian)極㊙️送出微弱(ruò)的感應信号(hào)經過輸入模(mó)塊的放大濾(lǜ)波處理😍,經過(guò)A/D轉換成數字(zi)量輸入ARM9處理(lǐ)器,進一步進(jin)行數字分析(xī)處理。通過顯(xian)示模塊直接(jie)✍️顯示瞬時流(liu)量、累積流量(liang)和動态流量(liàng)圖形。另💋外由(yóu)流量輸出模(mo)塊輸出4~20mA的标(biāo)準儀用瞬🌍時(shí)流量信号。
3.2.輸(shu)入及A/D轉換電(diàn)路
　　檢測輸入(rù)模塊包括差(cha)分測量放大(dà)器、低通和高(gāo)通濾波器🌏、增(zeng)🚶‍♀️益放大器以(yǐ)及A/D轉換電路(lu),如圖3所示。圖(tu)3輸入及A/D轉換(huàn)框圖。

　　由于電(diàn)磁流量計的(de)電極輸出信(xìn)号非常微弱(ruo),一般隻有10-4V數(shù)量⛷️級,而且,工(gong)業環境非常(cháng)大。因此,爲了(le)保證測量精(jing)度,送入A/D轉換(huàn)的輸入信号(hào)應達到-2.5~+2.5V的範(fàn)圍,其模拟部(bu)分電壓💃增益(yi)應✉️該在60dB以上(shàng)。其中,前置放(fàng)大器👣采用差(cha)分輸入的儀(yí)用放大器AD620,高(gāo)通濾波和低(di)通濾🏃🏻波采用(yòng)二階有源濾(lü)波器形成帶(dài)通濾波器濾(lü)除工🌈頻及雜(zá)波,放大♈器采(cǎi)用運放CA3240A完成(cheng)。A/D轉換單元采(cǎi)🔴用MAX1297AEEG[4]實現12位并(bìng)行模數轉換(huàn),直接與核心(xin)闆的I/O線連接(jiē)如圖3所示,引(yǐn)腳說明和接(jiē)㊙️法如下:
D0~D1112位數(shù)據,接B口的PB4~PB15;
INT.中(zhōng)斷線,接核心(xin)闆的IRQ0/PB29;
CS片選線(xian),接核心闆B口(kǒu)的PB22;
RD讀控制線(xian),接核心闆B口(kǒu)的PB16;
WR寫控制線(xiàn),接核心闆B口(kou)的PB17;
模拟信号(hao)輸入CH0通道。
3.3.勵(li)磁輸出電路(lu)
　　智能電磁流(liu)量計 的勵磁(ci)電路的任務(wu)是向勵磁線(xiàn)圈提供一穩(wen)定的💃🏻驅🌈動電(dian)流。電流波形(xing)爲方波、三值(zhí)方波和梯形(xíng)波[11]等形式,波(bo)形變化的目(mù)的是結合信(xin)号處理電路(lu),分析在不同(tong)♉勵磁方式下(xia)電磁流量💯計(ji)的精❗度、零點(diǎn)穩定✊性和抗(kang)能力等多項(xiàng)指标。該電路(lù)由核心闆的(de)SPI2口輸出數字(zì)量,經過D/A轉換(huàn)形成模拟信(xin)号,經V/I轉換激(ji)勵和🙇‍♀️帶有電(dian)流負反饋的(de)電流放大☂️器(qì)輸出,适合各(ge)種勵✏️磁波形(xíng)的變化。結構(gòu)框圖💁如圖4。D/A轉(zhuan)換電路采用(yong)AD7243芯片[5],實現12位(wei)的SPI同步串行(hang)輸入,-5~+5V的雙極(ji)性輸出🐕。與ARM9核(he)心闆的SPI2口對(duì)接,如圖4所示(shi)。

其中引腳說(shuo)明和接法如(rú)下:
SDIN串行數據(ju)輸入,接核心(xin)闆的MOSI;
SCLK同步時(shi)鍾,接核心闆(pan)的SPCK;
SYNC串行選擇(zé),接核心闆的(de)NPCS2;
CLR轉換清除,接(jiē)核心闆I/O口的(de)PC14;
LDAC數據鎖入啓(qǐ)動,接I/O口的PC15。
　　激(ji)勵放大器采(cai)用CA3240A運放,其特(te)點是電源電(dian)壓高,能獲得(dé)較大的輸出(chū)動态範圍。電(dian)流放大利用(yòng)兩對複合管(guǎn)實現,要求管(guǎn)子盡✉️可能✌️配(pèi)對。接入勵磁(cí)線圈後,引入(ru)大環路的電(diàn)流負反饋,穩(wěn)定輸出勵磁(ci)電流。
3.4.流量輸(shu)出模塊
　　電磁(cí)流量計在實(shi)現測量、分析(xī)和處理的時(shí)候,除了現🔆場(chǎng)顯示㊙️瞬時流(liu)量和累積流(liu)量以外,通常(chang)還會輸出一(yi)個标準的4~20mA電(dian)流信号。因此(cǐ),該電路利用(yong)AD421轉換電路實(shí)現了流量輸(shū)出的功能。
　　AD421芯(xin)片[6]是一款低(di)電壓、SPI串行輸(shū)入、16位Σ-Δ轉換的(de)D/A轉換電路❤️,具(ju)備✏️4~20mA環路電流(liu)輸出,支持HART通(tong)信協議,非常(cháng)适合該電路(lù)應用。SPI串行輸(shū)入接⛹🏻‍♀️核心闆(pan)的SPI3口,如圖5所(suo)示。其中引腳(jiǎo)說明和接法(fǎ)如下:
?
DATA串(chuan)行數據輸入(rù),接核心闆的(de)MOSI;
CLOCK同步時鍾,接(jiē)核心闆的SPCK;
LATCH鎖(suo)入控制,接核(hé)心闆的NPCS3。
　　D/A轉換(huàn)的電壓基準(zhǔn)REFIN選用芯片提(ti)供的REFOUT2(2.5V)。電路中(zhōng)LV與VCC之間接0.01μF的(de)🙇‍♀️電容,決定了(le)由+24V的環路電(diàn)源LOOPPOWER産生3.3V電源(yuan),+24V的環路電源(yuán)LOOPPOWER經内部控制(zhì)電✨流由LOOPRTN返回(hui),形成4~20mA的電流(liu)環路。
3.5.圖形顯(xian)示模塊
　　由于(yú)AT91RM9200處理器未集(jí)成圖形顯示(shì),核心闆上也(yě)未提供,所以(yǐ),要實現圖形(xing)顯示,必須構(gòu)建圖形顯示(shi)模塊。電路采(cǎi)用LCD控💃🏻制器SID13506顯(xian)示⛱️芯片[7]實現(xian)彩色液晶點(dian)陣顯示和VGA标(biao)準接口。系統(tǒng)框圖如圖6所(suǒ)示。

　　SID13506是EPSON公司較(jiào)新的大規模(mó)顯示控制器(qi)[8],主要應用于(yú)嵌入式✊系統(tǒng),最高支持64K真(zhēn)彩色。系統配(pei)置了1M的16位内(nei)存、LCD接口和VGA接(jie)口。3個系統時(shi)鍾BUSCLK、CLKI和CLKI2受PA7和兩(liang)組可控震蕩(dang)器控制,核心(xin)闆通過PA7輸出(chū)50M時鍾經🌈過驅(qu)動🔆接BUSCLK,核心闆(pǎn)通💃🏻過TWI管理兩(liang)組可控震蕩(dàng)器PCLK1和PCLK2。ARM9核心闆(pǎn)與SID13506芯片引腳(jiǎo)相連的信号(hào)如🔞表1所列。

3.6.鍵(jian)盤、通信及調(diao)試部分電路(lù)
　　電磁流量計(ji)的鍵盤、通信(xin)和調試部分(fèn)電路屬于嵌(qiàn)入👣式🍉系統的(de)典型應用電(dian)路,系統利用(yong)ZLG7289A構建了8×2小型(xíng)鍵盤,由I/O模拟(nǐ)串行口建立(lì)系統連接,實(shi)現流量計的(de)系統設置和(hé)按✏️鍵數據輸(shū)入。
　　調試功能(néng)主要由串行(háng)調試口DCOM和JTAC标(biao)準調試口構(gòu)成。其中串行(hang)調試口DCOM是由(you)AT91RM9200處理器的DBGU單(dān)元通過SP3232E建立(li)的,JTAG标準㊙️調試(shi)口直接由核(he)心闆引出。
　　通(tong)信功能的建(jiàn)立主要是直(zhi)接由核心闆(pan)引出了10/100M的🏃🏻‍♂️TCP/IP網(wang)絡接口,将處(chu)理器的USART1單元(yuan)通過SP3243建立了(le)RS232标準串行通(tong)信口COM1,将處理(lǐ)器的USART2單元通(tōng)過SP3481建立了RS485标(biao)準串行通信(xìn)口。
　　另外,引出(chu)處理器的HDMA和(hé)HDPA線建立USBHOST接口(kou),可外接USB存儲(chǔ)器,作爲電磁(cí)❤️流量計曆史(shi)數據記錄設(shè)備。相應連接(jie)和功能框圖(tu)如圖7所示。

3.7.電(dian)源電路
　　由ARM9核(he)心闆構建的(de)電磁流量計(ji)的電源部分(fen)還是比較複(fu)雜🏃🏻的,一般由(yóu)開關電源模(mó)塊實現,其主(zhǔ)電源爲🌈+5V穩壓(yā)電源💜,經過👉2組(zǔ)穩壓器LT1085分别(bie)産生3.3V和1.8V供給(gei)核心闆使用(yòng),3.3V和+5V供給大部(bù)分數字電路(lu)使用,數字電(dian)源與模拟電(dian)源分開且不(bu)共地,副電源(yuán)📱主要有供給(gěi)D/A轉換及放大(da)用的±15V,供⭐給勵(lì)磁輸出🔆的±24V電(dian)源等。電磁流(liú)量計的功率(lü)消耗還🌏是比(bǐ)較大的。
4.應用(yong)系統軟件簡(jian)介
　　ARM9電磁流量(liang)計的軟件系(xì)統主要考慮(lü)的是核心闆(pan)及各個硬件(jian)模塊的初始(shǐ)化設置,系統(tong)在啓動之後(hou),通過調用底(dǐ)層的驅動程(cheng)序完成核心(xin)闆與各個硬(yìng)件模塊之間(jiān)的命令控制(zhi)和數據傳送(song),建立相應的(de)中斷服務子(zi)程序及中斷(duàn)向量表。采用(yong)模塊化結構(gou)建立系統程(cheng)序,電磁流量(liàng)計應用系統(tǒng)主要由定時(shi)器中斷進行(hang)管理,勵磁信(xin)号的輸出和(he)轉換保持、感(gan)應信号的多(duo)次數據采集(ji)、流量的顯示(shi)和對外輸出(chu)等均由定時(shi)器的中斷服(fu)務來完成。
5.結(jié)束語
　　該系統(tong)作爲高端電(dian)磁流量計的(de)應用研究,在(zài)硬件上采用(yòng)了模塊化設(shè)計方法,提高(gāo)了電磁流量(liang)計的應用和(hé)研⭕究水🍓平,降(jiàng)低了設計難(nan)度,已被列入(ru)重大科技攻(gong)關項目❤️..嵌入(ru)式系統智能(néng)儀表開發平(ping)台的😄研究及(ji)其在流量儀(yi)表設計中的(de)應用之中,目(mù)前正在作進(jin)一步的完善(shàn)和提高。

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