摘要:介紹(shào)一種基于以(yǐ)太網的新型(xing)智能金屬管(guǎn)浮子流量計(jì) 的設計方案(an)。應用磁阻傳(chuán)感器測量金(jin)屬浮子角位(wei)移,結合📱精度(dù)高A/D轉換器和(he)低功耗MCU實現(xian)數字化采集(jí)和智能控制(zhì)。系統提🤩供了(le)電流變送器(qi)XTR115輸出的電流(liu)環接口和基(ji)于TCP/P工業簡化(hua)協議的以太(tài)網數據通信(xìn)❌接口。結合相(xiang)應的固件系(xì)統,成功實現(xian)了精度高、低(dī)功耗的數字(zì)化流量計。
　　金(jin)屬管浮子流(liu)量計具有其(qí)耐高溫、耐高(gāo)壓、耐腐蝕等(deng)特點而廣泛(fàn)應用于中小(xiǎo)流速流量的(de)工業計量。當(dāng)前😄一般✍️利用(yòng)💃霍爾元件感(gǎn)測浮子位置(zhì)變化或利用(yòng)電容🛀式角位(wèi)移傳感🐆器測(ce)量機械連杆(gǎn)的旋轉角度(du)等原理進行(hang)設計“。電路設(she)計複雜、功耗(hao)較大、精度不(bú)高。一種使用(yòng)各向異性磁(ci)阻(AMR)傳感原理(lǐ),應用低功🐪耗(hào)單片機,并🆚擁(yōng)有工業以太(tai)網通信接口(kou)的新型智能(néng)金屬管浮子(zi)流🥵量計的設(she)計方案。該流(liú)量計具有精(jing)度高、功耗低(di)、易于構造測(cè)控網絡等特(tè)💯點,能廣泛應(ying)用于工業計(ji)量,适合日益(yi)興起的工業(ye)以太網的發(fa)展需求。
1總體(ti)設計
　　金屬管(guǎn)浮子流量計(jì)由錐形管、内(nei)置磁鋼的浮(fu)子以及外置(zhì)的嵌有磁鋼(gāng)的機械連杆(gǎn)組成。當流量(liang)變化時,浮子(zi)将在錐形管(guǎn)内.上下移動(dong),并由磁鋼耦(ǒu)合帶動機械(xiè)📱連杆旋轉一(yi)定☂️角度θ。流量(liàng)Q和浮💃🏻子移動(dong)的距🈲離h以及(ji)連杆角度θ存(cún)在着相應的(de)函數關系,即(jí):
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對θ值的(de)測量精度直(zhi)接關系到流(liú)量的測量精(jīng)度,本設計選(xuǎn)用磁阻傳感(gan)器HMC1501測量θ值,可(ke)保證模拟量(liang)測量部分㊙️的(de)高精度要求(qiu)。前端模數轉(zhuan)換數據處理(lǐ)和控制🈲部分(fèn),選用内部集(ji)成高精度A/D轉(zhuan)換器和16位硬(ying)件乘法器的(de)低功耗單片(piàn)機MSP430F449。接口設計(jì)分爲兩部分(fen):(1)由電流變送(sòng)器XTR115提供标準(zhǔn)📐的4~20mA電流環信(xin)号;(2)應用CiruLogic公司(sī)的10BASE-T以太網控(kong)制器CS8900A實現工(gong)業以太網接(jie)口。總體💛設計(jì)框圖如圖1所(suo)示。
 
2模拟量測(cè)量及磁阻傳(chuán)感器的應用(yong)
2.1磁阻傳感器(qì)測量原理和(hé)特性
　　含鐵材(cai)料的各向異(yì)性原理可感(gan)測周圍磁場(chǎng)的變🙇🏻化,運用(yong)特殊工藝可(kě)制成薄膜狀(zhuàng)磁阻元件。HMC150就(jiù)是以💞此原理(li)爲基礎,将四(si)個磁阻元件(jian)構成一個金(jīn)剛石狀的惠(huì)斯登電橋(如(ru)圖2所示)。在外(wai)加磁場的作(zuò)用下,使得通(tong)過磁阻的電(diàn)流發生變化(hua)，從而在輸出(chū)端形✉️成差分(fèn)電壓△V。
 
　　HMC1501傳感器(qi)是一種工作(zuò)在磁飽和狀(zhuàng)态的變換器(qì)件,此時傳感(gan)器對磁場大(dà)小不再敏感(gan),其輸出值僅(jǐn)和磁場方🧑🏾‍🤝‍🧑🏼向(xiang)有💃🏻關,利用此(ci)原理⛹🏻‍♀️就可以(yi)感測周圍磁(cí)場相😍對于傳(chuan)感器的角度(dù)變化。HMC1501角度測(cè)量範圍爲±45˳，分(fèn)辨度小于0.07°,傳(chuan)感器和磁鐵(tie)之間的有效(xiào)線性距離爲(wèi)8mm。典型👨‍❤️‍👨電壓應(ying)用時(橋路激(ji)勵電壓3.3V),橋路(lù)電阻和輸出(chū)電壓分别爲(wèi)4.51Ω和-55mV~+55mV,其輸入輸(shu)出特性爲:
 
式(shi)中各變量分(fen)别爲
V˳橋路輸(shu)出電壓;Kt與溫(wen)度相關的增(zeng)益;
Vs橋路激勵(lì)電壓;S材料常(cháng)數;
θ磁場參考(kǎo)角度;C˳制造公(gōng)差引起的偏(pian)置電壓;
kt偏置(zhì)電壓的溫敏(min)系數(-0.01%/℃)。
　　以上說(shuō)明當溫度變(biàn)化較小時,橋(qiao)路輸出電壓(ya)與θ角成正弦(xián)函數關系。而(ér)當溫度變化(huà)較大時,測量(liàng)精度會受到(dao)影響,其中橋(qiao)路電阻溫度(du)系數爲0.28%/℃,靈敏(mǐn)度溫度系數(shù)爲-3.2%/℃。所以在該(gai)設計中引❤️入(rù)了溫度補償(cháng)手段。
 
　　圖3表示(shi)θ角和輸出電(diàn)壓之間的函(hán)數關系。另一(yī)方面該傳感(gan)器的功耗很(hen)低,由式P=Vs2/R(R爲橋(qiáo)路電阻)可知(zhī),當3.3V供橋時功(gong)耗僅爲2.42mw,滿足(zú)🐇低功♌耗設計(jì)的要求。
2.2檢測(cè)電路設計和(he)數字濾波
　　HMC1501輸(shū)出的橋路信(xin)号較小,接入(ru)A/D之前,需要進(jin)行信号的放(fang)💃🏻大💘和調理。設(she)計選用典型(xíng)差分式放大(dà)電路,如圖4所(suǒ)示。
 
　　放大器的(de)選擇需要滿(mǎn)足兩點:第--,能(néng)夠單電源工(gōng)作,可簡化系(xi)統電源設計(jì);第二,較低的(de)溫度漂移。設(shè)計㊙️中使用了(le)TI的低溫漂高(gāo)運放ILC27L2。由于采(cǎi)用了單電源(yuán)供電,所以要(yào)求A點電位始(shǐ)☁️終大于B點,否(fǒu)則放大器的(de)輸出就會失(shī)🔅真,爲了擡升(shēng)A點的電❤️位,可(kě)以在含Out+的支(zhī)路中,對模拟(ni)地之間串接(jie)一🐕個電阻,适(shi)當的放大倍(bèi)數下電阻阻(zu)值取🚶300Ω。硬件采(cǎi)用RC濾波,在運(yùn)放正負輸入(rù)腳之間，以及(ji)負反，饋回路(lù)_上加入濾波(bō)電容,通過計(ji)算和🏃🏻試驗選(xuan)擇了容值,提(ti)高系統的EMC性(xìng)能。
　　放大後的(de)信号,經過一(yi)-級電壓跟随(sui)器,送入MSP430F449單片(pian)機内部12位SAR型(xíng)☀️ADC進行模數轉(zhuan)換。高速采樣(yang)和16個AD值寄存(cun)器,爲數字濾(lǜ)波提供了方(fang)便。運用積分(fen)算法取得了(le)很好的效🔞果(guo)。算法中設置(zhì)--定長度📱的時(shí)間窗口,采樣(yàng)值按時間順(shun)序先入先出(chu)(FIFO),然後取平均(jun)值計算。系統(tǒng)可🔴以通過軟(ruǎn)件設置窗口(kou)長🌏度,以在濾(lǜ)波效果和測(ce)控⛹🏻‍♀️時延之間(jiān)取得平衡。
3系(xì)統接口設計(jì)
3.1電流環信号(hao)(4~20mA)輸出
　　經過模(mó)數轉換和數(shu)值處理後的(de)流量數據或(huò)控制數據,由(yóu)系統接口提(ti)供給外部設(she)備。工控環境(jing)下,經常使用(yòng)4~20mA電流環輸出(chu),設計中采用(yong)的XTR115是TI公司的(de)二線制電流(liú)變送器。轉換(huàn)精度高達±0.05%非(fēi)線性誤差±0.003%。
 
　　圖(tú)5是實現流量(liàng)數據到電流(liú)環的DA轉換過(guò)程。MSP430單片機輸(shū)💋出PWM(脈寬調制(zhi))信号,由RC積分(fen)電路将脈沖(chong)信号轉換成(cheng)連續的♈電壓(ya)信号。--級放大(da)後送入XTR115電流(liu)變送器,弱✌️電(dian)壓或電流信(xìn)❗号經電流變(biàn)送♊器XTR115放大,獲(huo)得4~20mA的标準電(dian)流環輸💚出。流(liú)量或控制量(liang)值🐆與電流的(de)對應關系,由(you)軟件标定程(cheng)序實現。
3.2工業(yè)以太網通信(xìn)
(1)工業以太網(wǎng)應用前景
　　以(yi)太網使用星(xīng)型拓撲結構(gou)交換技術的(de)全雙工通‼️信(xin)方式,基本消(xiāo)除了由介質(zhì)訪問控制方(fang)式(沖突檢測(ce)載波多點訪(fǎng)💋問CSMA/CD)導緻的通(tōng)信不.确定性(xing),滿足工業控(kong)制領域對實(shi)💘時性的基本(ben)要🏒求。同時以(yi)太網豐富的(de)資源和低廉(lian)的成本必将(jiāng)促進其在工(gong)控領域的⛹🏻‍♀️進(jìn)一-步普及,面(miàn)向工業應🍓用(yong)的TCP/IP協議也将(jiang)成爲現場🔴總(zong)線的基礎✊協(xié)議。
(2)面向應用(yòng)裁減TCP/IP協議
　　TCP/IP協(xié)議族非常豐(fēng)富,但由于嵌(qian)入式系統的(de)資源有限,在(zài)保🌂證實☎️時、低(di)誤碼率前提(tí)下對TCP/P協議進(jìn)行裁減以适(shi)應工業以太(tai)網應用成爲(wei)-一個研究熱(rè)點,目前尚無(wu)統--标準公布(bu)[4]。本設計中以(yǐ)實際應用爲(wei)背景、采用夠(gou)用即可💋”原則(zé),對協議簇進(jin)行.了裁減,各(gè)🔞層分别實現(xiàn)的協議見表(biao)1。
 
　　表1中鏈路層(céng)爲其上層協(xié)議發送和接(jie)收數據幀,實(shí)現了IEEE802.3所規定(ding)的CSMA/CD協議,構成(chéng)以太網基本(ben)物理傳輸介(jiè)質訪問方式(shi),實現該協議(yì)采用通用的(de)網絡接口控(kong)制芯片CS8900A。爲實(shi)現網絡MAC地址(zhi)到P地址的轉(zhuǎn)換功能,加入(ru)了ARP地址解析(xī)協議。IP協議則(zé)是TCP/P協議族的(de)核心協議,使(shǐ)異構網絡之(zhi)間的通信成(chéng)爲可能。而CMP協(xie)議隻是IP協議(yi)的附屬協議(yì),設計中隻需(xū)測試網絡聯(lián)通情況,故隻(zhī)保留了PNG協議(yi)。TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shu)據報協議)是(shi)兩種傳輸層(céng)協議,二者建(jiàn)立于IP協議之(zhi)，上,爲兩台主(zhu)機.上的應用(yòng)程序提供端(duān)到端的通信(xin)。應用層上實(shi)現了基于.HTIP協(xié)議的WEB浏覽服(fu)務。
TCP協議的實(shi)現最爲困難(nan)。受資源限制(zhi)，隻實現了簡(jiǎn)化的有限🥰狀(zhuang)态機和滑動(dòng)窗口機制以(yi)及單TCP連接。
(3)以(yi)太網控制器(qì)CS8900A
　　CS8900A内部含有802.3介(jie)質訪問控制(zhi)塊(MAC),支持全雙(shuang)工操作,自動(dòng)處♊理沖突🛀🏻檢(jian)💔測、報頭生成(chéng)、CRC校驗碼生成(chéng)和驗證功能(neng)🏃🏻。通過對發📱送(sòng)控制寄存器(qì)(TQMD)配置,MAC可以完(wán)成幀的自動(dong)重傳功能[5]’。
　　圖(tú)6所示的MSP430F449與CS8900A的(de)連接采用簡(jian)單的IO模式。該(gai)模式占用内(nei)存資✔️源少,相(xiàng)應管腳MBMW和MEMR需(xu)被置高。單片(piàn)機通過/SBHE、/DW和/DR等(deng)控制信💃号線(xiàn)實現對CS8900A的工(gōng)作方式控制(zhì)和讀寫操作(zuo)'6]。芯片使用中(zhong)💯比較重要的(de)是初始化操(cao)作,包括:軟件(jian)複位并檢查(cha)标志位、設定(dìng)工作模式、設(she)📐定臨時以太(tai)網物理地址(zhǐ)、設定接收☂️幀(zhēn)類型、确定數(shù)據傳送方向(xiàng)、中斷使能🐪以(yi)及數據收發(fa)使能等。
 
(4)以太(tài)網通信測試(shì)
 
　　網絡測試環(huan)境如表2,網絡(luo)架構如圖7。各(gè)設備上電初(chu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼始化後,都✍️設(shè)定了MAC地址和(he)IP地址,所有IP地(dì)址均爲C類地(di)址。這樣即可(kě)以🧑🏾‍🤝‍🧑🏼接收以太(tài)網單播或廣(guang)播包。首先,在(zai)主機.上🥰PC機測(ce)試終端流量(liàng)計的ARP工作機(ji)制和實現情(qing)況。結果如圖(tú)8所示。
 
　　用ARP命令(lìng)測試主機ARP高(gao)速緩存中的(de)IP和MAC地址,此時(shi)隻有本地IP:210.29.104.1對(duì)應的MAC地址00-30-85-88-8b-02;然(ran)後,用ping.程序測(ce)試網絡上的(de)任何一台流(liu)量計終端,圖(tu)中顯示對象(xiang)IP:210.29.104.41的測試結果(guǒ),報文數據的(de)往返時間是(shì)lmS;最🚩後，再次測(ce)試主機的ARP高(gao)速緩♉存,結果(guǒ)顯示已添加(jiā)了對象終端(duan)的IP和MAC地址。測(ce)試主機和終(zhong)端流量計之(zhi)間UDP數💔據的傳(chuán)輸效果。UDP協議(yi)提供簡單的(de)面向數據報(bao)的傳輸層協(xié)議。一個簡單(dan)的UDP應用程序(xu)如圖9所示。主(zhǔ)機對🔴終端流(liu)量計發送UDP數(shù)據命📞令,當流(liú)量計收到"DataCollection!”命(ming)令就回送采(cai)集到的兩路(lù)ADC的電壓信号(hao)值。測試結果(guǒ)表🤞明接收和(he)發送數據包(bao)正确率高,丢(diu)包極少，實現(xiàn)了UDP數據處理(li)功能。
 
　　通過TCP簡(jian)化協議實現(xiàn)了基于HTTP協議(yi)的終端流量(liang)計WEB服務,簡化(huà)的HTML網頁數據(jù)保存在MCU的片(pian)内FLASH存儲器中(zhōng)。HTTP服務器可以(yǐ)動态實時更(geng)新數據。在浏(liú)覽器的URL地址(zhi)中鍵入:htp://210.29.104.41,就可(kě)以浏覽如圖(tu)10所示的頁面(mian),網頁動态顯(xiǎn)示出采集到(dào)的流量值。
 
4結(jié)論
(1)通過以_上(shàng)方案成功實(shí)現了低功耗(hao)、較低成本智(zhì)能🆚金屬管🈲浮(fú)子流量計的(de)硬件和固件(jian)程序設計;
(2)簡(jian)化TCP/IP協議的以(yi)太網通信,易(yì)于構造實時(shí)、可靠的網絡(luo)測控系統,并(bing)在實際應用(yong)中得到驗證(zhèng),同時也爲主(zhu)機(PC)軟件開發(fa)提供了廣闊(kuò)的空間。

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