摘要(yao):根據磁阻(zǔ)傳感器的(de)角位移測(ce)量原理,提(tí)出智能金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量計 的(de)設計方案(àn).該方案采(cǎi)用低功耗(hào)MCU和精度高(gāo)ADC實現對流(liú)量👈的數字(zi)化采集和(hé)智能控制(zhi),應用LMBP算法(fǎ)實現精度(du)高♉的靜🔞态(tai)特征曲線(xiàn)拟合;通過(guo)裁減TCP1IP協議(yi),在以太網(wǎng)上實🛀🏻現了(le)流量計與(yǔ)用戶的⁉️數(shù)據通☔信.實(shí)際運行表(biao)明，設計的(de)流量計系(xì)統運行✉️穩(wen)定可靠.
　　金(jin)屬管浮子(zi)流量計具(jù)有耐高溫(wēn)耐高壓、耐(nai)腐蝕等特(tè)點,在中低(di)流速、流量(liang)的工業計(ji)量中得到(dao)了廣泛♊應(ying)用.目前采(cai)用電遠傳(chuan)方式的流(liú)量計多以(yi)霍爾元🤩件(jian)或電容式(shì)角位移作(zuò)爲傳感🔞器(qi),不但結構(gòu)複雜、精度(dù)較低，而且(qiě)不具備💘以(yi)太網接口(kou)功能.本文(wén)中作者應(ying)用各向異(yi)性磁阻的(de)傳感原理(lǐ)設計了一(yi)種能與以(yǐ)太網通信(xìn)的🐇智能金(jīn)屬管浮🤞子(zǐ)流量計.該(gai)流🌍量計具(jù)有精度高(gāo)、功耗🌍低、設(shè)計簡單等(deng)特☂️點,可廣(guang)泛應用于(yú)工業計量(liang),特别是适(shì)應了工業(ye)以太網的(de)發展需求(qiu).
1總體設計(ji)
　　金屬管浮(fu)子流量計(jì)由錐形管(guan)、内置磁鋼(gāng)的浮子以(yi)及外置♍嵌(qian)有磁鋼的(de)機械連杆(gan)等構件組(zǔ)成.當流量(liang)變化時，浮(fú)子在錐形(xíng)管内上下(xia)移動,并由(yóu)磁鋼耦合(he)帶動機⭕械(xie)連杆🔞旋轉(zhuǎn)-定🙇🏻角度.此(cǐ)角度與流(liú)量的大小(xiǎo)❓存在着一(yī)對應的關(guān)系,隻要測(ce)出角度便(biàn)可通過對(duì)應關系求(qiu)出㊙️流量,因(yīn)此對角度(dù)的正确測(cè)量是流量(liàng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計設計的(de)關鍵.具體(ti)設計時采(cai)用Honeywell公司生(shēng)産的磁阻(zǔ)傳感器HMC1501實(shí)現對機械(xiè)連杆💔角位(wèi)移的正确(què)測量,選擇(ze)MSP430F449單🧡片機作(zuo)爲MCU,采用CirrusLogic公(gōng)☔司生産的(de)以太網控(kòng)制芯片CS8900A實(shí)現網絡互(hù)聯.系統的(de)總🚶‍♀️體設計(jì)框圖如圖(tú)1所示.
 
2HMC1501磁阻(zǔ)傳感器的(de)應用
2.1磁阻(zǔ)傳感器的(de)測量原理(li)和工作特(tè)性
　　鐵磁性(xìng)材料通常(chang)爲各向異(yi)性材料,當(dang)采用特殊(shū)工藝将♈其(qi)📐制成薄膜(mo)狀的電阻(zǔ)元件後,便(bian)可用于感(gan)測✌️周圍磁(cí)場的變化(huà).HMC1501傳✉️感器是(shì)一種工作(zuo)在磁飽和(he)狀态下的(de)變換器件(jiàn),在此狀态(tai)下電阻對(dui)磁場的大(dà)小不敏感(gan),僅與磁場(chang)的方向有(yǒu)關，利用此(cǐ)原理就可(kě)以感測周(zhōu)圍磁🈲場相(xiang)對于傳感(gǎn)器的角度(dù)變化4.圖2顯(xiǎn)示‼️了HMC1501的磁(cí)場角度和(he)輸出電壓(yā)之間的對(duì)應關系，當(dāng)磁場角度(dù)爲-45°~+45°時輸出(chū)電壓遞減(jian)且單調性(xìng)好，因此将(jiang)HMC1501的有效角(jiǎo)度範圍定(dìng)義爲±45°,在此(ci)範圍内分(fen)辨☔率小于(yu)0.07°.典型橋路(lu)的電阻和(he)輸出🛀電壓(ya)分别爲33kQ和(he)-60~60mV,橋路供電(diàn)電壓較寬(kuān)(1~24V),當以5V供電(diàn)🤟時功耗僅(jǐn)爲0.76mW,由此可(ke)見功耗低(dī)是該傳感(gǎn)器的優勢(shi)之一.該傳(chuán)感器存在(zai)零點偏置(zhi)電🔴壓,需進(jìn)行補償.一(yi)般補償🙇‍♀️的(de)方法可分(fèn)爲硬件補(bǔ)償和軟件(jiàn)補償,但硬(yìng)件補償需(xu)設計💃🏻複雜(zá)🌈的電路,成(chéng)本較高,而(ér)軟件補償(chang)随着MCU處理(lǐ)能力的提(tí)高得到了(le)👅廣泛應用(yong),本設計中(zhōng)采用軟件(jian)補償.
 
2.2傳感(gǎn)器檢測電(diàn)路設計
　　爲(wèi)簡化傳感(gan)器檢測電(dian)路設計，采(cǎi)用了依靠(kào)單電源🥵供(gong)💋電😘的放大(da)器TLC27L2,這就要(yao)求OUT+點的電(diàn)位大于OUT-點(diǎn)的電位,否(fou)則放大🐪器(qi)的🏃‍♀️輸出就(jiù)會失真.但(dàn)HMC1501的典型輸(shū)出信号在(zai).60~60mV之間🐇,因此(cǐ)必須在含(hán)OUT+的支路的(de)節點2和模(mo)拟地之🔞間(jiān)串接一阻(zu)值大于243Ω的(de)電阻，爲保(bǎo)證一定的(de)冗餘度,該(gai)電阻取300Ω,圖(tu)3爲簡化後(hou)的傳感器(qi)檢測電路(lù).
 
2.3LMBP算法及應(ying)用
　　智能金(jīn)屬管浮子(zi)流量計采(cai)用2個HMC1501傳感(gǎn)器和1個溫(wēn)度傳感器(qi)🤟,其中2個HMC1501一(yi)個用于感(gǎn)測連杆磁(cí)鋼的方向(xiang)變化,另一(yī)個用于補(bǔ)償浮子磁(ci)鋼上下移(yi)動所形成(chéng)的複合磁(ci)場的影響(xiǎng),溫度傳感(gǎn)器感測HMC1501周(zhōu)圍的溫度(dù)并予以溫(wēn)度補償.溫(wēn)度傳感器(qi)的數學模(mo)型很難用(yòng)解🌂析式描(miao)述,傳統的(de)做法是🏒在(zai)不同溫度(dù)下進行标(biao)定✨，這種做(zuò)法不但計(ji)算量大、占(zhan)用存儲空(kōng)間多,而且(qiě)計算精度(dù)不高.鑒于(yú)人工神經(jing)網絡能夠(gòu)完成任意(yi)的🐕非線性(xìng)映射,其中(zhōng)BP算法(BackPropagation)具有(yǒu)以任意精(jīng)度逼近任(ren)何非線性(xing)函數的能(néng)力，而且無(wú)需事先确(què)定函數形(xíng)式，因此利(lì)用BP神經網(wang)☀️絡處理傳(chuán)感器靜态(tài)特性的非(fei)線性是一(yī)種較好的(de)方法網.但(dan)實際應用(yòng)時BP算法存(cún)在🛀🏻收斂速(sù)度慢和目(mù)标函數🌈存(cún)在局部極(jí)小等不足(zú)之處.爲此(cǐ)采用基于(yú)誤差平方(fāng)和最小化(huà)的權值調(diào)整算法即(jí)Levenberg-Marquart算法作💰爲(wèi)對BP算法的(de)改進，稱✌️之(zhī)爲LMBP算法.BP算(suan)法以均方(fāng)誤差作爲(wei)性能函數(shù),其表達式(shì)爲
 
　　式中，w爲(wei)網絡的權(quán)值向量,t爲(wei)期望輸出(chu)向量(标定(dìng)值),y爲✨實際(jì)🏃‍♀️輸出向量(liàng),e爲誤差向(xiàng)量.LM算法結(jié)合了梯度(du)法😍和高斯(sī)-牛頓法的(de)優點，具㊙️有(you)全局性和(he)收斂速度(dù)快的優勢(shì),并可通過(guo)對BP算✔️法的(de)修正，避免(mian)高斯-牛頓(dun)法中求解(jie)Hessian矩陣的問(wen)題,減少了(le)網絡訓練(lian)中的計算(suàn)量和内存(cún)需求量.權(quán)值的調整(zhěng)公式爲
 
　　式(shì)中，μ爲正常(chang)數,I爲單位(wei)矩陣,e。爲網(wang)絡的誤差(chà)向量,J爲以(yi)網絡誤差(cha)對權值的(de)一階導數(shù)爲元素的(de)Jacobian矩陣.△w每次(cì)叠🈲代時🔴都(dōu)對μ進行自(zi)适應調整(zheng),當網絡誤(wu)差減小時(shi)減小μ的值(zhi),反之增加(jia)μ的值.-般情(qing)況下Jacobian矩陣(zhen)的計算量(liàng)較大，因此(cǐ)該算法比(bǐ)較适合網(wǎng)絡規模不(bú)大、網絡🌈參(can)數較少的(de)應用場合(he)，本設計中(zhōng)使用的是(shi)典型的3層(ceng)網絡結構(gòu),如圖4所示(shi).從圖中可(kě)以看出該(gāi)網絡輸入(rù)層、輸出層(ceng)、隐層的節(jie)點分别爲(wèi)3個、1個、4個,網(wang)絡規模較(jiào)小，因此使(shi)用LM算法可(kě)以取得較(jiào)好的效♌果(guǒ).
 
3以太網結(jié)構的實現(xian)
3.1TCP/IP協議的裁(cai)減
　　以太網(wǎng)中的TCP/IP協議(yi)數以百計(jì)，而嵌入式(shì)系統的資(zi)源有限,沒(méi)有必要實(shi)現全部TCP/IP協(xie)議.裁減TCP/IP協(xie)議以适應(ying)工業以太(tài)網應用的(de)要求是當(dāng)前的一個(ge)研究熱點(dian),但目前尚(shàng)無統一的(de)裁減标準(zhǔn)4.在本應用(yòng)中由于網(wang)絡的連接(jie)數和數據(jù)的傳輸量(liàng)較少，因此(ci)以夠用即(ji)可”爲原則(ze)，對TCP/IP協議進(jìn)行合理裁(cai)減.裁減後(hou)的協議包(bao)括鏈路層(céng)中的CSMA/CD.ARP協議(yì)，網絡層中(zhōng)的IP協議,ICMP中(zhōng)的Ping協議，傳(chuan)輸層中的(de)TCP、UDP協議以及(ji)應用層中(zhong)的HTTP協議.
　　數(shù)據鏈路層(ceng)的主要作(zuò)用是爲其(qí)上層協議(yi)發送和接(jiē)收數據幀(zhen),采用IEEE802.3規定(dìng)的CSMA/CD協議,可(ke)使同一局(jú)域網上的(de)多台計算(suàn)機共享同(tóng)一物理傳(chuán)輸介質，隻(zhi)要采用通(tōng)用的網絡(luò)接口控制(zhì)芯片CS8900A就可(kě)實現該協(xié)議.以太網(wang).上數據的(de)傳輸是通(tōng)過網絡的(de)MAC地址進行(háng)識别的，這(zhe)就要求系(xì)統具有從(cong)IP地址轉換(huan)到MAC地址的(de)功能,即ARP(地(di)址解析)協(xié)議.網絡層(ceng)中的IP協議(yì)是TCP/IP協議族(zu)的核心協(xié)議,它使異(yi)構網絡之(zhī)間的通信(xìn)成爲可能(neng).ICMP實現與其(qí)他主機或(huò)路由器交(jiāo)換錯誤報(bào)文和其他(tā)重要信息(xī)，由于本設(she)計隻需測(ce)試網絡聯(lian)通情況，因(yīn)此隻保留(liu)了其中的(de)Ping協議.傳輸(shū)層中的TCP協(xie)議和UDP協議(yì)爲2台主機(jī)上的應用(yòng)程序提供(gòng)端到端的(de)通信.應用(yong)層中的HTTP協(xié)議實現以(yi)浏覽器訪(fǎng)問的方式(shì).在以，上諸(zhū)多協議中(zhōng)以實現TCP協(xie)議最爲困(kùn)難,受運算(suan)資源限制(zhi)，隻能實現(xiàn)簡化的有(yǒu)限狀态機(jī)和滑動窗(chuāng)口确認機(jī)制以及單(dan)TCP連接.另外(wai),爲過濾來(lái)訪信息，确(que)保數據安(an)全還實現(xiàn)了簡易網(wǎng)絡防火牆(qiang)功能,隻允(yǔn)許某些事(shi)先設置好(hao)的IP地址對(duì)流量計進(jìn)行訪問，有(you)效減輕了(le)流量計的(de)工作負荷(he).
3.2以太網控(kong)制芯片CS8900A的(de)應用
　　CS8900A是一(yī)款性能好(hǎo)、低功耗的(de)以太網控(kòng)制芯片,内(nèi)部含有802.3介(jie)質🈚訪問控(kong)制塊(MAC),支持(chí)全雙工操(cao)作,具有自(zi)動處理沖(chòng)突檢測、報(bao)頭生成、CRC校(xiào)驗碼生成(chéng)及其驗證(zhèng)等功能;同(tong)時💃🏻通過對(duì)發送控✉️制(zhì)寄存器(TCMD)的(de)配置,MAC可以(yi)完成幀的(de)自動💚重傳(chuán)51.設計時選(xuan)擇3V供🤞電的(de)CS8900A-CQ3,同時爲了(le)便于和MSP430F449之(zhi)間的電平(ping)匹配,在MSP430F449與(yǔ)💋CS8900A之間采用(yòng)圖5所示的(de)硬件❗接口(kou)0.通過将📱管(guan)腳/MEMW和/MEMR置高(gāo),使CS8900A工💁作在(zài)簡單的1/0模(mo)式,該♻️模式(shì)占用端口(kǒu)資源較少(shao).MSP430F449通過對/SBHE、/IOW和(he)/IOR等控制信(xin)号線實現(xian)對CS8900A工作方(fāng)式的控制(zhì)和讀寫操(cao)作.
 
　　在設計(jì)中考慮到(dao)CS8900A芯片采用(yòng)的是16位數(shù)據傳輸模(mó)式，因此🏃在(zai)💔訪問之前(qian)必須爲總(zong)線的高位(wei)使能管腳(jiǎo)(1SBHE)提供--個✔️由(yóu)高到低，再(zài)由低到高(gāo)變化的電(diàn)平信号.CS8900A通(tōng)過網絡隔(ge)離變壓器(qì)TRC2023以12.5的電壓(ya)比🧑🏽‍🤝‍🧑🏻将數據(jù)發送到網(wǎng)絡,以11的電(diàn)壓比從網(wang)絡接收數(shu)據.CS8900A芯片的(de)初始化操(cāo)作主要包(bao)括:軟件複(fu)位并檢查(cha)标志位、設(shè)定16位工作(zuo)模式、設定(ding)臨時以太(tài)網物理地(di)址❤️、設定接(jiē)收幀類💜型(xing)、确定數據(jù)傳送方向(xiàng)、中斷使能(neng)以及數據(ju)收發使能(néng)等.
4結束語(yu)
　　利用磁阻(zu)傳感器HMC1501實(shí)現了流量(liang)計機械連(lián)杆在士45°範(fan)圍内角度(du)的正确測(ce)量,并将流(liú)量計接入(ru)以太網，實(shí)⛹🏻‍♀️現了流量(liang)測量的智(zhì)能化和網(wang)絡化,實際(ji)運行表明(míng)該系統工(gong)作穩🛀🏻定、可(kě)靠.

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