摘要：針對(dui)用戶對高(gao)端電磁流(liu)量計 的需(xu)求,提出了(le)基于ARM9微處(chu)理器的電(dian)磁流量計(ji)硬件❤️設計(ji)方案。ARM9微處(chu)理器可以(yi)實現多種(zhong)勵磁方式(shi)、數據的USB存(cun)儲、以太網(wang)絡通🐆信、TFT彩(cai)屏顯示等(deng)一系列的(de)功能。對電(dian)磁流量計(ji)的測量裝(zhuang)置,基于ARM9核(he)心闆的模(mo)塊化電路(lu)設計✨作了(le)詳細❓的介(jie)紹。
0引言
　　随(sui)着流量檢(jian)測儀器的(de)技術發展(zhan),對流量的(de)測量儀🔞器(qi)⛹🏻‍♀️提💘出了🐇更(geng)高的應用(yong)需求。傳統(tong)的流量檢(jian)測儀器一(yi)般依據各(ge)自的測量(liang)機理,通過(guo)簡單的信(xin)息分析處(chu)理來完成(cheng)測量工作(zuo)。因此,在處(chu)理能💃🏻力、測(ce)量精度、誤(wu)差修正、功(gong)能擴展等(deng)方面都存(cun)在着局限(xian)性。新一💋代(dai)流量檢測(ce)儀器将以(yi)更優良的(de)性能取而(er)代之。
　　目前(qian),高速、精度(du)高、大容量(liang)的嵌入式(shi)處理器在(zai)控制和測(ce)量🈲領域的(de)應用越來(lai)越普遍,一(yi)旦應用到(dao)電磁流量(liang)計[1]中,使得(de)電磁流量(liang)計的輸入(ru)信号數字(zi)濾波、曆史(shi)數💋據保存(cun)💚、輸出多種(zhong)勵磁☀️信号(hao)的變化、測(ce)量信息的(de)特殊處理(li)、測量結果(guo)的動态圖(tu)形顯示、人(ren)性化的管(guan)理和控💃🏻制(zhi)等多方面(mian)應用,都将(jiang)成爲可能(neng)。尤其💋是新(xin)一代網🙇🏻絡(luo)技術的發(fa)展會使得(de)更多基于(yu)TCP/IP網絡協議(yi)的儀⭕器設(she)備🥵得到應(ying)用,針對電(dian)磁流量計(ji)的遠🔴程數(shu)據交換傳(chuan)送,基于典(dian)型的以太(tai)網通訊接(jie)口也應運(yun)而生[10]。
1.電磁(ci)流量計基(ji)本原理
　　電(dian)磁流量計(ji)是依據法(fa)拉第電磁(ci)感應定律(lü)來測量管(guan)内🎯流💛體❌流(liu)量的測量(liang)裝置[9],如圖(tu)1所示。當流(liu)體在管道(dao)内流動經(jing)過一橫向(xiang)磁場B的時(shi)候,相當于(yu)有圖1..電磁(ci)流量計原(yuan)理圖一定(ding)電導率的(de)導體在切(qie)割磁線,形(xing)成動生電(dian)動勢,通過(guo)管道徑向(xiang)兩電極可(ke)以引出該(gai)電動勢E,其(qi)大小與磁(ci)場B、流速V和(he)管徑D成正(zheng)比,即:E=B..V..D

流體(ti)的體積流(liu)量Q與流速(su)V和管道内(nei)截面成正(zheng)比,隻💋要☁️測(ce)量出兩電(dian)極之間的(de)電動勢E,即(ji)可确定流(liu)量Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
　　當勵磁(ci)電流、管道(dao)尺寸和流(liu)體密度..确(que)定的情況(kuang)下,流㊙️體的(de)質量流量(liang)M僅取決于(yu)對兩電極(ji)間的感應(ying)電勢E的檢(jian)測。電磁流(liu)量🤟計的數(shu)學模型爲(wei):
M=Coeρ(E-E0)x
其中:Coe爲儀(yi)表系數;E0爲(wei)儀表零點(dian)修正;x爲多(duo)段非線性(xing)☂️修正。
2.AT91RM9200及核(he)心闆
　　AT91RM9200是Atmel公(gong)司推出的(de)針對嵌入(ru)式應用的(de)工業級32位(wei)ARM9嵌入式處(chu)🚩理器,最🤟高(gao)工作頻率(lü)達180MHz,其功能(neng)強大、性能(neng)穩定,非常(chang)适合💜高端(duan)儀表的應(ying)用,由它構(gou)建的核心(xin)闆形成了(le)具有豐富(fu)接口資源(yuan)的基🌈本系(xi)統🐆,隻要擴(kuo)展應用模(mo)塊和📞接口(kou)即可實現(xian)系統應用(yong)。介紹AT91RM9200的文(wen)獻很多,這(zhe)裏僅給出(chu)其主要資(zi)📧源和特性(xing):
内置的10/100M以(yi)太網MAC控制(zhi)器
5個UART通道(dao)
2個主USB口,1個(ge)從USB口,全速(su)12Mbps
1個MCI接口,支(zhi)持MCI卡或SD卡(ka)
3個同步串(chuan)行控制器(qi)
6個16位定時(shi)器,一個32位(wei)實時鍾
4個(ge)SPI接口
PWM輸出(chu)
I2C接口
支持(chi)SDRAM,SRAM。Flash等
JTAG邏輯測(ce)試部件,支(zhi)持軟/硬件(jian)開發
　　由AT91RM9200構(gou)建的核心(xin)闆集成了(le)32M的SDRAM、2M的并行(hang)Flash、8M的串行DateFlash、以(yi)太網電路(lu)和複位電(dian)路,構成了(le)一個基本(ben)系統,爲用(yong)戶的軟件(jian)研發提供(gong)了充足的(de)空間。處理(li)器的大多(duo)數管腳和(he)其🌈它信号(hao)都通過兩(liang)個排針對(dui)外☀️引出,爲(wei)用戶提供(gong)了非常豐(feng)富的擴展(zhan)資源。
　　由于(yu)在核心闆(pan)上移植了(le)嵌入式Linux操(cao)作系統,其(qi)豐富的軟(ruan)件資源、開(kai)放性和軟(ruan)件低成本(ben)使得系統(tong)應用變得(de)方便可行(hang)✔️。
3.智能電磁(ci)流量計硬(ying)件設計
3.1電(dian)磁流量計(ji)總體結構(gou)
　　電磁流量(liang)計由測量(liang)裝置和電(dian)路兩部分(fen)組成,電路(lu)部分主要(yao)由檢測輸(shu)入模塊、勵(li)磁輸出模(mo)塊、流量輸(shu)出模塊、圖(tu)形顯示模(mo)❓塊、鍵盤模(mo)塊、通信及(ji)調試接口(kou)、電源模塊(kuai)、以及最重(zhong)要的基于(yu)ARM9嵌入式系(xi)統[2]的核心(xin)闆組成。圖(tu)2給出了嵌(qian)入式電磁(ci)流量計的(de)系統框圖(tu)。圖2嵌入式(shi)電磁流量(liang)計系統框(kuang)圖。

　　系統經(jing)過初始化(hua)之後,核心(xin)闆向勵磁(ci)模塊輸出(chu)一數字量(liang)的勵磁信(xin)号,經過D/A轉(zhuan)換和電流(liu)放大,驅動(dong)傳感器💘的(de)勵磁線💞圈(quan)産🚶‍♀️生一定(ding)強度的磁(ci)場。傳感器(qi)的💋流速感(gan)應電極送(song)出微弱的(de)感應信号(hao)經過輸入(ru)模塊的放(fang)大濾波處(chu)理,經過A/D轉(zhuan)換成數字(zi)量輸入ARM9處(chu)理器,進一(yi)步進行數(shu)字分析處(chu)理。通過顯(xian)示模塊直(zhi)接顯示瞬(shun)時流量、累(lei)積流量和(he)動态流量(liang)圖形。另外(wai)由流量輸(shu)出模塊輸(shu)出4~20mA的标準(zhun)儀用瞬🤟時(shi)流量信号(hao)。
3.2.輸入及A/D轉(zhuan)換電路
　　檢(jian)測輸入模(mo)塊包括差(cha)分測量放(fang)大器、低通(tong)和高通濾(lü)波器、增益(yi)放大器以(yi)及A/D轉換電(dian)路,如圖3所(suo)示。圖3輸入(ru)及A/D轉換框(kuang)圖。

　　由于電(dian)磁流量計(ji)的電極輸(shu)出信号非(fei)常微弱,一(yi)般隻有⭐10-4V數(shu)量💚級,而且(qie),工業環境(jing)非常大。因(yin)此,爲了保(bao)證🙇‍♀️測量精(jing)度,送入A/D轉(zhuan)換的輸⭕入(ru)信号應達(da)到-2.5~+2.5V的範圍(wei),其模拟部(bu)分電壓增(zeng)益應該在(zai)60dB以上。其中(zhong)📐,前置放大(da)器采用差(cha)分輸入的(de)儀用放大(da)器AD620,高通濾(lü)波和低通(tong)濾波采用(yong)二階有源(yuan)濾波器形(xing)成帶通濾(lü)波器濾除(chu)工頻及雜(za)波,放大器(qi)采用運放(fang)CA3240A完💔成。A/D轉換(huan)單元采用(yong)MAX1297AEEG[4]實現12位并(bing)行🌏模數轉(zhuan)換,直接與(yu)核心闆的(de)I/O線連接如(ru)圖3所示,引(yin)腳說明和(he)接法如下(xia):
D0~D1112位數據,接(jie)B口的PB4~PB15;
INT.中斷(duan)線,接核心(xin)闆的IRQ0/PB29;
CS片選(xuan)線,接核心(xin)闆B口的PB22;
RD讀(du)控制線,接(jie)核心闆B口(kou)的PB16;
WR寫控制(zhi)線,接核心(xin)闆B口的PB17;
模(mo)拟信号輸(shu)入CH0通道。
3.3.勵(li)磁輸出電(dian)路
　　智能電(dian)磁流量計(ji) 的勵磁電(dian)路的任務(wu)是向勵磁(ci)線圈提供(gong)一穩定的(de)驅動電㊙️流(liu)🐇。電流波形(xing)爲方波、三(san)值方波和(he)梯形波[11]等(deng)形式,波形(xing)變化的目(mu)的是結合(he)信号處理(li)電路,分析(xi)在不同勵(li)磁方式下(xia)電磁流量(liang)計的精🧑🏽‍🤝‍🧑🏻度(du)、零點穩定(ding)性和抗能(neng)力等多項(xiang)指标。該電(dian)路由核心(xin)✍️闆的SPI2口輸(shu)出數字量(liang),經過D/A轉換(huan)形成模拟(ni)信号,經💯V/I轉(zhuan)換激勵和(he)帶有電流(liu)負反饋的(de)電流放大(da)器輸出,适(shi)合各種勵(li)磁波形的(de)變化。結構(gou)框圖如圖(tu)4。D/A轉換電路(lu)采用AD7243芯片(pian)[5],實現12位的(de)SPI同步串行(hang)🏃輸入,-5~+5V的雙(shuang)極性輸出(chu)。與ARM9核心闆(pan)的SPI2口對接(jie),如圖4所示(shi)。

其中引腳(jiao)說明和接(jie)法如下:
SDIN串(chuan)行數據輸(shu)入,接核心(xin)闆的MOSI;
SCLK同步(bu)時鍾,接核(he)心闆的SPCK;
SYNC串(chuan)行選擇,接(jie)核心闆的(de)NPCS2;
CLR轉換清除(chu),接核心闆(pan)I/O口的PC14;
LDAC數據(ju)鎖入啓動(dong),接I/O口的PC15。
　　激(ji)勵放大器(qi)采用CA3240A運放(fang),其特點是(shi)電源電壓(ya)高,能獲得(de)較大的輸(shu)🏒出動态範(fan)圍。電流放(fang)大利用兩(liang)對複合管(guan)實🤩現,要♈求(qiu)管子盡可(ke)能配對。接(jie)入勵磁線(xian)圈後,引入(ru)大環路的(de)電流負反(fan)饋,穩定輸(shu)出勵😍磁電(dian)流。
3.4.流量輸(shu)出模塊
　　電(dian)磁流量計(ji)在實現測(ce)量、分析和(he)處理的時(shi)候,除了現(xian)場顯示瞬(shun)時流量和(he)累積流量(liang)以外,通常(chang)還會輸出(chu)一個标準(zhun)的4~20mA電流信(xin)号。因此,該(gai)電路利用(yong)AD421轉換電路(lu)實現了流(liu)量輸出的(de)📞功能。
　　AD421芯片(pian)[6]是一款低(di)電壓、SPI串行(hang)輸入、16位Σ-Δ轉(zhuan)換的D/A轉換(huan)電路,具備(bei)4~20mA環路♋電流(liu)輸出,支持(chi)HART通信協議(yi),非常适合(he)該電路應(ying)用。SPI串行輸(shu)入接核心(xin)🐇闆的SPI3口,如(ru)圖5所示。其(qi)中引腳說(shuo)明和接法(fa)💯如下:
?
DATA串行(hang)數據輸入(ru),接核心闆(pan)的MOSI;
CLOCK同步時(shi)鍾,接核心(xin)闆的SPCK;
LATCH鎖入(ru)控制,接核(he)心闆的NPCS3。
　　D/A轉(zhuan)換的電壓(ya)基準REFIN選用(yong)芯片提供(gong)的REFOUT2(2.5V)。電路中(zhong)LV與VCC之間🔴接(jie)0.01μF的電容,決(jue)🔆定了由+24V的(de)環路電源(yuan)LOOPPOWER産生3.3V電源(yuan),+24V的環路電(dian)源LOOPPOWER經内部(bu)控制電📐流(liu)由LOOPRTN返回,形(xing)成4~20mA的電流(liu)環路。
3.5.圖形(xing)顯示模塊(kuai)
　　由于AT91RM9200處理(li)器未集成(cheng)圖形顯示(shi),核心闆上(shang)也未提供(gong),所以,要♌實(shi)現圖形顯(xian)示,必須構(gou)建圖形顯(xian)示模塊。電(dian)路采用LCD控(kong)制器SID13506顯示(shi)芯片🐅[7]實現(xian)彩色液晶(jing)點陣顯示(shi)和VGA标準接(jie)口。系⛹🏻‍♀️統框(kuang)圖❤️如圖6所(suo)示。

　　SID13506是EPSON公司(si)較新的大(da)規模顯示(shi)控制器[8],主(zhu)要應用于(yu)嵌入式系(xi)統,最高支(zhi)持64K真彩色(se)。系統配置(zhi)了1M的16位内(nei)存、LCD接口和(he)VGA接口。3個系(xi)統時鍾BUSCLK、CLKI和(he)CLKI2受PA7和兩組(zu)可控震蕩(dang)器🌏控制,核(he)☀️心闆通過(guo)PA7輸出50M時鍾(zhong)經過驅動(dong)接BUSCLK,核心闆(pan)通過TWI管理(li)兩組可控(kong)震蕩器PCLK1和(he)PCLK2。ARM9核心闆與(yu)SID13506芯🏃🏻片引腳(jiao)相連的信(xin)号如表1所(suo)列。

3.6.鍵盤、通(tong)信及調試(shi)部分電路(lu)
　　電磁流量(liang)計的鍵盤(pan)、通信和調(diao)試部分電(dian)路屬于嵌(qian)入式系統(tong)的典型應(ying)用電路,系(xi)統利用ZLG7289A構(gou)建了8×2小型(xing)鍵盤,由I/O模(mo)拟串行口(kou)建立系統(tong)連接,實現(xian)流量計的(de)系統設置(zhi)和按鍵數(shu)據輸入。
　　調(diao)試功能主(zhu)要由串行(hang)調試口DCOM和(he)JTAC标準調試(shi)口構成。其(qi)中串行調(diao)🈲試口DCOM是由(you)AT91RM9200處理器的(de)DBGU單元通過(guo)SP3232E建立的,JTAG标(biao)準調試口(kou)直♻️接由核(he)心闆引出(chu)。
　　通信功能(neng)的建立主(zhu)要是直接(jie)由核心闆(pan)引出了10/100M的(de)TCP/IP網💯絡接口(kou),将處理器(qi)的USART1單元通(tong)過SP3243建立了(le)RS232标準串行(hang)通信口COM1,将(jiang)💁處理器的(de)USART2單元通過(guo)SP3481建立了RS485标(biao)準串行通(tong)信口。
　　另外(wai),引出處理(li)器的HDMA和HDPA線(xian)建立USBHOST接口(kou),可外接USB存(cun)儲器,作爲(wei)電磁流量(liang)計曆史數(shu)據記錄設(she)備。相應連(lian)接和功能(neng)框圖如圖(tu)7所示。

3.7.電源(yuan)電路
　　由ARM9核(he)心闆構建(jian)的電磁流(liu)量計的電(dian)源部分還(hai)是比較複(fu)雜的,一般(ban)由開關電(dian)源模塊實(shi)現,其主電(dian)源爲+5V穩壓(ya)電源,經過(guo)2組穩🏃🏻壓器(qi)LT1085分别産生(sheng)3.3V和1.8V供給核(he)心闆🙇🏻使用(yong),3.3V和+5V供給大(da)部分數字(zi)電路使用(yong),數字電源(yuan)與模拟電(dian)源分🌈開且(qie)不共地,副(fu)電源主要(yao)有供給D/A轉(zhuan)換及放大(da)用的±15V,供給(gei)勵磁輸出(chu)的±24V電源等(deng)。電磁流量(liang)計的🙇🏻功率(lü)消耗還是(shi)比較大的(de)。
4.應用系統(tong)軟件簡介(jie)
　　ARM9電磁流量(liang)計的軟件(jian)系統主要(yao)考慮的是(shi)核心闆及(ji)各個硬件(jian)模塊的初(chu)始化設置(zhi),系統在啓(qi)動之後,通(tong)過調用底(di)層的驅動(dong)程序完成(cheng)核心闆與(yu)各個硬件(jian)模塊之間(jian)的命令控(kong)制和數據(ju)傳送,建立(li)相應的中(zhong)斷服務子(zi)程序及中(zhong)斷向量表(biao)。采用模塊(kuai)化結構建(jian)立系統程(cheng)序,電磁流(liu)量計應用(yong)系統主要(yao)由定時器(qi)中斷進行(hang)管理,勵磁(ci)信号的輸(shu)出和轉換(huan)保持、感應(ying)信号的多(duo)次數據采(cai)集、流量的(de)顯示和對(dui)外輸出等(deng)均由定時(shi)器的中斷(duan)服務來完(wan)成。
5.結束語(yu)
　　該系統作(zuo)爲高端電(dian)磁流量計(ji)的應用研(yan)究,在硬件(jian)🔴上采用了(le)模📞塊化設(she)計方法,提(ti)高了電磁(ci)流量計的(de)應用和研(yan)☁️究水平,降(jiang)低了設計(ji)難度,已被(bei)列入重大(da)🌈科技攻關(guan)項目..嵌入(ru)式💞系統智(zhi)㊙️能儀表開(kai)發平台的(de)研究及其(qi)在流量儀(yi)表設計中(zhong)的應用之(zhi)中,目前正(zheng)在作進一(yi)步🔱的完善(shan)和提🚶高。

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