摘要：針(zhēn)對用(yòng)戶對高端電磁(cí)流量計 的需求(qiú),提出了基于arm9微(wēi)處理(lǐ)器的(de)電磁(cí)流量計硬件設(shè)計方案。arm9微(wēi)處理(lǐ)器可(kě)以實現多(duō)種勵磁方式(shì)、數(shù)據的(de)usb存儲、以太(tài)網絡通信(xìn)、tft彩屏(píng)顯示(shì)等一系列(liè)的功(gōng)能。對(duì)電磁流量計(jì)的測量(liàng)裝置,基于arm9核心(xīn)闆的模(mó)塊化電(diàn)路設計作(zuò)了詳(xiáng)細的(de)介紹。
0引言(yán)
　　随着(zhe)流(liú)量(liàng)檢測儀器的技術發(fā)展,對流量(liàng)的測(cè)量儀器提出了更高的(de)應(yīng)用需(xū)求。傳(chuán)統的流(liú)量檢測儀器(qì)一般(bān)依據(jù)各(gè)自(zì)的測(cè)量機(jī)理,通過簡單的(de)信息分析(xī)處理來完成測量工(gōng)作。因此,在(zài)處理能力、測量(liàng)精度(dù)、誤差修正、功能擴展等方面都存在着局(jú)限性。新一代流量檢測(cè)儀(yí)器将(jiāng)以更優良(liáng)的性(xìng)能(néng)取而(ér)代之。
　　目(mù)前,高速、精度(dù)高、大容量(liàng)的嵌入(rù)式處理(lǐ)器在控(kòng)制和(hé)測量領域(yù)的(de)應用越(yuè)來越普遍(biàn),一旦應用(yòng)到電磁(cí)流(liú)量計(jì)[1]中,使得(dé)電磁流(liú)量計(jì)的輸入信(xìn)号數字濾波、曆(lì)史數(shù)據保存、輸(shū)出多(duō)種勵(lì)磁信(xìn)号的變化、測量(liàng)信息(xī)的(de)特殊處(chù)理、測量結果的動态圖形顯(xiǎn)示(shì)、人性化的(de)管理(lǐ)和控(kòng)制等多方(fāng)面應(yīng)用(yòng),都将成爲可能。尤其是(shì)新一代網絡技(jì)術的(de)發展會使(shǐ)得更多(duō)基(jī)于tcp/ip網(wǎng)絡協(xié)議的儀器(qì)設備得到(dào)應用(yòng),針對電磁流(liú)量(liàng)計的遠程(chéng)數據交換傳送(sòng),基于(yú)典型(xíng)的以太網(wǎng)通訊接口也應(yīng)運而生[10]。
1.電磁流量計(jì)基本原理
　　電磁(cí)流(liú)量(liàng)計是依據法拉第電(diàn)磁感應定(dìng)律來測量管内流體(tǐ)流量的(de)測(cè)量裝(zhuāng)置[9],如圖(tú)1所示。當(dāng)流體(tǐ)在管道内流動(dòng)經過一橫(héng)向磁場(chǎng)b的(de)時候(hòu),相當(dāng)于有(yǒu)圖1..電(diàn)磁流量計(jì)原理(lǐ)圖一(yī)定電導率(lǜ)的導體在(zài)切割(gē)磁線,形成(chéng)動生(shēng)電動勢,通(tōng)過管(guǎn)道徑向兩電極(jí)可以引出該電動勢(shì)e,其(qí)大小與(yǔ)磁場(chǎng)b、流速v和管(guǎn)徑d成(chéng)正比(bǐ),即:e=b..v..d

流體的體積流量q與流速v和(hé)管道(dào)内截面成(chéng)正比(bǐ),隻要(yào)測量出兩(liǎng)電極之間(jiān)的電(diàn)動勢(shì)e,即可确定(dìng)流量q。
q=vπd2/4=πde/4b
　　當勵(lì)磁電(diàn)流、管(guǎn)道尺寸和(hé)流體密度..确定(dìng)的情(qíng)況下,流體的(de)質量流量m僅取決(jué)于對(duì)兩電極間的感(gǎn)應電勢e的檢測(cè)。電磁流量計的數學模型爲:
m=coeρ(e-e0)x
其(qí)中:coe爲(wèi)儀表(biǎo)系數(shù);e0爲儀(yí)表(biǎo)零點修正;x爲多段非線(xiàn)性修(xiū)正(zhèng)。
2.at91rm9200及(jí)核心闆
　　at91rm9200是(shì)atmel公(gōng)司推出(chū)的針對嵌(qiàn)入式(shì)應用的工業級(jí)32位arm9嵌入式(shì)處理(lǐ)器,最高(gāo)工(gōng)作頻(pín)率達(dá)180mhz,其功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定,非(fēi)常适合高(gāo)端儀(yí)表的(de)應(yīng)用,由它(tā)構建的核(hé)心闆(pǎn)形成了具有豐(fēng)富接口資(zī)源的(de)基本系統,隻要(yào)擴展應用模塊和接(jiē)口(kǒu)即(jí)可實(shí)現系統應用。介(jiè)紹at91rm9200的文獻(xiàn)很多(duō),這裏(lǐ)僅(jǐn)給(gěi)出其主要資(zī)源(yuán)和特性:
内置(zhì)的10/100m以太(tài)網mac控制器
5個uart通(tōng)道
2個主usb口,1個從usb口,全(quán)速12mbps
1個(gè)mci接(jiē)口(kǒu),支持mci卡(kǎ)或sd卡
3個(gè)同步串行控制(zhì)器
6個(gè)16位定(dìng)時器(qì),一個32位(wèi)實時鍾(zhōng)
4個spi接口
pwm輸出
i2c接口
支持(chí)sdram,sram。flash等(děng)
jtag邏輯(jí)測試(shì)部(bù)件(jiàn),支持(chí)軟/硬(yìng)件開發
　　由(yóu)at91rm9200構建的核(hé)心闆(pǎn)集成(chéng)了32m的sdram、2m的并行flash、8m的串行(háng)dateflash、以太(tài)網電路和(hé)複位(wèi)電路,構成了一個基本系(xì)統,爲(wèi)用戶的軟(ruǎn)件研發提(tí)供了(le)充足的空間(jiān)。處理器(qì)的大多數管腳(jiǎo)和其它信(xìn)号都通過兩個排針(zhēn)對外(wài)引出,爲用戶提(tí)供了(le)非常豐富(fù)的擴展資(zī)源。
　　由于在核心(xīn)闆上移植了嵌入式linux操作(zuò)系統(tǒng),其豐富的(de)軟件(jiàn)資源(yuán)、開放性和(hé)軟(ruǎn)件低成本使(shǐ)得系(xì)統應用變(biàn)得方便可行。
3.智(zhì)能電(diàn)磁流量計(jì)硬件設計(jì)
3.1電磁流量計(jì)總體結(jié)構
　　電磁流(liú)量(liàng)計(jì)由測量裝置和(hé)電路(lù)兩部(bù)分組(zǔ)成,電路部分主要(yào)由(yóu)檢測輸入(rù)模塊、勵磁輸出(chū)模塊(kuài)、流量輸出(chū)模塊、圖(tú)形顯示模塊、鍵盤模塊(kuài)、通信及(jí)調試接(jiē)口、電(diàn)源模塊、以及最重要的基(jī)于arm9嵌(qiàn)入式(shì)系統[2]的核(hé)心闆組成(chéng)。圖2給出(chū)了嵌入(rù)式電(diàn)磁(cí)流量計(jì)的系統框(kuàng)圖。圖(tú)2嵌入(rù)式(shì)電磁流(liú)量計(jì)系統(tǒng)框圖(tú)。

　　系統經過初始(shǐ)化之(zhī)後,核心(xīn)闆(pǎn)向勵磁模塊輸(shū)出一數(shù)字量的勵磁(cí)信号,經過(guò)d/a轉換和(hé)電流放(fàng)大,驅動傳感器(qì)的勵磁線(xiàn)圈産(chǎn)生一定強(qiáng)度的(de)磁場(chǎng)。傳感(gǎn)器的流速感應電極(jí)送出微弱的感應信(xìn)号經(jīng)過輸(shū)入模塊的放大(dà)濾波處理,經過(guò)a/d轉換成數(shù)字量輸入(rù)arm9處(chù)理器,進一步進行(háng)數字(zì)分析處理。通過(guò)顯示模(mó)塊直接(jiē)顯(xiǎn)示瞬時流量(liàng)、累積流量和(hé)動(dòng)态流(liú)量圖(tú)形。另外由流(liú)量(liàng)輸出(chū)模塊(kuài)輸出4~20ma的标(biāo)準儀(yí)用(yòng)瞬時流(liú)量信号。
3.2.輸入及(jí)a/d轉換(huàn)電(diàn)路
　　檢測(cè)輸入模塊包括(kuò)差分測量(liàng)放大器、低通和(hé)高通(tōng)濾波(bō)器、增(zēng)益放(fàng)大器以及a/d轉換(huàn)電路,如(rú)圖(tú)3所示(shì)。圖3輸入及a/d轉換框圖。

　　由于(yú)電磁(cí)流量計的電(diàn)極(jí)輸出(chū)信号(hào)非常(cháng)微弱,一(yī)般隻有(yǒu)10-4v數量級(jí),而且,工(gōng)業(yè)環(huán)境非(fēi)常大(dà)。因此,爲了保證(zhèng)測量(liàng)精(jīng)度(dù),送入(rù)a/d轉換的(de)輸(shū)入信(xìn)号應達到-2.5~+2.5v的範(fàn)圍(wéi),其模拟部分(fèn)電壓增益應該(gāi)在60db以上。其(qí)中,前(qián)置放(fàng)大器采用(yòng)差分(fèn)輸入(rù)的儀用放大器ad620,高通(tōng)濾波和低(dī)通濾波采(cǎi)用(yòng)二階有源濾波(bō)器形成(chéng)帶通(tōng)濾波器濾(lǜ)除工頻及(jí)雜波(bō),放大器采(cǎi)用運(yùn)放ca3240a完成。a/d轉換單(dān)元采用max1297aeeg[4]實現12位(wèi)并行模(mó)數(shù)轉換(huàn),直(zhí)接(jiē)與(yǔ)核心闆(pǎn)的i/o線連(lián)接(jiē)如圖(tú)3所示,引(yǐn)腳(jiǎo)說明(míng)和接法如(rú)下:
d0~d1112位(wèi)數據(jù),接b口的pb4~pb15;
int.中(zhōng)斷(duàn)線,接(jiē)核(hé)心闆(pǎn)的irq0/pb29;
cs片選線(xiàn),接核(hé)心闆b口的(de)pb22;
rd讀控(kòng)制線(xiàn),接核心闆(pǎn)b口的pb16;
wr寫控制線,接核(hé)心(xīn)闆b口的(de)pb17;
模拟(nǐ)信号輸入(rù)ch0通道(dào)。
3.3.勵磁輸出(chū)電路
　　智(zhì)能電磁(cí)流量(liàng)計 的(de)勵磁電路的任(rèn)務是(shì)向勵(lì)磁線圈(quān)提(tí)供一穩定的驅(qū)動電(diàn)流(liú)。電(diàn)流波形爲(wèi)方(fāng)波、三值方波(bō)和梯形波(bō)[11]等形式,波(bō)形變(biàn)化的(de)目(mù)的是結(jié)合信号處理電(diàn)路,分(fèn)析(xī)在(zài)不同勵磁方式下電(diàn)磁流量計的精度、零點穩(wěn)定性和抗能力等多(duō)項指(zhǐ)标(biāo)。該(gāi)電路(lù)由(yóu)核心闆的spi2口(kǒu)輸出(chū)數字量(liàng),經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換形(xíng)成模(mó)拟信号(hào),經v/i轉換激勵(lì)和(hé)帶有電(diàn)流負反(fǎn)饋的電(diàn)流放(fàng)大器輸出(chū),适合各種(zhǒng)勵磁波形的變化。結(jié)構框(kuàng)圖如(rú)圖4。d/a轉換電路采用ad7243芯(xīn)片[5],實現12位(wèi)的spi同(tóng)步串(chuàn)行(háng)輸入,-5~+5v的(de)雙極性輸(shū)出。與arm9核心(xīn)闆的spi2口對接,如圖4所示。

其(qí)中引腳(jiǎo)說明和(hé)接法(fǎ)如下(xià):
sdin串行數據(jù)輸(shū)入,接核(hé)心闆(pǎn)的mosi;
sclk同步時(shí)鍾(zhōng),接核心闆的(de)spck;
sync串行選擇,接核心闆(pǎn)的npcs2;
clr轉換清(qīng)除,接核心(xīn)闆i/o口(kǒu)的pc14;
ldac數據鎖(suǒ)入啓(qǐ)動,接i/o口的pc15。
　　激勵(lì)放大(dà)器采用(yòng)ca3240a運(yùn)放,其特點(diǎn)是電源電(diàn)壓(yā)高(gāo),能獲(huò)得較大的輸出動(dòng)态範圍。電流(liú)放大利用兩對(duì)複合管實(shí)現,要(yào)求管(guǎn)子盡可能(néng)配對(duì)。接(jiē)入勵磁(cí)線圈後,引(yǐn)入大(dà)環路的電(diàn)流負(fù)反饋(kuì),穩定(dìng)輸出(chū)勵磁電(diàn)流。
3.4.流量(liàng)輸出(chū)模塊(kuài)
　　電磁流量計在實現(xiàn)測量、分析和處理的(de)時候,除了(le)現場(chǎng)顯(xiǎn)示瞬時流量和累積流量以外,通常還(hái)會輸出一(yī)個(gè)标準的4~20ma電流信号(hào)。因此,該電路利(lì)用ad421轉(zhuǎn)換電路實(shí)現了(le)流量輸出(chū)的功(gōng)能。
　　ad421芯片[6]是一款低電(diàn)壓、spi串(chuàn)行輸入(rù)、16位Σ-Δ轉換(huàn)的d/a轉(zhuǎn)換電路,具(jù)備4~20ma環(huán)路電流輸(shū)出,支(zhī)持hart通信(xìn)協(xié)議,非常适合該電路(lù)應(yīng)用。spi串行輸入接(jiē)核心闆(pǎn)的spi3口,如圖5所示(shì)。其中(zhōng)引腳(jiǎo)說明和接法如(rú)下:
?
data串(chuàn)行數(shù)據輸入,接(jiē)核心(xīn)闆的mosi;
clock同步(bù)時鍾,接(jiē)核(hé)心闆的spck;
latch鎖入控制,接(jiē)核心(xīn)闆的npcs3。
　　d/a轉換的電(diàn)壓基準refin選(xuǎn)用芯片提供的(de)refout2(2.5v)。電路(lù)中lv與(yǔ)vcc之間(jiān)接0.01μf的電(diàn)容(róng),決定了由+24v的環(huán)路電(diàn)源looppower産生3.3v電源,+24v的(de)環路電源looppower經内(nèi)部控制電(diàn)流由looprtn返回(huí),形成4~20ma的電(diàn)流環路。
3.5.圖(tú)形顯(xiǎn)示模塊
　　由(yóu)于at91rm9200處(chù)理器(qì)未集成圖形顯示,核(hé)心闆(pǎn)上也未提(tí)供,所以,要(yào)實現圖形(xíng)顯示,必(bì)須構建(jiàn)圖形顯示模塊(kuài)。電路采用(yòng)lcd控制(zhì)器sid13506顯(xiǎn)示芯片[7]實(shí)現彩(cǎi)色液(yè)晶點(diǎn)陣顯示和vga标準(zhǔn)接口。系統框圖(tú)如圖6所(suǒ)示。

　　sid13506是epson公(gōng)司較新的大規模顯示控制器(qì)[8],主要(yào)應用于嵌入式(shì)系統,最高(gāo)支持64k真彩色。系(xì)統配置了1m的16位(wèi)内存(cún)、lcd接口和vga接(jiē)口。3個系(xì)統時鍾(zhōng)busclk、clki和clki2受(shòu)pa7和兩組可(kě)控震(zhèn)蕩器(qì)控制,核心闆(pǎn)通過pa7輸(shū)出50m時(shí)鍾經(jīng)過驅動接busclk,核(hé)心闆通(tōng)過twi管理(lǐ)兩組可(kě)控震蕩器pclk1和pclk2。arm9核(hé)心闆(pǎn)與(yǔ)sid13506芯片引(yǐn)腳相連(lián)的(de)信号(hào)如表(biǎo)1所(suǒ)列。

3.6.鍵盤(pán)、通信(xìn)及(jí)調試(shì)部(bù)分電(diàn)路
　　電磁流(liú)量計的(de)鍵(jiàn)盤、通信和調試部分電路屬于嵌入(rù)式系(xì)統(tǒng)的典型(xíng)應用電(diàn)路,系統(tǒng)利用(yòng)zlg7289a構建了8×2小(xiǎo)型鍵(jiàn)盤(pán),由(yóu)i/o模拟串行(háng)口建(jiàn)立系(xì)統連(lián)接,實現流量計(jì)的系(xì)統設(shè)置和(hé)按鍵(jiàn)數據輸入(rù)。
　　調(diào)試功能(néng)主要(yào)由串行調(diào)試口dcom和jtac标準調(diào)試口構成。其中串行調試(shì)口dcom是(shì)由at91rm9200處(chù)理器的dbgu單(dān)元通過sp3232e建立的(de),jtag标準調試口直接由核心(xīn)闆引(yǐn)出。
　　通信(xìn)功(gōng)能的建立(lì)主要是直(zhí)接由核(hé)心闆引(yǐn)出了(le)10/100m的(de)tcp/ip網絡接口,将處理(lǐ)器的(de)usart1單元通(tōng)過sp3243建立(lì)了rs232标準串行通(tōng)信口(kǒu)com1,将處(chù)理器(qì)的usart2單元通(tōng)過sp3481建(jiàn)立了(le)rs485标準(zhǔn)串行(háng)通信(xìn)口(kǒu)。
　　另外,引(yǐn)出處理器的hdma和(hé)hdpa線(xiàn)建立usbhost接口,可(kě)外接(jiē)usb存(cún)儲器,作爲電磁流量計曆史數據記錄(lù)設備。相(xiàng)應(yīng)連接(jiē)和功(gōng)能(néng)框圖如(rú)圖7所示。

3.7.電(diàn)源(yuán)電路
　　由(yóu)arm9核心闆構(gòu)建的電(diàn)磁(cí)流量計的電源部分(fèn)還是比較(jiào)複雜(zá)的,一般由開關電源(yuán)模塊實現(xiàn),其主(zhǔ)電(diàn)源爲+5v穩(wěn)壓電源,經過2組穩壓(yā)器(qì)lt1085分(fèn)别産(chǎn)生3.3v和1.8v供(gòng)給核心闆使用,3.3v和+5v供給(gěi)大部分數字電(diàn)路使用,數字電(diàn)源與模(mó)拟電源(yuán)分開且(qiě)不共地(dì),副電(diàn)源主(zhǔ)要有(yǒu)供給(gěi)d/a轉(zhuǎn)換及放(fàng)大用(yòng)的±15v,供給勵(lì)磁(cí)輸(shū)出的(de)±24v電源(yuán)等。電磁(cí)流量計(jì)的功率消耗還(hái)是比較(jiào)大(dà)的。
4.應(yīng)用系(xì)統軟件簡(jiǎn)介(jiè)
　　arm9電磁流量計(jì)的軟件系(xì)統主要考慮的(de)是核(hé)心闆(pǎn)及各(gè)個硬(yìng)件模塊的初始化(huà)設(shè)置,系統在(zài)啓動之後,通過調用底(dǐ)層(céng)的驅(qū)動程序完(wán)成核心闆與(yǔ)各個硬(yìng)件模塊之間的(de)命令(lìng)控制和數(shù)據傳送,建(jiàn)立相應的中(zhōng)斷服務(wù)子程序及(jí)中斷(duàn)向量表。采用模(mó)塊化結構建立(lì)系統程(chéng)序,電磁流量計應用系(xì)統主要由定時(shí)器中斷進(jìn)行管(guǎn)理,勵磁信号(hào)的輸出和轉換保(bǎo)持、感(gǎn)應信(xìn)号的(de)多次數據(jù)采集、流量的顯示和(hé)對外輸出等(děng)均(jun1)由定(dìng)時器(qì)的中斷服(fú)務來完成(chéng)。
5.結束(shù)語(yǔ)
　　該系統作爲高端電磁流量(liàng)計的應(yīng)用(yòng)研究(jiū),在硬(yìng)件上(shàng)采用了(le)模(mó)塊化(huà)設計方法,提高了電磁流(liú)量計(jì)的應(yīng)用(yòng)和(hé)研究(jiū)水平(píng),降低了設(shè)計難度,已(yǐ)被列入重(zhòng)大科技攻(gōng)關項目(mù)..嵌入式(shì)系統智能儀表(biǎo)開發平台(tái)的研究及其(qí)在流量儀表(biǎo)設(shè)計(jì)中的應用之(zhī)中,目前(qián)正在作(zuò)進一步的完(wán)善(shàn)和提高(gāo)。

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