摘要:介紹一種基(jī)于以(yǐ)太網的(de)新(xīn)型智能金屬管浮子流量(liàng)計 的設計(jì)方案。應用磁阻(zǔ)傳感(gǎn)器(qì)測量金(jīn)屬浮子(zǐ)角位移,結合(hé)精度高a/d轉換器和低功耗(hào)mcu實現(xiàn)數字化采集和智能控制(zhì)。系統提(tí)供了電(diàn)流變(biàn)送器(qì)xtr115輸出的電流環接口(kǒu)和基于tcp/p工業簡化協(xié)議的以太(tài)網數據通信接口。結(jié)合相應的固件系統(tǒng),成功(gōng)實現(xiàn)了精度高(gāo)、低功耗(hào)的數字化流量(liàng)計。
　　金屬(shǔ)管浮子流(liú)量計(jì)具有其耐高溫(wēn)、耐高壓、耐腐蝕(shí)等特點而廣泛(fàn)應用于中小流(liú)速流量的(de)工業計量。當前(qián)一般(bān)利用霍爾元件(jiàn)感測浮(fú)子(zǐ)位置(zhì)變化或利用電(diàn)容式角(jiǎo)位(wèi)移傳感器(qì)測(cè)量機械(xiè)連杆的(de)旋轉(zhuǎn)角(jiǎo)度等(děng)原理進行(háng)設計“。電路設計複雜(zá)、功耗較大、精(jīng)度不(bú)高。一種(zhǒng)使用各向異(yì)性(xìng)磁阻(amr)傳感(gǎn)原理(lǐ),應用低功耗單(dān)片機(jī),并擁有工業以太網通信(xìn)接口的新型(xíng)智能金屬管浮子(zǐ)流量計(jì)的(de)設計(jì)方案(àn)。該流(liú)量計(jì)具(jù)有精度(dù)高、功(gōng)耗低(dī)、易于(yú)構(gòu)造測控網絡(luò)等特(tè)點,能廣泛應用(yòng)于工業計(jì)量,适(shì)合日益(yì)興起的(de)工業以太(tài)網的(de)發展(zhǎn)需求。
1總體(tǐ)設計(jì)
　　金(jīn)屬(shǔ)管浮子流量計(jì)由錐(zhuī)形管、内置磁鋼(gāng)的浮子以及(jí)外(wài)置的嵌有(yǒu)磁鋼(gāng)的機械(xiè)連杆組成。當流量變化(huà)時,浮子将在錐(zhuī)形管内.上下移(yí)動,并(bìng)由磁(cí)鋼耦合帶動機(jī)械連杆旋轉一定角度θ。流(liú)量(liàng)q和浮子移動(dòng)的(de)距離h以(yǐ)及連杆角度θ存在着相(xiàng)應的函數關系,即:
q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以(yǐ),對θ值的測量精(jīng)度直接關(guān)系到流量(liàng)的(de)測量精(jīng)度,本設計選用磁阻(zǔ)傳感器hmc1501測量θ值(zhí),可保證模(mó)拟量測量部分(fèn)的高(gāo)精(jīng)度(dù)要求。前端(duān)模(mó)數轉換(huàn)數據(jù)處理和控(kòng)制部分,選用内(nèi)部集成高精度(dù)a/d轉換器和(hé)16位硬(yìng)件乘法器(qì)的低(dī)功耗單片機msp430f449。接(jiē)口設計分爲兩(liǎng)部分:(1)由電流變送器xtr115提(tí)供标準的4~20ma電流環信号(hào);(2)應用cirulogic公司的10base-t以(yǐ)太網(wǎng)控制器cs8900a實(shí)現工(gōng)業(yè)以(yǐ)太網(wǎng)接口。總體設計(jì)框圖如圖1所示。
 
2模拟量測量及(jí)磁(cí)阻(zǔ)傳感器的應用
2.1磁阻傳感(gǎn)器測量原理和特性
　　含鐵材料(liào)的各(gè)向異(yì)性原理可感測周圍(wéi)磁場的變化,運用特(tè)殊工藝可(kě)制成薄(báo)膜狀磁阻元(yuán)件。hmc150就是以(yǐ)此原(yuán)理爲(wèi)基礎(chǔ),将四個(gè)磁阻(zǔ)元(yuán)件構成一個金(jīn)剛石(shí)狀(zhuàng)的惠斯(sī)登電橋(如圖2所(suǒ)示)。在(zài)外加磁場(chǎng)的作用下,使得通過(guò)磁阻(zǔ)的電(diàn)流發生(shēng)變化，從而在(zài)輸出端形(xíng)成差(chà)分電壓△v。
 
　　hmc1501傳(chuán)感器是一種工作在磁飽和狀态的(de)變(biàn)換器件(jiàn),此時(shí)傳感(gǎn)器對(duì)磁場大(dà)小不再(zài)敏感(gǎn),其輸(shū)出值僅和(hé)磁場方向(xiàng)有關(guān),利用此原(yuán)理就可以(yǐ)感測(cè)周圍磁場相對(duì)于傳感器的(de)角(jiǎo)度變化(huà)。hmc1501角度測(cè)量範(fàn)圍(wéi)爲±45˳，分辨(biàn)度小(xiǎo)于(yú)0.07°,傳感器和磁鐵(tiě)之間的(de)有效線性(xìng)距離爲8mm。典型電(diàn)壓應(yīng)用時(橋路(lù)激勵電壓(yā)3.3v),橋路電阻(zǔ)和輸出電(diàn)壓分(fèn)别爲4.51Ω和-55mv~+55mv,其(qí)輸入輸出(chū)特性(xìng)爲:
 
式中各(gè)變(biàn)量分别(bié)爲
v˳橋路輸出電(diàn)壓;kt與溫度(dù)相關(guān)的增益(yì);
vs橋路(lù)激(jī)勵電壓;s材料常(cháng)數;
θ磁(cí)場(chǎng)參考角(jiǎo)度;c˳制(zhì)造公差引(yǐn)起(qǐ)的偏(piān)置電壓(yā);
kt偏置(zhì)電(diàn)壓的溫(wēn)敏系數(-0.01%/℃)。
　　以(yǐ)上說(shuō)明當(dāng)溫(wēn)度變化(huà)較小(xiǎo)時,橋路輸出電壓與θ角成(chéng)正弦函(hán)數關系(xì)。而當溫度變化(huà)較大時,測(cè)量精(jīng)度會(huì)受到影響(xiǎng),其中(zhōng)橋路電阻(zǔ)溫度(dù)系數爲0.28%/℃,靈(líng)敏度溫度(dù)系數(shù)爲-3.2%/℃。所以在(zài)該設(shè)計中引入了溫度補(bǔ)償手段。
 
　　圖(tú)3表示θ角(jiǎo)和輸出電壓之間(jiān)的函(hán)數關系。另一方(fāng)面該傳感器的(de)功耗很低,由式(shì)p=vs2/r(r爲橋路電阻)可(kě)知,當(dāng)3.3v供(gòng)橋(qiáo)時功耗僅爲2.42mw,滿足低功耗(hào)設計(jì)的要求。
2.2檢(jiǎn)測電路設(shè)計和數字(zì)濾波(bō)
　　hmc1501輸出的(de)橋路信(xìn)号較小,接入a/d之前,需(xū)要進行信(xìn)号的放大和調(diào)理。設計(jì)選用典(diǎn)型差分式放大電路(lù),如(rú)圖4所示(shì)。
 
　　放大器的選擇(zé)需要(yào)滿足兩點(diǎn):第--,能夠單電源(yuán)工作(zuò),可(kě)簡化系(xì)統電源(yuán)設(shè)計;第(dì)二,較(jiào)低(dī)的(de)溫度(dù)漂移。設(shè)計(jì)中使(shǐ)用了(le)ti的低溫漂(piāo)高運放ilc27l2。由(yóu)于采(cǎi)用了單(dān)電源供(gòng)電,所以要求a點電位(wèi)始終大于(yú)b點,否則(zé)放大器的輸出就(jiù)會失真,爲(wèi)了擡升a點的電位,可以在(zài)含out+的支路中,對(duì)模拟地之間串接一個電(diàn)阻,适(shì)當的放大倍數(shù)下電阻阻(zǔ)值取(qǔ)300Ω。硬(yìng)件采用rc濾波(bō),在運(yùn)放正(zhèng)負輸(shū)入腳之間(jiān)，以及負反(fǎn)，饋回(huí)路_上(shàng)加入(rù)濾波(bō)電容(róng),通過(guò)計算(suàn)和試(shì)驗選(xuǎn)擇了容(róng)值(zhí),提高系統(tǒng)的emc性能。
　　放(fàng)大後(hòu)的信(xìn)号,經(jīng)過(guò)一-級電壓跟随器(qì),送入(rù)msp430f449單片機内部12位sar型adc進(jìn)行模數轉(zhuǎn)換。高速采(cǎi)樣和(hé)16個ad值寄存器,爲(wèi)數字(zì)濾(lǜ)波提供(gòng)了方便。運用積(jī)分算(suàn)法取得了(le)很好的效果。算(suàn)法中(zhōng)設(shè)置--定長度的時間窗口(kǒu),采樣值按(àn)時間(jiān)順序(xù)先入先出(chū)(fifo),然後取平(píng)均值(zhí)計算。系統可以(yǐ)通過軟件設置(zhì)窗口長(zhǎng)度(dù),以(yǐ)在(zài)濾波(bō)效果和測(cè)控時延之間取(qǔ)得平(píng)衡。
3系統接(jiē)口設計
3.1電流環(huán)信号(hào)(4~20ma)輸出(chū)
　　經過模數(shù)轉換和數(shù)值處理後的流(liú)量數(shù)據或控制(zhì)數據,由系統接(jiē)口提(tí)供給(gěi)外部(bù)設備。工控(kòng)環境(jìng)下,經(jīng)常(cháng)使用4~20ma電(diàn)流環輸(shū)出,設計(jì)中采(cǎi)用的xtr115是ti公(gōng)司的二線(xiàn)制電流變(biàn)送器。轉換(huàn)精度高(gāo)達(dá)±0.05%非線性誤(wù)差(chà)±0.003%。
 
　　圖5是實(shí)現流量數據到(dào)電流環的da轉換(huàn)過程。msp430單(dān)片機輸(shū)出pwm(脈(mò)寬(kuān)調制)信(xìn)号,由rc積分電路(lù)将脈沖(chòng)信号轉(zhuǎn)換成連(lián)續(xù)的電(diàn)壓信(xìn)号。--級放大(dà)後送入(rù)xtr115電流變(biàn)送器,弱電壓或(huò)電(diàn)流信号(hào)經電(diàn)流變送器xtr115放大(dà),獲得4~20ma的标(biāo)準電流環輸(shū)出。流量(liàng)或控制量值與(yǔ)電流的對應關(guān)系,由軟件(jiàn)标定(dìng)程序(xù)實現。
3.2工業(yè)以太網通信
(1)工業以(yǐ)太網應用(yòng)前(qián)景
　　以太網使(shǐ)用星型拓撲結(jié)構交換技(jì)術的(de)全雙(shuāng)工通信方式,基(jī)本消(xiāo)除了(le)由介(jiè)質(zhì)訪問控(kòng)制方式(沖(chòng)突檢(jiǎn)測載波(bō)多點訪(fǎng)問csma/cd)導緻的通信(xìn)不.确(què)定(dìng)性,滿足(zú)工(gōng)業(yè)控制領域對實(shí)時性的基(jī)本要求。同時以(yǐ)太網(wǎng)豐(fēng)富(fù)的資(zī)源和低廉的成本必将促進其(qí)在工(gōng)控領(lǐng)域的進一-步(bù)普(pǔ)及,面向工業應用的tcp/ip協議(yì)也将成爲現場總線的基(jī)礎協(xié)議(yì)。
(2)面向(xiàng)應(yīng)用裁減tcp/ip協(xié)議
　　tcp/ip協議族非(fēi)常(cháng)豐富(fù),但由于(yú)嵌入式(shì)系(xì)統(tǒng)的(de)資源有(yǒu)限,在保(bǎo)證實時(shí)、低誤碼率(lǜ)前提下對tcp/p協議進行(háng)裁減(jiǎn)以(yǐ)适應工(gōng)業(yè)以太(tài)網應用(yòng)成爲-一個(gè)研究(jiū)熱點,目前尚無(wú)統--标準公(gōng)布[4]。本(běn)設計(jì)中以(yǐ)實際(jì)應用爲背景、采(cǎi)用夠用(yòng)即可(kě)”原則,對協(xié)議簇進行.了裁(cái)減,各層(céng)分别(bié)實現的協(xié)議見表1。
 
　　表(biǎo)1中鏈路層爲其上層(céng)協議發(fā)送(sòng)和接(jiē)收數據幀,實現(xiàn)了ieee802.3所規定的csma/cd協(xié)議(yì),構(gòu)成以太網(wǎng)基本物理傳輸(shū)介質訪問方式(shì),實現該協(xié)議采用通(tōng)用的網絡(luò)接口(kǒu)控制(zhì)芯片cs8900a。爲實現網(wǎng)絡mac地址到(dào)p地(dì)址的轉(zhuǎn)換功能,加入了(le)arp地址(zhǐ)解析(xī)協議(yì)。ip協議則(zé)是tcp/p協議(yì)族的核心協議(yì),使異(yì)構網(wǎng)絡之(zhī)間的通信(xìn)成爲可能(néng)。而cmp協議隻(zhī)是ip協議的附屬(shǔ)協議,設計中(zhōng)隻(zhī)需測試網(wǎng)絡聯(lián)通情況(kuàng),故隻保(bǎo)留了png協議。tcp(傳輸(shū)控制協議)和udp(用(yòng)戶數據(jù)報協議(yì))是兩種傳輸層(céng)協議,二者建立(lì)于ip協(xié)議(yì)之，上,爲(wèi)兩台主(zhǔ)機(jī).上的(de)應用(yòng)程序提供端到端(duān)的通信。應用(yòng)層上實現(xiàn)了基于.htip協(xié)議的(de)web浏(liú)覽服務。
tcp協議(yì)的實現(xiàn)最(zuì)爲困(kùn)難。受(shòu)資(zī)源限制(zhì)，隻實現了簡化的有(yǒu)限狀态機(jī)和滑動(dòng)窗(chuāng)口機(jī)制以及單(dān)tcp連接(jiē)。
(3)以太網控(kòng)制器cs8900a
　　cs8900a内部(bù)含有802.3介質(zhì)訪問控(kòng)制(zhì)塊(mac),支持全(quán)雙(shuāng)工操作(zuò),自動處理(lǐ)沖突檢測、報(bào)頭生成(chéng)、crc校驗(yàn)碼生成和驗證功(gōng)能。通過對發送控(kòng)制寄(jì)存器(tqmd)配置,mac可(kě)以完成(chéng)幀的(de)自動(dòng)重傳功能[5]’。
　　圖6所(suǒ)示的msp430f449與cs8900a的連接采用(yòng)簡單的io模(mó)式。該(gāi)模式(shì)占用(yòng)内存(cún)資源(yuán)少,相應管腳mbmw和(hé)memr需被置高。單片機通(tōng)過/sbhe、/dw和/dr等控制信号線實現對cs8900a的(de)工作方式(shì)控制(zhì)和讀寫操作'6]。芯片使(shǐ)用中比較(jiào)重要的是初始(shǐ)化操(cāo)作,包括:軟(ruǎn)件複位并(bìng)檢查(chá)标志(zhì)位、設(shè)定工(gōng)作模(mó)式、設定臨(lín)時(shí)以太網物理(lǐ)地址、設定(dìng)接收(shōu)幀類型、确定數據傳(chuán)送(sòng)方向、中(zhōng)斷使能以及數據收(shōu)發使(shǐ)能等(děng)。
 
(4)以太網通信(xìn)測試
 
　　網絡測(cè)試環(huán)境如表2,網絡架(jià)構如(rú)圖7。各(gè)設備上電初始(shǐ)化後(hòu),都設(shè)定了mac地址(zhǐ)和ip地址(zhǐ),所(suǒ)有ip地(dì)址均爲(wèi)c類地址(zhǐ)。這樣(yàng)即可以接收以太網單播(bō)或廣播包。首先,在主(zhǔ)機.上pc機測(cè)試終端(duān)流(liú)量計的arp工作機制和(hé)實現(xiàn)情況。結果(guǒ)如圖8所示。
 
　　用(yòng)arp命(mìng)令測試(shì)主機arp高(gāo)速緩(huǎn)存(cún)中的ip和(hé)mac地址,此時(shí)隻有(yǒu)本地(dì)ip:210.29.104.1對(duì)應的mac地(dì)址00-30-85-88-8b-02;然後,用(yòng)ping.程序測試網絡上的任何(hé)一(yī)台流量計終端(duān),圖(tú)中顯(xiǎn)示對(duì)象ip:210.29.104.41的測試結果(guǒ),報文(wén)數(shù)據(jù)的往返(fǎn)時間是(shì)lms;最後，再(zài)次測試(shì)主機的arp高速緩(huǎn)存(cún),結果顯示已(yǐ)添加了對象(xiàng)終(zhōng)端的(de)ip和mac地(dì)址。測(cè)試主機和(hé)終端(duān)流量(liàng)計之間udp數(shù)據的傳輸效果。udp協議提供簡單的面向數(shù)據報的傳(chuán)輸層協議(yì)。一個簡單的udp應(yīng)用(yòng)程序如圖9所(suǒ)示。主機(jī)對(duì)終端(duān)流量計發(fā)送udp數(shù)據命令,當流量計收到(dào)"datacollection!”命(mìng)令就(jiù)回送(sòng)采集到的(de)兩路adc的電(diàn)壓(yā)信(xìn)号值。測試(shì)結果(guǒ)表明(míng)接(jiē)收和發(fā)送數據(jù)包(bāo)正确(què)率高(gāo),丢包極少(shǎo)，實現了(le)udp數(shù)據(jù)處(chù)理功能(néng)。
 
　　通過tcp簡(jiǎn)化協議實(shí)現了(le)基于http協(xié)議的終(zhōng)端流量(liàng)計web服務(wù),簡化(huà)的html網頁數(shù)據保存在mcu的片内flash存(cún)儲器中。http服(fú)務器可(kě)以(yǐ)動态(tài)實時(shí)更新數據(jù)。在浏覽器的url地(dì)址中鍵入:htp://210.29.104.41,就可(kě)以浏(liú)覽如圖10所示的頁面(miàn),網頁(yè)動态顯(xiǎn)示出采(cǎi)集到的流量(liàng)值(zhí)。
 
4結論
(1)通(tōng)過以_上方案(àn)成功(gōng)實現(xiàn)了低功耗(hào)、較低(dī)成(chéng)本智能金屬(shǔ)管浮子流量計的硬件和(hé)固件(jiàn)程序設(shè)計;
(2)簡化tcp/ip協議的以太網通信,易于(yú)構造(zào)實時、可靠的網絡測控系(xì)統,并(bìng)在實際(jì)應用中(zhōng)得到驗(yàn)證,同時(shí)也爲主機(pc)軟件(jiàn)開發(fā)提供了(le)廣(guǎng)闊的(de)空(kōng)間(jiān)。

以上(shàng)内容源(yuán)于(yú)網絡(luò)，如有侵權聯系(xì)即删除!