摘要:根(gēn)據磁阻(zǔ)傳(chuán)感器(qì)的角位移測(cè)量原理,提(tí)出(chū)智能(néng)金屬管(guǎn)浮(fú)子流(liú)量計 的(de)設計方案.該(gāi)方案采用(yòng)低功耗mcu和精度(dù)高adc實(shí)現對流量(liàng)的數字化采集(jí)和智能(néng)控制,應(yīng)用lmbp算法實現精(jīng)度高的靜(jìng)态特(tè)征曲(qǔ)線拟(nǐ)合;通(tōng)過裁減tcp1ip協議,在以太(tài)網上實現(xiàn)了(le)流量計與用(yòng)戶的數據通信(xìn).實際運(yùn)行(háng)表明(míng)，設計(jì)的流(liú)量計系統(tǒng)運行穩定可靠.
　　金屬管浮子流(liú)量計具有(yǒu)耐高溫(wēn)耐(nài)高壓(yā)、耐腐(fǔ)蝕等特點,在中(zhōng)低流速、流(liú)量(liàng)的工業計量(liàng)中得到(dào)了(le)廣泛應用(yòng).目(mù)前采用電遠傳方式的流量(liàng)計多以霍(huò)爾(ěr)元件或(huò)電容(róng)式角(jiǎo)位移(yí)作爲(wèi)傳感器,不(bú)但結(jié)構複(fú)雜(zá)、精度較(jiào)低，而且不具備以(yǐ)太網接口功(gōng)能.本文(wén)中作(zuò)者應用(yòng)各向(xiàng)異性磁阻的傳感原(yuán)理設(shè)計了一種(zhǒng)能與(yǔ)以太網通(tōng)信的智能金屬管浮子流量計(jì).該流量計具有(yǒu)精度高、功耗低(dī)、設計簡單等特(tè)點,可廣(guǎng)泛(fàn)應(yīng)用(yòng)于工業(yè)計量,特(tè)别是适(shì)應了工業以太網的發(fā)展需求.
1總體設(shè)計
　　金屬(shǔ)管(guǎn)浮子(zǐ)流量計由錐形(xíng)管、内(nèi)置磁鋼的(de)浮子以及(jí)外置(zhì)嵌有磁鋼(gāng)的機(jī)械連杆等構件(jiàn)組成.當流(liú)量變(biàn)化時，浮子在錐(zhuī)形管(guǎn)内上下移(yí)動,并由磁(cí)鋼耦(ǒu)合帶(dài)動機械連(lián)杆旋轉-定(dìng)角度.此角度與流量的大(dà)小存(cún)在着一對(duì)應的關系(xì),隻要測出角度便可通過(guò)對應(yīng)關系求出流量,因此(cǐ)對角度的正确(què)測量(liàng)是流(liú)量計設計的(de)關鍵.具體設(shè)計時采用(yòng)honeywell公司生産的磁(cí)阻(zǔ)傳感器hmc1501實現對機械連(lián)杆角位移的正确測量,選擇msp430f449單(dān)片機作(zuò)爲(wèi)mcu,采用cirruslogic公司(sī)生産的以(yǐ)太網控制(zhì)芯片(piàn)cs8900a實現網(wǎng)絡互聯(lián).系統的總體設(shè)計框圖如圖1所(suǒ)示.
 
2hmc1501磁阻傳感器的應(yīng)用(yòng)
2.1磁阻傳(chuán)感器的測量原理和(hé)工作特性(xìng)
　　鐵磁性(xìng)材料通常爲(wèi)各(gè)向(xiàng)異性(xìng)材料,當采用特(tè)殊工(gōng)藝(yì)将其(qí)制(zhì)成薄膜狀(zhuàng)的電(diàn)阻元件後,便可(kě)用于(yú)感測周圍(wéi)磁場(chǎng)的(de)變化.hmc1501傳(chuán)感器(qì)是一種工(gōng)作在(zài)磁(cí)飽和狀态下的變(biàn)換器(qì)件,在(zài)此狀(zhuàng)态下(xià)電阻對磁場的(de)大小不敏感,僅與磁場的(de)方向有關，利(lì)用此原理就可(kě)以(yǐ)感測周圍磁場(chǎng)相對(duì)于傳(chuán)感器的(de)角(jiǎo)度變(biàn)化4.圖(tú)2顯示(shì)了hmc1501的磁(cí)場角度(dù)和輸出電壓之(zhī)間的對(duì)應關系(xì)，當磁(cí)場角度爲(wèi)-45°~+45°時輸出電(diàn)壓遞(dì)減且單調性好，因此将hmc1501的有效(xiào)角度(dù)範圍定義(yì)爲±45°,在此範圍内(nèi)分辨(biàn)率小(xiǎo)于0.07°.典(diǎn)型橋(qiáo)路的(de)電阻(zǔ)和輸(shū)出電壓分(fèn)别(bié)爲33kq和-60~60mv,橋路供(gòng)電電壓較(jiào)寬(1~24v),當以5v供電(diàn)時(shí)功耗(hào)僅爲(wèi)0.76mw,由(yóu)此(cǐ)可見功耗低是該傳感器的(de)優勢之(zhī)一.該傳(chuán)感器存在零點(diǎn)偏(piān)置電(diàn)壓,需進行補償.一般(bān)補(bǔ)償的方(fāng)法可分(fèn)爲硬件(jiàn)補償和軟件(jiàn)補償,但硬件(jiàn)補償(cháng)需設計複雜的電路(lù),成(chéng)本(běn)較高,而軟件補償随(suí)着mcu處理能力的提高得到了廣(guǎng)泛應用,本設計(jì)中采(cǎi)用軟件補(bǔ)償.
 
2.2傳感器檢測(cè)電路(lù)設計
　　爲簡(jiǎn)化傳感器檢測電路(lù)設(shè)計，采用了依靠單電源(yuán)供電的放大器(qì)tlc27l2,這就要求(qiú)out+點的(de)電位(wèi)大于out-點的(de)電位,否則(zé)放大(dà)器的輸出就會(huì)失真.但hmc1501的(de)典型(xíng)輸出信号在(zài).60~60mv之(zhī)間,因此必(bì)須在(zài)含out+的支路的節(jiē)點2和(hé)模拟(nǐ)地之間(jiān)串(chuàn)接一阻值(zhí)大于243Ω的(de)電阻(zǔ)，爲(wèi)保證一(yī)定(dìng)的冗餘度,該電(diàn)阻取300Ω,圖3爲(wèi)簡化後的(de)傳感器(qì)檢(jiǎn)測電路.
 
2.3lmbp算法(fǎ)及應用(yòng)
　　智能金屬管浮(fú)子流量(liàng)計(jì)采用(yòng)2個hmc1501傳感器(qì)和1個(gè)溫度傳感器,其(qí)中2個hmc1501一個(gè)用(yòng)于(yú)感測連(lián)杆磁鋼(gāng)的方向變化,另(lìng)一個(gè)用于補償(cháng)浮子磁鋼上下移動所形成(chéng)的(de)複合磁場的影(yǐng)響,溫(wēn)度(dù)傳(chuán)感器感測hmc1501周圍(wéi)的溫(wēn)度(dù)并(bìng)予(yǔ)以溫度(dù)補償.溫度傳(chuán)感器的數學(xué)模型很難用解(jiě)析式(shì)描述(shù),傳(chuán)統(tǒng)的做法是在(zài)不同溫(wēn)度下進行标定(dìng)，這種做法(fǎ)不但(dàn)計算(suàn)量(liàng)大、占用(yòng)存儲(chǔ)空(kōng)間多,而且計算(suàn)精度不(bú)高.鑒于(yú)人工神經網絡能夠完(wán)成任意的非線性映射,其中bp算(suàn)法(backpropagation)具有以任意(yì)精度逼近任何(hé)非線性(xìng)函(hán)數的(de)能力，而(ér)且無需事先(xiān)确定函數(shù)形式(shì)，因(yīn)此利用(yòng)bp神經網(wǎng)絡(luò)處理傳感器靜(jìng)态特性的(de)非線(xiàn)性是(shì)一種(zhǒng)較好的方(fāng)法網.但實際應用時bp算法(fǎ)存在(zài)收斂(liǎn)速(sù)度(dù)慢和(hé)目标(biāo)函(hán)數存在(zài)局部極(jí)小(xiǎo)等不(bú)足之(zhī)處(chù).爲(wèi)此采(cǎi)用基于(yú)誤差平方和(hé)最小(xiǎo)化的(de)權值調整(zhěng)算法(fǎ)即levenberg-marquart算(suàn)法(fǎ)作爲對(duì)bp算(suàn)法(fǎ)的改(gǎi)進，稱(chēng)之爲lmbp算法.bp算法以均方(fāng)誤(wù)差作(zuò)爲性能(néng)函數,其(qí)表達式爲
 
　　式中(zhōng)，w爲(wèi)網絡的權值(zhí)向量,t爲期望輸(shū)出向量(标定值(zhí)),y爲實(shí)際(jì)輸(shū)出向量,e爲誤差(chà)向量(liàng).lm算法結合了梯(tī)度法和高(gāo)斯-牛(niú)頓法的優(yōu)點，具有全局(jú)性(xìng)和收(shōu)斂速(sù)度(dù)快的優勢,并可(kě)通(tōng)過對(duì)bp算法的修正(zhèng)，避(bì)免高斯-牛頓法(fǎ)中求解hessian矩陣的問題,減少(shǎo)了網(wǎng)絡訓練中的計(jì)算量(liàng)和内存(cún)需(xū)求量.權(quán)值的調整公(gōng)式爲
 
　　式中(zhōng)，μ爲正(zhèng)常數,i爲單(dān)位(wèi)矩陣,e。爲網絡(luò)的誤差(chà)向量,j爲(wèi)以網(wǎng)絡誤(wù)差對(duì)權值的(de)一階導數爲元素的jacobian矩(jǔ)陣(zhèn).△w每次叠代時(shí)都對μ進行自适(shì)應調整,當網絡(luò)誤差減(jiǎn)小時減(jiǎn)小μ的(de)值(zhí),反(fǎn)之增加μ的值.-般情況(kuàng)下jacobian矩(jǔ)陣的(de)計算(suàn)量較大，因(yīn)此該(gāi)算法比較适合網絡規模不大(dà)、網絡(luò)參數較少(shǎo)的應用場合(hé)，本(běn)設計中使(shǐ)用的(de)是典(diǎn)型的3層網(wǎng)絡結構,如圖4所示.從圖中可以(yǐ)看出該網(wǎng)絡(luò)輸入層(céng)、輸(shū)出層、隐層的節(jiē)點分别爲3個(gè)、1個、4個(gè),網絡(luò)規(guī)模較小(xiǎo)，因此使用(yòng)lm算法可以(yǐ)取得較好的效(xiào)果.
 
3以太(tài)網結構的實現
3.1tcp/ip協議的(de)裁減
　　以(yǐ)太網中(zhōng)的tcp/ip協(xié)議數以百(bǎi)計，而嵌入式系(xì)統的資源有限,沒有(yǒu)必要實現(xiàn)全部(bù)tcp/ip協議.裁減(jiǎn)tcp/ip協議以(yǐ)适應工業以(yǐ)太網(wǎng)應用的要(yào)求是當前(qián)的一個研(yán)究熱(rè)點,但(dàn)目(mù)前尚無(wú)統一的裁(cái)減标(biāo)準4.在(zài)本(běn)應用中(zhōng)由于網(wǎng)絡的連(lián)接數和數據的(de)傳(chuán)輸量較(jiào)少，因(yīn)此以夠用即可(kě)”爲原則，對(duì)tcp/ip協議(yì)進行合理裁減.裁減(jiǎn)後的協議包括鏈(liàn)路(lù)層中(zhōng)的csma/cd.arp協議，網絡層(céng)中的ip協議(yì),icmp中的(de)ping協議，傳輸層中的tcp、udp協(xié)議以及應(yīng)用(yòng)層(céng)中的(de)http協議(yì).
　　數據鏈路層的(de)主要作(zuò)用(yòng)是爲(wèi)其上(shàng)層(céng)協議發(fā)送和(hé)接收數據(jù)幀,采用ieee802.3規定的(de)csma/cd協議,可使同一局域網上的多(duō)台計算機共享同一物理傳輸介質，隻要(yào)采用通用的(de)網絡接(jiē)口控制芯片cs8900a就(jiù)可實(shí)現(xiàn)該協議.以太(tài)網.上數據(jù)的(de)傳(chuán)輸是通過(guò)網絡的mac地(dì)址進行識别的(de)，這就(jiù)要求系統(tǒng)具有(yǒu)從ip地址(zhǐ)轉換到mac地址的功(gōng)能,即(jí)arp(地址解析(xī))協議(yì).網絡層中(zhōng)的ip協(xié)議是tcp/ip協(xié)議(yì)族的(de)核心協議,它使(shǐ)異構網絡之間(jiān)的通信成(chéng)爲可(kě)能.icmp實(shí)現與其他(tā)主機或路(lù)由器(qì)交換錯誤報文和(hé)其他重(zhòng)要信(xìn)息，由于本設(shè)計(jì)隻需(xū)測試網絡聯通情況(kuàng)，因此隻保(bǎo)留了其中(zhōng)的(de)ping協(xié)議.傳輸層(céng)中的(de)tcp協議(yì)和udp協(xié)議爲2台(tái)主(zhǔ)機上(shàng)的應用程序提供端到端(duān)的通(tōng)信.應用層(céng)中的(de)http協議實現以浏覽器訪問的方(fāng)式.在以，上諸多(duō)協議中以實現(xiàn)tcp協議最爲困難(nán),受運算(suàn)資(zī)源限(xiàn)制，隻能實現簡(jiǎn)化的(de)有限狀态機和滑動窗口(kǒu)确(què)認(rèn)機制(zhì)以及(jí)單tcp連(lián)接(jiē).另(lìng)外,爲(wèi)過濾來訪(fǎng)信息(xī)，确保數據安全(quán)還實現了(le)簡易(yì)網絡防火牆功(gōng)能,隻允許某些事先設置(zhì)好的(de)ip地址對流量計(jì)進行(háng)訪問(wèn)，有效(xiào)減輕了流(liú)量計(jì)的工(gōng)作負荷.
3.2以(yǐ)太網控(kòng)制芯片(piàn)cs8900a的應用(yòng)
　　cs8900a是一款(kuǎn)性能好、低功耗(hào)的(de)以太(tài)網控制(zhì)芯片,内部含有(yǒu)802.3介質(zhì)訪問(wèn)控制(zhì)塊(mac),支持全(quán)雙工(gōng)操作,具有自動(dòng)處理沖突檢測(cè)、報頭生成(chéng)、crc校驗碼生成及其驗(yàn)證等功(gōng)能;同時(shí)通過對發送控(kòng)制寄存器(tcmd)的配(pèi)置,mac可(kě)以完成幀(zhēn)的自(zì)動(dòng)重傳51.設(shè)計時(shí)選(xuǎn)擇3v供電的cs8900a-cq3,同(tóng)時爲了便(biàn)于和(hé)msp430f449之(zhī)間(jiān)的電(diàn)平匹(pǐ)配,在msp430f449與cs8900a之(zhī)間采用圖(tú)5所示(shì)的硬(yìng)件接口0.通(tōng)過将(jiāng)管腳/memw和/memr置高,使(shǐ)cs8900a工作在簡(jiǎn)單的1/0模式(shì),該模式占用(yòng)端(duān)口資(zī)源較少(shǎo).msp430f449通(tōng)過對(duì)/sbhe、/iow和/ior等(děng)控制(zhì)信号(hào)線實(shí)現對cs8900a工作(zuò)方式(shì)的(de)控(kòng)制(zhì)和(hé)讀寫操作(zuò).
 
　　在設計中考(kǎo)慮到cs8900a芯(xīn)片采用的(de)是16位(wèi)數據傳輸模式(shì)，因此在訪問之(zhī)前必須爲(wèi)總線(xiàn)的高位(wèi)使(shǐ)能管(guǎn)腳(1sbhe)提供--個由高(gāo)到低，再由低到(dào)高變化的(de)電平信号.cs8900a通過網絡隔離變(biàn)壓(yā)器trc2023以(yǐ)12.5的電(diàn)壓比将數(shù)據發送到網絡(luò),以11的電壓比從(cóng)網絡接收(shōu)數據.cs8900a芯片(piàn)的(de)初始化(huà)操作主要(yào)包括:軟件複(fú)位并檢(jiǎn)查标(biāo)志位、設定16位工作模式、設(shè)定臨(lín)時(shí)以太網(wǎng)物理地址、設定(dìng)接收幀類型、确(què)定數據傳送方向、中(zhōng)斷使(shǐ)能以及數據(jù)收(shōu)發使(shǐ)能等.
4結束語
　　利(lì)用磁阻傳(chuán)感器(qì)hmc1501實現了(le)流量(liàng)計(jì)機械連杆(gǎn)在士(shì)45°範圍内(nèi)角(jiǎo)度的(de)正确(què)測量,并将(jiāng)流量計接入以(yǐ)太網，實現了流量測(cè)量的(de)智能(néng)化和網絡(luò)化,實(shí)際運(yùn)行表明該(gāi)系統工作(zuò)穩定(dìng)、可靠.

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