摘要：針(zhēn)對用戶對高端(duan)電磁流量計 的(de)需求,提出了基(jī)于ARM9微處理器的(de)電磁流量計硬(ying)件設計方案🆚。ARM9微(wēi)💯處理器可以實(shi)現多種勵磁方(fang)式、數據的USB存儲(chǔ)、以♉太網絡通信(xin)、TFT彩🎯屏顯示等一(yi)系列的功能💛。對(duì)電磁流量計的(de)測量裝置,基于(yú)ARM9核心闆的模塊(kuai)化電路設計作(zuo)了詳細的介紹(shào)。
0引言
　　随着流量(liang)檢測儀器的技(ji)術發展,對流量(liang)的測量儀器提(ti)出了更🏃‍♂️高的應(yīng)用需求。傳統的(de)流量檢測儀器(qi)一般依據🈲各自(zì)的測量機理,通(tōng)過簡單的信息(xī)分析🐇處理來完(wan)成測量工作🈲。因(yīn)此,在處理能⛱️力(lì)、測量精度☔、誤差(chà)修正、功能擴展(zhan)等方面都存在(zai)着局限性。新一(yi)代流量檢測儀(yí)器将以更優良(liáng)的性能♋取而代(dai)之。
　　目前,高速、精(jīng)度高、大容量的(de)嵌入式處理器(qi)在控制和✏️測量(liàng)領域的應用越(yuè)來越普遍,一旦(dàn)應用到電磁💋流(liu)量計[1]中,使得電(diàn)磁流量🎯計的輸(shū)入信号數字濾(lü)波、曆史數據保(bǎo)存、輸出多種勵(lì)磁信号的🌈變化(hua)、測量信息的特(te)殊處理、測量結(jie)果的動态圖形(xíng)顯示、人性化的(de)管理和控制等(deng)多方面應用,都(dou)将成爲可能。尤(you)其是新一代網(wǎng)絡技術的發展(zhǎn)會使得更多基(jī)于TCP/IP網絡📞協議的(de)儀器設備得到(dào)應用,針對電磁(ci)流量計的遠程(cheng)數據交換傳送(song),基于典型的以(yǐ)太網通訊接口(kǒu)也應運而生[10]。
1.電(diàn)磁流量計基本(ben)原理
　　電磁流量(liàng)計是依據法拉(lā)第電磁感應定(dìng)律來測量管内(nei)流體流量的測(ce)量裝置[9],如圖1所(suǒ)示。當流體在管(guan)道内流動經過(guò)一橫向磁場B的(de)時候,相當于有(you)圖1..電磁流量計(ji)原理圖一定電(dian)導率的導體在(zai)切割磁線,形成(cheng)動生電動勢,通(tong)過管道徑向兩(liang)電極可以引出(chu)該電動勢E,其大(dà)小與磁場B、流速(su)V和管徑D成正比(bǐ),即:E=B..V..D

流體的(de)體積流量Q與流(liú)速V和管道内截(jié)面成正比,隻要(yao)測量出兩電極(jí)之間的電動勢(shì)E,即可确定流量(liàng)Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
　　當勵磁電流、管(guan)道尺寸和流體(ti)密度..确定的情(qíng)況下,流體🈲的質(zhì)量流量M僅取決(jue)于對兩電極間(jiān)的感應電勢E的(de)檢測。電磁🌂流量(liang)計的數學模型(xíng)爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其中:Coe爲儀表(biǎo)系數;E0爲儀表零(líng)點修正;x爲多段(duàn)非線性修正。
2.AT91RM9200及(ji)核心闆
　　AT91RM9200是Atmel公司(sī)推出的針對嵌(qian)入式應用的工(gōng)業級32位ARM9嵌入式(shi)處理器,最高工(gōng)作頻率達180MHz,其功(gong)能強大、性能穩(wěn)定🙇🏻,非常适合⛱️高(gao)端儀表的應用(yòng),由它構建的核(hé)心闆形成了具(jù)有豐富🤞接口資(zi)源的基本系統(tǒng),隻要擴展應用(yòng)模塊和接口即(jí)可🏃‍♀️實現系統🐅應(yīng)用。介紹AT91RM9200的文獻(xian)很多,這裏僅給(gei)出其主要資源(yuán)和特性:
内置的(de)10/100M以太網MAC控制器(qi)
5個UART通道
2個主USB口(kou),1個從USB口,全速12Mbps
1個(gè)MCI接口,支持MCI卡或(huò)SD卡
3個同步串行(háng)控制器
6個16位定(ding)時器,一個32位實(shí)時鍾
4個SPI接口
PWM輸(shu)出
I2C接口
支持SDRAM,SRAM。Flash等(deng)
JTAG邏輯測試部件(jian),支持軟/硬件開(kai)發
　　由AT91RM9200構建的核(he)心闆集成了32M的(de)SDRAM、2M的并行Flash、8M的串行(háng)DateFlash、以太網🈚電路和(hé)♍複👣位電路,構成(cheng)了一個基本系(xi)統,爲用戶的軟(ruan)件研發🌍提供了(le)充足的空間。處(chu)理器的大多數(shù)管腳和其♋它信(xìn)号都通過👣兩個(ge)排針對外‼️引出(chu),爲用戶提供了(le)非常豐富的擴(kuo)展資源。
　　由于在(zài)核心闆上移植(zhi)了嵌入式Linux操作(zuò)系統,其豐富✏️的(de)軟件資源、開放(fàng)性和軟件低成(chéng)本使得系統應(ying)用變得方便可(kě)行。
3.智能電磁流(liu)量計硬件設計(ji)
3.1電磁流量計總(zǒng)體結構
　　電磁流(liu)量計由測量裝(zhuāng)置和電路兩部(bù)分組成,電路部(bu)分🐕主要由㊙️檢測(ce)輸入模塊、勵磁(ci)輸出模塊、流量(liàng)輸出模塊、圖形(xing)顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、通信及調(diào)試接口、電源模(mó)塊、以及最重要(yào)的基于ARM9嵌入式(shì)系統[2]的核心闆(pan)組成。圖2給出了(le)嵌♋入式電磁流(liú)量計的系統框(kuàng)圖。圖2嵌入式電(dian)⛱️磁流量計系統(tǒng)框圖。

　　系統經過(guò)初始化之後,核(he)心闆向勵磁模(mo)塊輸出一數🚶‍♀️字(zi)量的勵磁信号(hao),經過D/A轉換和電(dian)流放大,驅動傳(chuán)✂️感器的勵磁線(xiàn)⭐圈産生一定強(qiáng)度的磁場。傳感(gan)器的流速感應(yīng)電極送出微弱(ruò)的感應信号經(jīng)過輸入模塊的(de)放大濾波處理(li),經過A/D轉換成數(shù)字量輸入ARM9處理(li)器,進一步進行(háng)數字分析處理(li)。通過顯⭐示模塊(kuài)直接顯示瞬時(shí)流🔴量、累積流量(liang)和動态流量圖(tu)形。另外由🛀🏻流量(liang)輸出🌈模塊輸出(chu)4~20mA的标準儀用瞬(shun)時流量信号。
3.2.輸(shū)入及A/D轉換電路(lù)
　　檢測輸入模塊(kuài)包括差分測量(liang)放大器、低通和(he)高通濾波🌈器、增(zēng)益放大器以及(ji)A/D轉換電路,如圖(tu)3所示。圖3輸入及(jí)A/D轉換🍉框圖。

　　由于(yú)電磁流量計的(de)電極輸出信号(hao)非常微弱,一般(bān)✔️隻有10-4V數量級,而(er)且,工業環境非(fei)常大。因此,爲了(le)保證測量精度(dù),送入⭐A/D轉換的輸(shū)入信号應達到(dào)-2.5~+2.5V的範圍,其模拟(nǐ)部分電壓增益(yì)應該在60dB以上。其(qi)中,前置放大器(qì)采用差分輸入(rù)的儀用放大器(qì)AD620,高通濾波和低(dī)通濾波采用二(er)階有源濾波器(qì)形成帶通濾波(bō)器濾除工㊙️頻及(ji)雜波,放大器采(cǎi)用運放CA3240A完成。A/D轉(zhuan)換單元采用MAX1297AEEG[4]實(shí)現12位并行🛀🏻模數(shù)轉換,直接與核(hé)心闆的I/O線連接(jie)如圖3所示,引腳(jiao)說明和接法如(rú)下:
D0~D1112位數據,接B口(kǒu)的PB4~PB15;
INT.中斷線,接核(he)心闆的IRQ0/PB29;
CS片選線(xian),接核心闆B口的(de)PB22;
RD讀控制線,接核(hé)心闆B口的PB16;
WR寫控(kong)制線,接核心闆(pǎn)B口的PB17;
模拟信号(hao)輸入CH0通道。
3.3.勵磁(cí)輸出電路
　　智能(néng)電磁流量計 的(de)勵磁電路的任(rèn)務是向勵磁線(xian)圈提供一穩定(ding)的驅動電流。電(diàn)💰流波形爲方波(bo)、三值方波和梯(tī)形波[11]等形式,波(bō)形變化✔️的目的(de)是結合信号處(chu)理電路,分析在(zài)不同勵磁方式(shi)下電磁流量計(ji)的精度、零點穩(wěn)定🌂性和抗能力(li)等多項🔞指标。該(gai)電路由核心🌈闆(pǎn)的SPI2口輸出數字(zì)量,經過D/A轉換形(xíng)成模拟信号,經(jīng)㊙️V/I轉換激勵和🐪帶(dài)有電流負🏃‍♀️反饋(kui)的電流放大器(qì)輸出,适合各種(zhong)勵磁波形的變(biàn)化。結構框圖如(rú)圖4。D/A轉換電路采(cǎi)用AD7243芯片☎️[5],實現12位(wèi)的SPI同步串行🌐輸(shu)入,-5~+5V的雙極性輸(shu)出。與ARM9核心闆的(de)SPI2口對接,如圖4所(suǒ)示。

其中引腳說(shuō)明和接法如下(xià):
SDIN串行數據輸入(rù),接核心闆的MOSI;
SCLK同(tong)步時鍾,接核心(xīn)闆的SPCK;
SYNC串行選擇(ze),接核心闆的NPCS2;
CLR轉(zhuan)換清除,接核心(xin)闆I/O口的PC14;
LDAC數據鎖(suǒ)入啓動,接I/O口的(de)PC15。
　　激勵放大器采(cai)用CA3240A運放,其特點(diǎn)是電源電壓高(gāo),能獲🙇‍♀️得較大的(de)輸🙇‍♀️出動态範圍(wéi)。電流放大利用(yòng)兩對複合管實(shí)現,要求管子盡(jin)可能配對。接入(ru)勵磁線圈後,引(yǐn)入大環路的電(dian)㊙️流負反💯饋,穩定(ding)輸出勵磁電流(liu)。
3.4.流量輸出模塊(kuai)
　　電磁流量計在(zai)實現測量、分析(xī)和處理的時候(hòu),除了現場✨顯😘示(shi)瞬時流量和累(lei)積流量以外,通(tong)常還會輸出一(yī)個标準的4~20mA電流(liú)信号。因此,該電(dian)路利用AD421轉換電(diàn)路實現了流量(liàng)🈲輸出的功能。
　　AD421芯(xīn)片[6]是一款低電(diàn)壓、SPI串行輸入、16位(wei)Σ-Δ轉換的D/A轉換電(dian)路,具備4~20mA環🚩路📧電(dian)流輸出,支持HART通(tōng)信協議,非常适(shì)合該電路應🏃用(yòng)。SPI串行輸入接核(hé)心闆的SPI3口,如圖(tú)5所示。其中引腳(jiǎo)說明和接法如(ru)下:
?
DATA串行數據輸(shū)入,接核心闆的(de)MOSI;
CLOCK同步時鍾,接核(hé)心闆的SPCK;
LATCH鎖入控(kòng)制,接核心闆的(de)NPCS3。
　　D/A轉換的電壓基(jī)準REFIN選用芯片提(tí)供的REFOUT2(2.5V)。電路中LV與(yu)VCC之間😄接0.01μF的電🍉容(rong),決定了由+24V的環(huan)路電源LOOPPOWER産生3.3V電(dian)源,+24V的環路電源(yuan)LOOPPOWER經内部控制電(dian)流由LOOPRTN返回,形成(cheng)4~20mA的電流環路。
3.5.圖(tú)形顯示模塊
　　由(yóu)于AT91RM9200處理器未集(ji)成圖形顯示,核(he)心闆上也未提(tí)供🥰,所以,要實現(xian)圖形顯示,必須(xu)構建圖形顯示(shi)模塊。電路采用(yòng)LCD控制器SID13506顯示芯(xīn)片[7]實現彩色液(ye)晶點陣顯示和(he)VGA标準接口。系統(tǒng)框圖如圖6所示(shi)。

　　SID13506是EPSON公司較新的(de)大規模顯示控(kong)制器[8],主要應用(yong)于嵌入式系統(tong),最高支持64K真彩(cǎi)色。系統配置了(le)1M的16位内存、LCD接口(kou)和VGA接口。3個系統(tong)時鍾BUSCLK、CLKI和CLKI2受PA7和兩(liang)組可控震蕩器(qì)控制,核心闆通(tōng)過PA7輸出50M時鍾經(jing)✌️過驅動接BUSCLK,核心(xin)闆通過TWI管理兩(liǎng)組可控震🔆蕩器(qi)PCLK1和PCLK2。ARM9核心闆與SID13506芯(xin)片引腳相連的(de)信号如表1所列(liè)。

3.6.鍵盤、通信及調(diao)試部分電路
　　電(dian)磁流量計的鍵(jiàn)盤、通信和調試(shi)部分電路屬于(yú)嵌入式系✉️統🚶的(de)典型應用電路(lù),系統利用ZLG7289A構建(jian)了8×2小型鍵盤,由(yóu)I/O模拟串行口建(jian)立系統連接,實(shí)現流量計的系(xi)統設置和按鍵(jiàn)數據輸入。
　　調試(shì)功能主要由串(chuàn)行調試口DCOM和JTAC标(biao)準調試口構成(chéng)。其中串行調💃試(shì)口DCOM是由AT91RM9200處理器(qi)的DBGU單元通過SP3232E建(jiàn)立的,JTAG标準📐調試(shì)口直接由核心(xīn)闆引出。
　　通信功(gōng)能的建立主要(yào)是直接由核心(xīn)闆引出了10/100M的TCP/IP網(wang)絡⭐接口,将處理(lǐ)器的USART1單元通過(guo)SP3243建立了RS232标準串(chuan)行✂️通信口COM1,将處(chu)理器的USART2單元🔞通(tong)過SP3481建立了RS485标準(zhǔn)串行通信口。
　　另(lìng)外,引出處理器(qì)的HDMA和HDPA線建立USBHOST接(jiē)口,可外接USB存儲(chǔ)器,作爲電磁流(liu)量計曆史數據(ju)記錄設備。相應(ying)連接和功能框(kuàng)圖如圖7所示🥰。

3.7.電(diàn)源電路
　　由ARM9核心(xin)闆構建的電磁(cí)流量計的電源(yuan)部分還是比較(jiao)複雜的,一般由(you)開關電源模塊(kuài)實現,其主電源(yuan)爲+5V穩壓電源,經(jīng)過2組穩壓器LT1085分(fen)别産生3.3V和1.8V供給(gei)核心闆使用,3.3V和(he)‼️+5V供給大部分數(shu)📱字電路使用,數(shù)字電源與模拟(nǐ)電源分開且不(bu)共地,副電源主(zhu)要有供給D/A轉換(huàn)及✊放大用的±15V,供(gòng)給勵磁輸出的(de)±24V電源等。電磁流(liú)量計的💰功率消(xiāo)耗還是比較大(da)的。
4.應用系統軟(ruǎn)件簡介
　　ARM9電磁流(liú)量計的軟件系(xì)統主要考慮的(de)是核心闆及各(ge)個硬件模塊的(de)初始化設置,系(xì)統在啓動之後(hou),通過調用底層(céng)的驅動程序完(wán)成核心闆與各(ge)個硬件模塊之(zhi)間的命令控制(zhi)和數據傳送,建(jian)立相應的中斷(duàn)服務子程序及(ji)中斷向量表。采(cǎi)用模塊化結構(gou)建立系統程序(xu),電磁流量計應(ying)用系統主要由(yóu)定時器中斷進(jin)行管理,勵磁信(xin)号的輸出和轉(zhuǎn)換保持、感應信(xìn)号的多次數據(jù)采集、流量的顯(xian)示和對外輸出(chu)等均由定時器(qì)的中斷服務來(lai)完成。
5.結束語
　　該(gai)系統作爲高端(duan)電磁流量計的(de)應用研究,在硬(yìng)件上采🈲用🐕了模(mó)塊化設計方法(fa),提高了電磁流(liu)量計的應用和(hé)研究水平,降低(di)了設計難度,已(yǐ)被列入重大科(ke)技攻關項目..嵌(qian)入式系統智能(neng)儀表開發平台(tái)的🔞研究及其🙇‍♀️在(zài)流量儀表設計(ji)中的應用之中(zhong),目前正在作進(jin)一步的完善和(hé)提❗高。

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