摘(zhāi)要:介紹(shào)一種基(ji)于以太(tài)網的新(xin)型智能(neng)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計 的(de)設計方(fāng)案。應用(yong)磁阻傳(chuan)感器測(cè)量金屬(shǔ)浮子角(jiao)位移,結(jie)合精度(dù)高A/D轉換(huan)器和低(dī)功耗MCU實(shí)現數字(zi)化采集(jí)和智能(néng)控制。系(xì)統提供(gong)了電流(liú)變送器(qi)XTR115輸出的(de)電流😄環(huán)接口和(hé)基于TCP/P工(gōng)業簡化(huà)協議的(de)以太網(wang)數據通(tōng)信接口(kou)。結合相(xiàng)應的固(gù)💃件系統(tǒng),成功實(shí)現了🏃‍♂️精(jīng)度高、低(di)功耗的(de)數字化(hua)流量計(ji)。
　　金屬管(guan)浮子流(liu)量計具(jù)有其耐(nai)高溫、耐(nài)高壓、耐(nài)腐蝕等(deng)特😘點而(ér)廣泛應(yīng)用于中(zhong)小流速(su)流量的(de)工業計(jì)量。當前(qian)一般利(li)用霍爾(ěr)元件感(gǎn)測浮子(zi)位置變(biàn)化或利(lì)用電容(rong)😘式角位(wèi)移傳感(gan)器測量(liàng)機械連(lian)杆的旋(xuan)轉角度(du)等原理(lǐ)進行設(she)計“。電路(lu)設計複(fu)雜、功耗(hào)較大、精(jīng)度不高(gāo)。一種使(shǐ)用各向(xiàng)異性磁(cí)阻(AMR)傳感(gǎn)原理,應(ying)用低功(gōng)🚩耗單片(pian)機,并擁(yōng)有工業(ye)以太網(wang)通信接(jie)口的新(xīn)型智能(néng)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)🙇‍♀️設計方(fāng)案。該流(liú)量計具(jù)有精度(dù)高、功耗(hào)低、易于(yú)構造測(ce)控網絡(luo)等特點(diǎn),能廣泛(fàn)應用于(yú)工業計(ji)量,适合(he)日益興(xing)起的工(gōng)業以太(tài)網的✏️發(fa)展需求(qiu)。
1總體設(she)計
　　金屬(shu)管浮子(zǐ)流量計(jì)由錐形(xing)管、内置(zhì)磁鋼的(de)浮子以(yi)及💯外置(zhi)的嵌♌有(you)磁鋼的(de)機械連(lian)杆組成(cheng)。當流量(liang)變化時(shí),浮子将(jiang)在錐形(xing)管内.上(shàng)✔️下移動(dong),并由磁(cí)鋼耦合(he)帶動機(jī)械連杆(gan)旋轉一(yī)定角度(du)θ。流量Q和(he)浮子移(yi)動的距(jù)離h以及(jí)連杆角(jiao)度θ存在(zai)着相應(yīng)的函數(shù)關系,即(jí):
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對(dui)θ值的測(ce)量精度(dù)直接關(guan)系到流(liú)量的測(ce)量精度(du)📱,本設計(ji)選用磁(ci)阻傳感(gan)器HMC1501測量(liang)θ值,可保(bao)證模拟(ni)量測量(liang)部分的(de)高精度(du)要求。前(qián)端模數(shu)轉換數(shu)據處理(lǐ)和控制(zhì)部分,選(xuan)用内部(bu)✌️集成高(gao)精度A/D轉(zhuǎn)換器和(he)16位硬🔆件(jian)乘法器(qì)的低功(gong)耗單片(pian)機MSP430F449。接口(kou)設計分(fen)🈲爲兩部(bu)分🐇:(1)由電(diàn)流變送(sòng)器XTR115提供(gòng)标準的(de)4~20mA電流環(huan)信号;(2)應(yīng)用CiruLogic公司(si)的10BASE-T以太(tài)網控制(zhi)器CS8900A實現(xiàn)工業以(yi)👌太網接(jie)口。總體(tǐ)設計🏃‍♂️框(kuàng)圖如圖(tu)1所示。
 
2模(mó)拟量測(cè)量及磁(cí)阻傳感(gǎn)器的應(ying)用
2.1磁阻(zu)傳感器(qi)測量原(yuan)理和特(tè)性
　　含鐵(tie)材料的(de)各向異(yì)性原理(li)可感測(cè)周圍磁(cí)場的變(bian)⛱️化,運用(yong)♈特殊工(gōng)藝可制(zhi)成薄膜(mó)狀磁阻(zǔ)元件。HMC150就(jiu)是以此(cǐ)原理爲(wei)基礎,将(jiang)四個磁(ci)阻元件(jian)構成一(yi)個金剛(gang)石狀的(de)惠斯登(deng)電橋(如(ru)圖2所示(shì))。在外加(jia)磁場的(de)作用下(xià)🈲,使得通(tōng)過磁阻(zǔ)的電流(liú)發生變(bian)化，從而(ér)在輸出(chu)端形😄成(chéng)差分電(dian)壓🐕△V。
 
　　HMC1501傳感(gan)器是一(yī)種工作(zuo)在磁飽(bǎo)和狀态(tài)的變換(huàn)器件,此(ci)時傳感(gǎn)器對磁(cí)場大小(xiǎo)不再敏(mǐn)感,其輸(shū)出值僅(jǐn)和磁🔞場(chang)方向有(yǒu)⭕關,利用(yong)此原理(li)就可以(yǐ)感測周(zhōu)圍磁場(chǎng)相對于(yu)傳👉感器(qi)的角度(du)變化。HMC1501角(jiǎo)度⁉️測量(liàng)範🌐圍爲(wèi)±45˳，分辨度(du)小于0.07°,傳(chuan)感器和(he)磁鐵之(zhi)間的有(yǒu)效線性(xing)距離爲(wei)8mm。典型⭕電(dian)壓應用(yong)時(橋路(lù)激勵電(diàn)壓3.3V),橋路(lu)電阻和(he)輸出電(diàn)壓分别(bie)爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其(qí)輸入輸(shū)出特性(xìng)爲🚶:
 
式中(zhōng)各變量(liàng)分别爲(wei)
V˳橋路輸(shū)出電壓(yā);Kt與溫度(du)相關的(de)增益;
Vs橋(qiáo)路激勵(li)電壓;S材(cai)料常數(shù);
θ磁場參(can)考角度(dù);C˳制造公(gōng)差引起(qi)的偏置(zhì)電壓;
kt偏(pian)置電壓(yā)的溫敏(mǐn)系數(-0.01%/℃)。
　　以(yǐ)上說明(míng)當溫度(du)變化較(jiào)小時,橋(qiao)路輸出(chu)電壓與(yu)θ角成正(zheng)弦函數(shù)🆚關系。而(ér)當溫度(dù)變化較(jiao)大時,測(ce)量精度(dù)會受到(dao)影✂️響,其(qi)✉️中橋路(lù)電阻溫(wēn)度系數(shu)爲0.28%/℃,靈敏(min)度溫💜度(dù)系數爲(wei)-3.2%/℃。所以在(zai)該設計(ji)中引入(ru)了溫度(du)補償手(shǒu)段。
 
　　圖3表(biǎo)示θ角和(hé)輸出電(diàn)壓之間(jiān)的函數(shù)關系。另(lìng)一方面(mian)♈該傳感(gǎn)🏒器✔️的功(gong)耗很低(dī),由式P=Vs2/R(R爲(wei)橋路電(diàn)阻)可知(zhī),當3.3V供橋(qiáo)時💘功耗(hào)僅爲2.42mw,滿(man)足低功(gong)耗設計(ji)的要求(qiú)。
2.2檢測電(diàn)路設計(jì)和數字(zi)濾波
　　HMC1501輸(shu)出的橋(qiao)路信号(hào)較小,接(jiē)入A/D之前(qián),需要進(jìn)行信号(hao)的放🐕大(dà)🧡和調理(li)。設計選(xuan)用典型(xíng)差分式(shi)放大電(dian)路,如圖(tu)🈚4所示。
 
　　放(fàng)大器的(de)選擇需(xū)要滿足(zú)兩點:第(dì)--,能夠單(dān)電源工(gōng)作,可簡(jian)化系統(tǒng)電源設(she)計;第二(èr),較低的(de)溫度漂(piao)移。設計(ji)中使用(yòng)了❌TI的低(dī)溫漂㊙️高(gāo)運🛀🏻放ILC27L2。由(yóu)于采用(yong)了單電(dian)源供電(dian),所以要(yao)求A點電(diàn)位始終(zhong)大于B點(dian),否則放(fàng)大器的(de)輸出就(jiu)會失真(zhen),爲了擡(tái)🐪升A點的(de)電位,可(kě)以在含(hán)Out+的支路(lù)中,對模(mó)拟地之(zhī)間串接(jie)一個電(diàn)阻,适當(dāng)的放大(dà)倍數🤟下(xia)電阻阻(zu)值取300Ω。硬(yìng)件采用(yòng)RC濾波,在(zai)運放正(zhèng)負輸入(rù)腳之間(jian)，以及📱負(fu)反，饋回(huí)路_上加(jiā)入濾波(bo)電容,通(tong)過計算(suàn)和🐕試驗(yan)選擇了(le)容值😘,提(tí)高系統(tong)的EMC性能(néng)。
　　放大後(hou)的信号(hao),經過一(yi)-級電壓(yā)跟随器(qì),送入MSP430F449單(dān)片機内(nèi)部12位SAR型(xing)ADC進行模(mó)數轉換(huan)。高速采(cai)樣和16個(ge)AD值寄存(cún)器,爲數(shù)字濾波(bō)提供了(le)方便。運(yun)用積分(fen)算法取(qu)得了很(hen)好的效(xiào)果。算法(fǎ)中設置(zhi)--定長度(du)的時間(jiān)窗口,采(cǎi)樣值按(an)時間順(shun)序先入(ru)先出(FIFO),然(rán)後取平(ping)均值計(ji)算。系統(tǒng)可以通(tōng)過軟件(jiàn)🐪設置窗(chuang)口長度(dù),以在濾(lü)波效果(guo)和測控(kòng)時延之(zhi)間取得(dé)平衡。
3系(xì)統接口(kou)設計
3.1電(dian)流環信(xin)号(4~20mA)輸出(chū)
　　經過模(mó)數轉換(huan)和數值(zhi)處理後(hòu)的流量(liang)數據或(huò)控制數(shu)㊙️據,由系(xì)統接口(kǒu)提供給(gei)外部設(she)備。工控(kong)環境下(xià),經常使(shǐ)用4~20mA電流(liu)環輸出(chū),設計中(zhong)采用的(de)XTR115是TI公司(sī)的二線(xian)制電流(liú)變送器(qì)。轉換精(jīng)度高達(da)±0.05%非線性(xing)誤差±0.003%。
 
　　圖(tú)5是實現(xian)流量數(shu)據到電(diàn)流環的(de)DA轉換過(guò)程。MSP430單片(pian)機🔞輸♌出(chū)㊙️PWM(脈🔱寬調(diào)制)信号(hao),由RC積分(fen)電路将(jiāng)脈沖信(xin)号轉換(huàn)✊成連續(xù)的電壓(yā)信号。--級(jí)放大後(hou)送入XTR115電(diàn)流變送(song)器,弱電(diàn)壓或電(dian)流信🙇🏻号(hao)經電流(liu)變送器(qì)XTR115放大,獲(huò)得4~20mA的标(biao)準電流(liu)環輸出(chu)。流量或(huò)控制量(liàng)值與電(diàn)流的💰對(duì)應關系(xi)🌈,由軟件(jian)标定程(chéng)序實現(xiàn)。
3.2工業以(yǐ)太網通(tong)信
(1)工業(ye)以太網(wang)應用前(qian)景
　　以太(tài)網使用(yòng)星型拓(tuò)撲結構(gou)交換技(jì)術的全(quan)雙工通(tōng)信方式(shi)🈲,基本消(xiāo)除了由(yóu)介質訪(fang)問控制(zhi)方式(沖(chong)突檢💋測(cè)載波多(duō)點訪💋問(wen)CSMA/CD)導緻的(de)通信不(bu).确定性(xing),滿足工(gong)業控制(zhi)領域對(duì)實時性(xìng)的🙇‍♀️基本(běn)要🥰求。同(tong)時🤩以太(tài)網豐富(fu)的資源(yuán)和低廉(lián)的成❓本(ben)必将促(cu)進其在(zài)工控領(ling)域的進(jin)一-步普(pu)及,面向(xiang)工業應(ying)🌍用的TCP/IP協(xie)議也将(jiāng)成爲現(xian)場❌總線(xian)的基礎(chǔ)協議。
(2)面(mian)向應用(yong)裁減TCP/IP協(xié)議
　　TCP/IP協議(yì)族非常(chang)豐富,但(dàn)由于嵌(qiàn)入式系(xi)統的資(zi)源有限(xian),在保證(zheng)實時、低(di)誤碼率(lü)前提下(xià)對TCP/P協議(yì)進行裁(cai)減以适(shi)應工業(ye)✨以太網(wang)應用成(chéng)爲-一個(ge)研究熱(re)點,目前(qian)尚無統(tong)--标準公(gōng)布[4]。本設(shè)計中以(yi)實際應(yīng)用🔅爲背(bei)景、采用(yong)夠用即(jí)可”原則(ze),對協🌍議(yì)簇進行(hang).了裁減(jiǎn),各層分(fèn)别實🌈現(xian)的協議(yi)見表1。
 
　　表(biǎo)1中鏈路(lù)層爲其(qi)上層協(xié)議發送(song)和接收(shou)數據幀(zhen),實現了(le)IEEE802.3所規定(dìng)的CSMA/CD協議(yi),構成以(yi)太網基(ji)本物理(li)傳輸介(jie)質訪問(wen)方式,實(shí)現該協(xie)議采用(yòng)通用的(de)網絡接(jie)口控制(zhì)芯片CS8900A。爲(wei)實現網(wang)絡MAC地址(zhi)到P地址(zhǐ)的轉換(huàn)功能,加(jia)入了ARP地(di)址解析(xī)協議。IP協(xié)議則是(shì)TCP/P協議族(zu)的核心(xīn)協議,使(shǐ)異構網(wǎng)絡之間(jian)的通信(xin)成爲可(kě)能。而CMP協(xie)議隻是(shi)IP協議的(de)附屬協(xié)議,設計(jì)中隻需(xu)測試網(wǎng)絡聯通(tōng)情況,故(gu)隻保留(liu)了PNG協議(yì)。TCP(傳輸控(kong)制協議(yì))和UDP(用戶(hu)數據報(bao)協議)是(shi)兩種傳(chuan)輸層協(xié)議,二者(zhě)建立于(yu)IP協議之(zhī)，上,爲兩(liǎng)台主機(jī).上的應(ying)用程序(xu)提供端(duān)到端的(de)通信。應(ying)用層上(shang)實現了(le)基于.HTIP協(xie)議的WEB浏(liu)覽服務(wù)。
TCP協議的(de)實現最(zui)爲困難(nán)。受資源(yuan)限制，隻(zhī)實現了(le)簡化的(de)有限狀(zhuang)态機和(he)滑動窗(chuang)口機制(zhì)以及單(dān)TCP連接。
(3)以(yǐ)太網控(kong)制器CS8900A
　　CS8900A内(nei)部含有(you)802.3介質訪(fang)問控制(zhi)塊(MAC),支持(chí)全雙工(gōng)操作,自(zi)動處理(lǐ)沖突檢(jian)測、報頭(tóu)生成、CRC校(xiao)驗碼生(shēng)成和驗(yan)證功能(neng)。通過對(dui)發送控(kong)制寄存(cun)器(TQMD)配置(zhì),MAC可以完(wán)成幀的(de)自動💜重(zhong)傳功能(neng)[5]’。
　　圖6所示(shì)的MSP430F449與CS8900A的(de)連接采(cǎi)用簡單(dān)的IO模式(shì)。該模式(shi)占用内(nei)存資源(yuan)少📱,相應(ying)管腳MBMW和(he)MEMR需被置(zhì)高。單片(pian)機通過(guo)/SBHE、/DW和🐆/DR等控(kòng)制信号(hào)線實現(xiàn)對CS8900A的工(gong)作方式(shì)控制和(hé)讀寫操(cao)🐪作'6]。芯片(piàn)使用中(zhong)比較重(zhòng)要的是(shì)初始化(huà)操作,包(bāo)括:軟件(jian)複位并(bing)檢查标(biāo)志位、設(she)定工作(zuo)模式、設(she)定臨時(shí)以太網(wang)物理地(di)址、設定(dìng)接收幀(zhen)類型、确(que)定數據(jù)傳送方(fang)向、中斷(duan)使能🆚以(yǐ)及數據(jù)收發使(shǐ)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼能等。
 
(4)以(yi)太網通(tong)信測試(shì)
 
　　網絡測(ce)試環境(jing)如表2,網(wang)絡架構(gou)如圖7。各(ge)設備上(shàng)電初始(shǐ)化後,都(dōu)🙇‍♀️設定了(le)MAC地址和(he)IP地址,所(suǒ)有IP地址(zhi)均爲C類(lei)地址。這(zhè)🔅樣即可(ke)以接收(shou)以太網(wang)單播或(huò)廣播包(bao)。首先,在(zài)主機.上(shang)PC機測試(shi)🥵終端流(liu)量計的(de)ARP工作機(jī)制和實(shí)現情況(kuang)。結果如(ru)圖8所示(shì)。
 
　　用ARP命令(lìng)測試主(zhu)機ARP高速(sù)緩存中(zhong)的IP和MAC地(di)址,此時(shi)隻有本(ben)地IP:210.29.104.1對應(ying)的MAC地址(zhǐ)00-30-85-88-8b-02;然後,用(yòng)ping.程序測(ce)試網絡(luò)上的任(rèn)何‼️一台(tai)流量計(ji)終端,圖(tu)中顯示(shì)對象IP:210.29.104.41的(de)測試結(jie)果,報文(wén)數據的(de)往返時(shi)間是lmS;最(zuì)🍉後，再次(ci)測試主(zhǔ)機的ARP高(gao)速緩㊙️存(cun),結果顯(xiǎn)示已添(tian)加了對(duì)象終端(duan)的IP和MAC地(di)🔅址。測試(shi)主機和(he)終端流(liu)量計之(zhi)間UDP數據(ju)的傳輸(shū)效果。UDP協(xie)議提供(gòng)簡單的(de)面向數(shu)據報的(de)傳輸層(céng)協議。一(yi)個簡單(dan)🧡的UDP應用(yong)程序如(ru)圖9所示(shì)。主機對(dui)終端流(liu)量計發(fā)送UDP數據(jù)命令,當(dāng)流量計(jì)收到"DataCollection!”命(mìng)👅令就回(huí)送采集(ji)到的兩(liǎng)路ADC的電(dian)壓信号(hào)值🌂。測試(shi)結果表(biǎo)明接收(shōu)和發送(song)數據包(bāo)正确🛀率(lü)高,丢包(bāo)極少，實(shí)現了UDP數(shu)據處理(li)功能。
 
　　通(tong)過TCP簡化(huà)協議實(shi)現了基(ji)于HTTP協議(yi)的終端(duan)流量計(jì)WEB服務,簡(jiǎn)化的HTML網(wǎng)頁數據(jù)保存在(zài)MCU的片内(nei)FLASH存儲器(qi)中。HTTP服務(wu)器可以(yi)動态實(shí)時更新(xin)數據。在(zài)浏覽器(qì)的URL地址(zhi)中鍵入(ru):htp://210.29.104.41,就可以(yǐ)浏覽如(ru)圖10所示(shi)的頁面(miàn),網頁動(dòng)态顯示(shì)出采集(jí)到的流(liu)量值。
 
4結(jie)論
(1)通過(guo)以_上方(fang)案成功(gōng)實現了(le)低功耗(hao)、較低成(chéng)本智能(néng)金屬管(guǎn)浮💜子🏃🏻流(liu)量計的(de)硬件和(hé)固件程(chéng)序設計(jì);
(2)簡化TCP/IP協(xie)議的以(yǐ)太網通(tōng)信,易于(yu)構造實(shí)時、可靠(kao)的網絡(luò)測控系(xì)統☂️,并在(zai)實際應(yīng)用中得(de)到驗證(zhèng),同時也(ye)爲主機(jī)(PC)軟件開(kai)發🌐提供(gong)了廣闊(kuò)的空間(jiān)。

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