摘要：針(zhēn)對用戶(hù)對高端(duan)電磁流(liu)量計 的(de)需求,提(tí)出了基(ji)于ARM9微處(chù)理器的(de)電磁流(liu)量計硬(yìng)件設🛀🏻計(ji)方案。ARM9微(wei)處理器(qi)可以實(shi)現多種(zhong)勵磁方(fang)式、數據(ju)的USB存儲(chǔ)、以太網(wǎng)絡通信(xìn)、TFT彩屏顯(xiǎn)示等一(yī)系列的(de)功能。對(duì)電磁💛流(liu)量計的(de)測量裝(zhuāng)置,基于(yú)ARM9核心闆(pǎn)的模塊(kuài)化電路(lu)設計作(zuò)了詳細(xi)👄的介紹(shao)。
0引言
　　随(sui)着流量(liang)檢測儀(yi)器的技(ji)術發展(zhan),對流量(liang)的測量(liàng)儀器❗提(tí)出🐆了㊙️更(geng)高的應(ying)用需求(qiu)。傳統的(de)流量檢(jiǎn)測儀器(qì)一般依(yi)據各自(zi)的測量(liang)機理,通(tōng)過簡單(dan)的信息(xī)分析處(chù)理來完(wán)成測量(liang)工作。因(yin)此,在處(chu)理能力(li)、測量精(jīng)度、誤差(chà)修正、功(gong)能擴展(zhǎn)等方面(mian)都存在(zài)着局限(xiàn)性。新一(yī)🛀🏻代流量(liàng)檢測儀(yí)器将以(yi)更優良(liáng)的性能(neng)取而代(dai)之。
　　目前(qián),高速、精(jīng)度高、大(dà)容量的(de)嵌入式(shì)處理器(qì)在控制(zhì)和測量(liang)❌領域的(de)應用越(yuè)來越普(pu)遍,一旦(dàn)應用到(dao)電磁流(liú)量計[1]中(zhong),使得🏃‍♀️電(dian)磁流量(liang)計的輸(shu)入信号(hao)數字濾(lǜ)波、曆史(shi)數據保(bǎo)存✊、輸出(chu)多🌈種勵(li)磁信号(hào)的變化(hua)、測量信(xin)息的特(tè)殊✉️處理(li)、測量結(jie)果的動(dòng)🌈态圖形(xíng)顯示、人(ren)性化🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)管理和(he)控制等(deng)多方面(miàn)應用,都(dōu)将成爲(wei)可能。尤(you)其是新(xin)一代網(wǎng)絡技術(shu)的發展(zhǎn)會使得(dé)更多基(ji)于TCP/IP網絡(luò)協議的(de)儀器設(shè)備得到(dào)應🌂用,針(zhēn)對電💁磁(cí)流量計(jì)的遠程(cheng)📧數據交(jiāo)換傳送(sòng),基于典(dian)型的以(yǐ)太網通(tōng)訊接口(kǒu)也應運(yun)而生[10]。
1.電(dian)磁流量(liàng)計基本(ben)原理
　　電(diàn)磁流量(liàng)計是依(yi)據法拉(la)第電磁(cí)感應定(ding)律來測(cè)量管内(nei)🛀🏻流體🏃🏻流(liú)量的測(cè)量裝置(zhì)[9],如圖1所(suo)示。當流(liu)體在管(guan)道内📞流(liú)動經過(guò)一橫向(xiàng)磁場B的(de)時候,相(xiang)當于有(yǒu)圖1..電磁(cí)流量💋計(jì)原理圖(tú)一定電(diàn)導率的(de)導體在(zai)切割磁(ci)線,形成(chéng)動生電(diàn)動勢,通(tong)過管道(dào)徑向兩(liǎng)電極可(kě)以引出(chu)該電動(dong)勢E,其大(dà)小與磁(ci)場⁉️B、流速(sù)V和管徑(jìng)D成正比(bi),即:E=B..V..D

流體的(de)體積流(liu)量Q與流(liú)速V和管(guan)道内截(jie)面成正(zhèng)比,隻要(yao)測量出(chū)😘兩電極(jí)之間的(de)電動勢(shì)E,即可确(que)定流量(liang)Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
　　當勵磁(ci)電流、管(guan)道尺寸(cùn)和流體(ti)密度..确(què)定的情(qing)況下,流(liú)🌈體♌的質(zhi)量流量(liang)M僅取決(jue)于對兩(liang)電極間(jian)的感應(ying)電🧡勢E的(de)💋檢測。電(diàn)磁💁流量(liàng)計的數(shù)學模型(xíng)爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其中(zhōng):Coe爲儀表(biao)系數;E0爲(wei)儀表零(ling)點修正(zheng);x爲多段(duàn)非線性(xìng)修正。
2.AT91RM9200及(ji)核心闆(pan)
　　AT91RM9200是Atmel公司(sī)推出的(de)針對嵌(qiàn)入式應(yīng)用的工(gong)業級32位(wei)ARM9嵌入式(shi)🚶‍♀️處理器(qi),最高工(gōng)作頻率(lǜ)達180MHz,其功(gong)能強大(dà)、性能穩(wen)定,非常(chang)适合高(gao)端儀表(biao)的應用(yong),由它構(gou)建的核(he)心闆形(xíng)成了具(ju)有豐富(fù)接口資(zī)源的基(jī)本系統(tong)📱,隻要擴(kuo)展應用(yong)模塊和(he)接口即(ji)可實現(xiàn)系統應(ying)用。介紹(shào)AT91RM9200的文獻(xiàn)很多,這(zhè)裏僅給(gěi)出其主(zhǔ)要資源(yuan)和特性(xing):
内置的(de)10/100M以太網(wang)MAC控制器(qi)
5個UART通道(dao)
2個主USB口(kǒu),1個從USB口(kou),全速12Mbps
1個(ge)MCI接口,支(zhī)持MCI卡或(huò)SD卡
3個同(tóng)步串行(háng)控制器(qi)
6個16位定(dìng)時器,一(yi)個32位實(shí)時鍾
4個(ge)SPI接口
PWM輸(shu)出
I2C接口(kou)
支持SDRAM,SRAM。Flash等(děng)
JTAG邏輯測(ce)試部件(jiàn),支持軟(ruǎn)/硬件開(kāi)發
　　由AT91RM9200構(gou)建的核(hé)心闆集(jí)成了32M的(de)SDRAM、2M的并行(háng)Flash、8M的串行(háng)DateFlash、以太網(wǎng)✉️電路和(he)複位電(dian)路,構成(chéng)了一個(ge)基本系(xi)統,爲用(yòng)戶的軟(ruǎn)件研發(fa)提供了(le)充足的(de)空間。處(chu)理器的(de)大多數(shù)管腳和(he)其它信(xìn)号都通(tong)過兩個(gè)排針對(dui)外引出(chū),爲用戶(hù)提供了(le)非常豐(feng)富的擴(kuò)展資源(yuan)。
　　由于在(zài)核心闆(pǎn)上移植(zhí)了嵌入(rù)式Linux操作(zuò)系統,其(qí)豐富的(de)軟♊件☎️資(zī)源、開放(fàng)性和軟(ruǎn)件低成(chéng)本使得(de)系統應(yīng)用變得(dé)方便可(kě)行。
3.智能(néng)電磁流(liú)量計硬(ying)件設計(jì)
3.1電磁流(liú)量計總(zong)體結構(gòu)
　　電磁流(liú)量計由(yóu)測量裝(zhuāng)置和電(dian)路兩部(bu)分組成(chéng),電路🈲部(bu)分主要(yào)由⭐檢測(ce)輸入模(mo)塊、勵磁(ci)輸出模(mó)塊、流量(liàng)輸出模(mó)塊、圖形(xing)顯示模(mo)塊、鍵☎️盤(pán)模塊、通(tōng)信及調(diào)試接口(kǒu)、電源模(mo)❗塊、以及(jí)🥵最重要(yào)的基于(yú)ARM9嵌入式(shi)系統[2]的(de)核心闆(pǎn)組成。圖(tu)2給出了(le)嵌入式(shì)電磁流(liu)量計的(de)系統框(kuàng)圖。圖2嵌(qian)入式電(diàn)磁流量(liàng)計系統(tǒng)框圖。

　　系(xi)統經過(guo)初始化(huà)之後,核(hé)心闆向(xiàng)勵磁模(mó)塊輸出(chu)一數字(zi)量的勵(lì)磁信号(hao),經過D/A轉(zhuan)換和電(dian)流放大(dà),驅動傳(chuán)感器的(de)勵磁線(xian)🈲圈産生(sheng)一定強(qiáng)度的磁(cí)場。傳感(gan)器的流(liu)速感應(yīng)電極送(song)出微弱(ruò)的感應(yīng)信号🌈經(jing)過輸入(rù)模塊的(de)放大濾(lǜ)波處理(li),經過A/D轉(zhuǎn)換成數(shu)字量🏃‍♂️輸(shū)入ARM9處理(lǐ)🚩器,進一(yi)步進行(háng)數字分(fen)析處理(lǐ)。通過顯(xian)示模塊(kuai)直接顯(xiǎn)示瞬時(shi)流量💯、累(lèi)積流量(liàng)和動🌈态(tài)流量圖(tú)形。另外(wài)由流量(liang)輸出🈚模(mó)塊輸出(chū)4~20mA的标準(zhun)儀用瞬(shùn)時流量(liàng)信号。
3.2.輸(shu)入及A/D轉(zhuan)換電路(lu)
　　檢測輸(shu)入模塊(kuai)包括差(chà)分測量(liàng)放大器(qì)、低通和(hé)高通濾(lü)波器、增(zēng)益放大(da)器以及(ji)A/D轉換電(dian)路,如圖(tú)3所示。圖(tu)3輸入及(jí)A/D轉換框(kuàng)圖。

　　由于(yú)電磁流(liú)量計的(de)電極輸(shū)出信号(hào)非常微(wēi)弱,一般(ban)隻有10-4V數(shu)🆚量級,而(er)且,工業(yè)環境非(fei)常大。因(yīn)此,爲了(le)保證測(ce)量精度(du),送入A/D轉(zhuan)換的輸(shu)❓入信号(hào)應達到(dao)-2.5~+2.5V的範圍(wéi),其🍉模拟(nǐ)部分電(dian)壓增益(yi)應該在(zài)60dB以上。其(qí)中,前置(zhi)放大器(qi)采用差(chà)分輸入(ru)的儀❤️用(yong)放大器(qì)AD620,高通濾(lü)波和低(dī)通濾波(bo)采用二(èr)階有源(yuán)濾波器(qì)形成帶(dài)通濾波(bo)器濾除(chu)工⭕頻及(ji)雜波,放(fàng)大器采(cǎi)用運放(fàng)CA3240A完成。A/D轉(zhuǎn)換單元(yuán)采用MAX1297AEEG[4]實(shí)現12位并(bìng)行模數(shu)轉換,直(zhi)接與核(hé)心闆🌈的(de)I/O線連接(jie)如圖3所(suǒ)示,引腳(jiao)說明和(he)接法如(ru)下:
D0~D1112位數(shu)據,接B口(kǒu)的PB4~PB15;
INT.中斷(duan)線,接核(hé)心闆的(de)IRQ0/PB29;
CS片選線(xiàn),接核心(xīn)闆B口的(de)PB22;
RD讀控制(zhi)線,接核(he)心闆B口(kou)的PB16;
WR寫控(kòng)制線,接(jie)核心闆(pan)B口的PB17;
模(mó)拟信号(hào)輸入CH0通(tōng)道。
3.3.勵磁(ci)輸出電(diàn)路
　　智能(néng)電磁流(liu)量計 的(de)勵磁電(dian)路的任(ren)務是向(xiang)勵磁線(xiàn)圈提供(gong)一穩定(ding)的驅動(dòng)電流。電(dian)流波形(xing)爲方波(bō)、三值方(fang)波和梯(ti)形波[11]等(děng)形式,波(bo)形變化(huà)的目的(de)是結合(he)信号處(chu)理電路(lu),分析在(zai)不同勵(lì)磁方式(shi)下電磁(ci)流量計(jì)的精度(du)、零點穩(wěn)定性和(hé)抗能力(li)等多項(xiàng)指标。該(gāi)電路由(you)核心闆(pǎn)的SPI2口輸(shu)😘出數字(zì)量,經過(guò)D/A轉換形(xíng)成模拟(ni)信号,經(jīng)V/I轉換激(jī)勵和帶(dai)有電流(liú)負反👈饋(kui)的電流(liú)放大器(qì)輸出,适(shì)合各種(zhong)勵磁波(bo)形的變(bian)化。結🛀🏻構(gòu)框圖如(ru)圖4。D/A轉換(huan)電路采(cǎi)用AD7243芯片(pian)[5],實☔現12位(wèi)的SPI同步(bu)串行輸(shu)入,-5~+5V的雙(shuang)極性輸(shū)出。與ARM9核(hé)心闆的(de)SPI2口對接(jie),如圖4所(suo)示。

其中(zhong)引腳說(shuō)明和接(jie)法如下(xia):
SDIN串行數(shu)據輸入(ru),接核心(xīn)闆的MOSI;
SCLK同(tong)步時鍾(zhōng),接核心(xin)闆的SPCK;
SYNC串(chuan)行選擇(ze),接核心(xin)闆的NPCS2;
CLR轉(zhuan)換清除(chú),接核心(xin)闆I/O口的(de)PC14;
LDAC數據鎖(suo)入啓動(dòng),接I/O口的(de)PC15。
　　激勵放(fàng)大器采(cǎi)用CA3240A運放(fàng),其特點(dian)是電源(yuán)電壓高(gāo),能獲得(dé)💛較☂️大的(de)輸🏃🏻‍♂️出動(dong)态範圍(wei)。電流放(fang)大利用(yòng)兩對複(fú)合管實(shi)現,要求(qiu)管子盡(jin)☂️可能🌈配(pèi)對。接入(rù)勵磁線(xiàn)圈後,引(yin)📞入大環(huan)路的電(dian)流負反(fǎn)饋,穩定(ding)輸出勵(li)磁電流(liu)。
3.4.流量輸(shu)出模塊(kuai)
　　電磁流(liú)量計在(zai)實現測(ce)量、分析(xi)和處理(li)的時候(hòu),除了🚩現(xiàn)場顯示(shi)🍓瞬時流(liu)量和累(lèi)積流量(liàng)以外,通(tōng)常還會(huì)輸出一(yi)個标準(zhǔn)的4~20mA電流(liú)信号。因(yīn)此,該電(dian)路利用(yong)AD421轉換電(diàn)♋路實現(xian)⭕了流量(liang)輸出的(de)功能。
　　AD421芯(xīn)片[6]是一(yī)款低電(dian)壓、SPI串行(háng)輸入、16位(wèi)Σ-Δ轉換的(de)D/A轉換電(diàn)路,具備(bei)4~20mA環⚽路👅電(diàn)流輸出(chū),支持HART通(tōng)信協議(yi),非常适(shì)合該電(diàn)☎️路應用(yòng)。SPI串行輸(shu)入接核(he)心⚽闆的(de)SPI3口,如圖(tu)5所示。其(qi)中引腳(jiao)說明和(hé)接法如(rú)下:
?
DATA串行(hang)數據輸(shu)入,接核(he)心闆的(de)MOSI;
CLOCK同步時(shi)鍾,接核(hé)心闆的(de)SPCK;
LATCH鎖入控(kòng)制,接核(he)心闆的(de)NPCS3。
　　D/A轉換的(de)電壓基(ji)準REFIN選用(yòng)芯片提(tí)供的REFOUT2(2.5V)。電(dian)路中LV與(yǔ)VCC之間接(jiē)0.01μF的電容(rong)👣,決定了(le)由+24V的環(huan)路電源(yuán)LOOPPOWER産生3.3V電(diàn)源,+24V的環(huan)路電源(yuan)LOOPPOWER經内部(bu)控制電(dian)流由LOOPRTN返(fǎn)回,形成(chéng)4~20mA的電流(liu)環路。
3.5.圖(tú)形顯示(shi)模塊
　　由(you)于AT91RM9200處理(lǐ)器未集(ji)成圖形(xing)顯示,核(hé)心闆上(shàng)也未提(tí)供🈲,所以(yǐ),要實現(xian)🆚圖形顯(xiǎn)示,必須(xu)構建圖(tú)形顯示(shì)模塊。電(dian)路采用(yong)LCD控制器(qì)SID13506顯示芯(xīn)片[7]實現(xiàn)彩色液(yè)晶點陣(zhen)顯示㊙️和(he)VGA标準接(jie)口。系統(tǒng)框圖如(ru)圖6所示(shì)。

　　SID13506是EPSON公司(si)較新的(de)大規模(mo)顯示控(kong)制器[8],主(zhǔ)要應用(yòng)于嵌入(rù)♌式🔴系統(tǒng),最高支(zhi)持64K真彩(cǎi)色。系統(tǒng)配置了(le)1M的16位内(nei)存😄、LCD接口(kǒu)和VGA接口(kou)。3個系統(tong)時鍾BUSCLK、CLKI和(hé)CLKI2受PA7和兩(liang)組可控(kong)震蕩器(qì)控制,核(he)心闆通(tong)過PA7輸出(chū)👄50M時鍾經(jing)過驅動(dòng)接BUSCLK,核心(xīn)闆通💋過(guo)TWI管理兩(liang)組可控(kong)震蕩器(qi)PCLK1和PCLK2。ARM9核💜心(xīn)闆與SID13506芯(xin)片引腳(jiao)相連的(de)信号如(ru)👨‍❤️‍👨表1所列(lie)。

3.6.鍵盤、通(tōng)信及調(diao)試部分(fèn)電路
　　電(dian)磁流量(liang)計的鍵(jian)盤、通信(xin)和調試(shì)部分電(diàn)路屬于(yú)嵌入式(shi)⚽系統的(de)🛀🏻典型應(ying)用電路(lù),系統利(lì)用ZLG7289A構建(jian)了8×2小型(xíng)鍵盤,由(you)I/O模拟串(chuàn)行口🚶建(jiàn)立系統(tǒng)連接,實(shí)現流量(liàng)計的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻系(xì)統設💁置(zhi)和按💞鍵(jian)數據輸(shū)入。
　　調試(shì)功能主(zhu)要由串(chuàn)行調試(shi)口DCOM和JTAC标(biāo)準調試(shi)口構成(chéng)。其中🏃‍♂️串(chuan)行調⛱️試(shì)口DCOM是由(yóu)AT91RM9200處理器(qì)的DBGU單元(yuán)通過SP3232E建(jian)立的,JTAG标(biāo)準調試(shì)口直接(jie)由核心(xin)闆引出(chu)。
　　通信功(gōng)能的建(jiàn)立主要(yào)是直接(jie)由核心(xīn)闆引出(chu)了10/100M的TCP/IP網(wǎng)絡接口(kou),将處理(li)器的USART1單(dan)元通過(guò)SP3243建立了(le)RS232标準串(chuan)行通信(xin)口COM1,将處(chù)理器的(de)USART2單元通(tong)過SP3481建立(li)了RS485标準(zhǔn)串行通(tōng)👌信口。
　　另(lìng)外,引出(chū)處理器(qì)的HDMA和HDPA線(xiàn)建立USBHOST接(jiē)口,可外(wài)接USB存儲(chǔ)器☀️,作爲(wei)👣電磁流(liú)量計曆(lì)史數據(ju)記錄設(she)備。相應(ying)連接和(he)功能框(kuang)圖‼️如圖(tu)7所示。

3.7.電(diàn)源電路(lu)
　　由ARM9核心(xīn)闆構建(jian)的電磁(ci)流量計(jì)的電源(yuan)部分還(hái)是比較(jiào)複雜的(de),一般由(you)開關電(dian)源模塊(kuai)實現,其(qi)主電源(yuan)爲+5V穩壓(ya)電源,經(jīng)過2組穩(wen)壓器LT1085分(fèn)别産生(sheng)3.3V和1.8V供給(gěi)核心闆(pan)使用,3.3V和(hé)+5V供給大(dà)🈚部分數(shù)字電路(lu)💰使用,數(shù)字電源(yuán)與模拟(ni)電源分(fèn)開且不(bú)共地,副(fu)電源🔞主(zhu)要有供(gong)✊給D/A轉換(huàn)及💋放大(da)用的±15V,供(gòng)給勵磁(ci)輸出的(de)±24V電源等(deng)。電磁流(liú)量計的(de)💘功率消(xiao)耗還是(shi)比較大(dà)的。
4.應用(yong)系統軟(ruan)件簡介(jie)
　　ARM9電磁流(liu)量計的(de)軟件系(xi)統主要(yào)考慮的(de)是核心(xīn)闆及各(gè)個硬件(jiàn)模塊的(de)初始化(huà)設置,系(xi)統在啓(qi)動之後(hou),通過調(diao)用底層(ceng)的驅動(dòng)程序完(wán)成核心(xin)闆與各(ge)個硬件(jiàn)模塊之(zhī)間的命(mìng)令控制(zhi)和數據(jù)傳送,建(jian)立相應(yīng)的中斷(duan)服務子(zi)程序及(jí)中斷向(xiang)量表。采(cǎi)用模塊(kuài)化結構(gou)建立系(xì)統程序(xu),電磁流(liu)量計應(ying)用系統(tǒng)主要由(yóu)定時器(qì)中斷進(jìn)行管理(li),勵磁信(xìn)号的輸(shu)出和轉(zhuǎn)換保持(chi)、感應信(xìn)号的多(duō)次數據(ju)采集、流(liu)量的顯(xian)示和對(duì)外輸出(chu)等均由(you)定時器(qi)的中斷(duan)服務來(lai)完成。
5.結(jié)束語
　　該(gai)系統作(zuò)爲高端(duān)電磁流(liu)量計的(de)應用研(yan)究,在硬(yìng)件上✍️采(cai)🈚用了模(mó)塊化設(she)計方法(fǎ),提高了(le)電磁流(liu)量計的(de)應用🔞和(hé)研究水(shuǐ)平,降㊙️低(dī)了設計(jì)難度,已(yǐ)被列入(ru)重大科(ke)技攻關(guan)項目..嵌(qiàn)入式🤩系(xi)統智能(néng)儀表開(kāi)發平台(tái)的研究(jiū)及其在(zai)流量儀(yi)♍表設計(jì)中的應(ying)用之中(zhong),目前正(zhèng)在作進(jìn)一步的(de)完善和(hé)提高。

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