摘要:介紹一(yi)種基于以太網的(de)新型智能金屬管(guan)浮子流量計 的設(shè)計方案。應用磁阻(zǔ)傳感器測量金屬(shǔ)浮子角位移,結合(he)精♊度高A/D轉換器和(hé)低功耗MCU實現數字(zi)化采集和智能控(kòng)制。系統提供了電(dian)流變送器XTR115輸出的(de)電流環接口和基(jī)于TCP/P工業簡化協議(yi)的以太㊙️網數據通(tong)信接口。結合相應(ying)的固件系統,成功(gong)實現了🔞精度高、低(dī)功耗的數字化流(liu)量計。
　　金屬管浮子(zi)流量計具有其耐(nai)高溫、耐高壓、耐腐(fǔ)蝕等特點而廣泛(fàn)應用于中小流速(sù)流量的工業計量(liàng)。當前一般利用霍(huo)爾元件感測浮子(zi)位置變化或利用(yong)電容式角位移傳(chuan)感☂️器測量機械連(lián)杆的旋轉角度等(děng)原理進行設計“。電(diàn)路設計複雜、功耗(hao)較大、精度不高。一(yi)種使用各向異性(xìng)磁阻(AMR)傳感原理,應(ying)用低功🌈耗單片機(jī),并擁有工業以太(tài)網通信接口的新(xin)型智能金屬管浮(fu)子流量計的設計(ji)方案。該流量計具(jù)有精度高、功耗低(dī)、易于構造測控網(wǎng)絡等✏️特點,能廣泛(fan)應用于工業計量(liang),适合日益興起的(de)工業以太網的🐪發(fa)展需求。
1總體設計(jì)
　　金屬管浮子流量(liàng)計由錐形管、内置(zhi)磁鋼的浮子以及(jí)外置⭐的嵌有磁鋼(gāng)的機械連杆組成(chéng)。當流量變化時,浮(fu)子将在錐🔆形管内(nèi).上下移動,并由磁(cí)鋼耦合帶👅動機械(xie)❓連杆旋轉一定角(jiǎo)度θ。流量Q和浮子移(yi)動的距離h以及連(lian)📱杆角度θ存在着相(xiang)應的函數關系,即(ji):
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對θ值的測量(liang)精度直接關系到(dao)流量的測量精📱度(du),本設計選用磁阻(zu)傳感器HMC1501測量θ值,可(ke)保證模拟量測量(liang)部分🍉的高♍精度要(yao)求。前端模數轉換(huan)數據處理和控制(zhi)部分,選用内部集(jí)成高精度A/D轉換器(qi)和16位硬件乘法器(qì)的低功耗單片機(jī)MSP430F449。接口設計分❗爲兩(liǎng)部分👉:(1)由電流變送(sòng)器XTR115提供标準的4~20mA電(diàn)流環信号;(2)應用CiruLogic公(gong)司的10BASE-T以太網控制(zhì)器CS8900A實現工業以太(tài)網接口。總體設計(ji)框圖如圖1所示。
 
2模(mo)拟量測量及磁阻(zǔ)傳感器的應用
2.1磁(cí)阻傳感器測量原(yuan)理和特性
　　含鐵材(cái)料的各向異性原(yuán)理可感測周圍磁(ci)場的變化,運用✨特(te)殊工藝可制成薄(báo)膜狀磁阻元件。HMC150就(jiù)是以此原理爲基(jī)礎,将四個磁阻元(yuán)件構成一個金剛(gang)石狀的惠斯登電(dian)✔️橋(如圖2所示)。在外(wai)加磁場的作用下(xia),使得通過磁阻的(de)電流發生變化，從(cong)而在輸出端形💚成(cheng)差分電壓😍△V。
 
　　HMC1501傳感器(qì)是一種工作在磁(cí)飽和狀态的變換(huan)器件,此時傳感器(qì)對磁場大小不再(zai)敏感,其輸出值僅(jǐn)和磁場方向有關(guān),利🧑🏽‍🤝‍🧑🏻用此🛀原理就可(kě)以感測周圍磁場(chang)相對于傳感器的(de)角度變化。HMC1501角度測(ce)量範圍爲±45˳，分辨度(du)小于0.07°,傳感器和磁(cí)鐵之間的有效線(xian)性距離爲8mm。典型🏃🏻‍♂️電(diàn)壓應用時(橋路激(ji)勵電壓3.3V),橋路電阻(zǔ)和輸出電壓😍分别(bié)爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其輸入輸出(chū)特性爲:
 
式中各變(biàn)量分别爲
V˳橋路輸(shu)出電壓;Kt與溫度相(xiang)關的增益;
Vs橋路激(ji)勵電壓;S材料常數(shu);
θ磁場參考角度;C˳制(zhi)造公差引起的偏(pian)置電壓;
kt偏置電壓(ya)的溫敏系數(-0.01%/℃)。
　　以上(shang)說明當溫度變化(huà)較小時,橋路輸出(chū)電壓與θ角成正弦(xián)函數關系。而當溫(wen)度變化較大時,測(cè)量精度🔞會受到影(yǐng)響,其中橋路電阻(zǔ)溫度系數爲0.28%/℃,靈敏(mǐn)度溫度系數爲-3.2%/℃。所(suo)以在該設🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計中引(yin)入了溫度補償手(shou)段。
 
　　圖3表示θ角和輸(shū)出電壓之間的函(han)數關系。另一方面(mian)該傳感器的功耗(hao)很低,由式P=Vs2/R(R爲橋路(lù)電阻)可知,當3.3V供橋(qiáo)時功耗僅爲2.42mw,滿足(zu)🔆低功耗設計的要(yào)求。
2.2檢測電路設計(jì)和數字濾波
　　HMC1501輸出(chū)的橋路信号較小(xiǎo),接入A/D之前,需要進(jìn)行信号的放🏃🏻‍♂️大和(he)調理。設計選用典(diǎn)型差分式放大電(diàn)路,如圖4所示📞。
 
　　放大(dà)器的選擇需要滿(mǎn)足兩點:第--,能夠單(dān)電源工作,可簡化(huà)系統電源設計;第(dì)二,較低的溫度漂(piāo)移。設計中使🙇🏻用了(le)TI的低溫漂高運❤️放(fang)ILC27L2。由于采用了單電(diàn)源供電,所以要求(qiu)A點電位始終大于(yú)B點,否則放大器的(de)輸出就會失真,爲(wèi)了擡升A點的電位(wei),可以在🌂含Out+的支路(lu)中,對模拟地之間(jian)串接一個電阻,适(shì)當的放大倍數⚽下(xia)電阻阻值🈲取300Ω。硬件(jian)采用RC濾波💜,在運放(fang)正負輸入腳之間(jian)，以及負反，饋回路(lù)_上加入濾波電容(rong),通過計算和試驗(yan)選擇了容值❗,提高(gao)系統的EMC性能。
　　放大(da)後的信号,經過一(yi)-級電壓跟随器,送(song)入MSP430F449單片機🍓内部12位(wèi)👣SAR型ADC進🏃‍♀️行模數轉換(huan)。高速采樣和16個AD值(zhi)寄存器,爲數字濾(lǜ)波提🌈供了方便👨‍❤️‍👨。運(yùn)用積分算法取得(de)了很好的效✌️果。算(suan)法中設置✊--定長度(dù)的時間窗口,采樣(yang)值按時間順序先(xiān)入先出(FIFO),然後取平(ping)均值計算。系統可(ke)以通過軟件設置(zhi)窗口長度,以在濾(lü)波效果和測控時(shi)延之間取得平衡(héng)。
3系統接口設計
3.1電(diàn)流環信号(4~20mA)輸出
　　經(jīng)過模數轉換和數(shu)值處理後的流量(liang)數據或控制數⭐據(ju),由系統接口提供(gòng)給外部設備。工控(kong)環境下,經常使用(yòng)4~20mA電流環輸出,設計(jì)中采用的XTR115是TI公司(si)的二線制電流變(biàn)送器。轉換精度高(gao)達±0.05%非線性誤差±0.003%。
 
　　圖(tú)5是實現流量數據(jù)到電流環的DA轉換(huan)過程。MSP430單片機輸出(chū)PWM(脈💔寬調制)信号,由(you)RC積分電路将脈沖(chòng)信号轉換成連續(xù)的電壓信号。--級放(fang)大後送入XTR115電流變(bian)送器,弱電壓或電(dian)流信号經電流變(biàn)送器XTR115放大♊,獲得4~20mA的(de)标準電流環輸出(chu)。流量或控制量值(zhi)📱與電流的🌈對應關(guān)系,由軟件标定📞程(chéng)序實現。
3.2工業以太(tài)網通信
(1)工業以太(tài)網應用前景
　　以太(tai)網使用星型拓撲(pu)結構交換技術的(de)全雙工通信方🔞式(shì)🈲,基本消除了由介(jie)質訪問控制方式(shì)(沖突檢測載波多(duo)點訪問CSMA/CD)導👨‍❤️‍👨緻的通(tong)信不.确定性,滿足(zu)工業控制領⭐域對(duì)實時性的基本要(yao)💃求。同時以太網豐(feng)富的資源和低廉(lian)的成本必将促進(jin)其在工控領域的(de)💞進一-步普及,面向(xiàng)工業應用的TCP/IP協議(yì)也将成爲現場✏️總(zǒng)線的基礎協議。
(2)面(miàn)向應用裁減TCP/IP協議(yì)
　　TCP/IP協議族非常豐富(fù),但由于嵌入式系(xì)統的資源有限,在(zai)保證🥰實時、低誤碼(mǎ)率前提下對TCP/P協議(yi)進行裁減以适應(ying)工業以太♌網應用(yòng)成爲-一個研究熱(re)點,目前尚🔞無統--标(biao)✂️準公布[4]。本設計♊中(zhong)以實🔴際應用爲背(bèi)景、采用夠用即可(kě)”原則,對協議簇進(jin)行.了裁減,各層分(fen)别實現的協議見(jian)表1。
 
　　表1中鏈路層爲(wèi)其上層協議發送(sòng)和接收數據幀,實(shí)現了IEEE802.3所規定的CSMA/CD協(xié)議,構成以太網基(ji)本物理傳輸介質(zhì)訪問方式,實現該(gāi)協議采用通用的(de)網絡接口控制芯(xīn)片CS8900A。爲實現網絡MAC地(di)址到P地址的轉換(huàn)功能,加入了ARP地址(zhǐ)解析協議。IP協議則(zé)是TCP/P協議族的核心(xin)協議,使異構網絡(luò)之間的通信成爲(wèi)可能。而CMP協議隻是(shì)IP協議的附屬協議(yi),設計中隻需測試(shì)網絡聯通情況,故(gù)隻保留了PNG協議。TCP(傳(chuan)輸控制協議)和UDP(用(yong)戶數據報協議)是(shi)兩種傳輸層協議(yì),二者建立于IP協議(yi)之，上,爲兩台主機(ji).上的應用程序提(ti)供端到端的通信(xìn)。應用層上實現了(le)基于.HTIP協議的WEB浏覽(lan)服務。
TCP協議的實現(xiàn)最爲困難。受資源(yuán)限制，隻實現了簡(jiǎn)化❓的有限狀态機(ji)和滑動窗口機制(zhi)以及單TCP連接。
(3)以太(tài)網控制器CS8900A
　　CS8900A内部含(han)有802.3介質訪問控制(zhì)塊(MAC),支持全雙工操(cāo)作,自動👈處理沖❗突(tu)♌檢測、報頭生成、CRC校(xiao)驗碼生成和驗證(zheng)功能💰。通過對發📧送(song)控制寄🏃‍♂️存器(TQMD)配置(zhì),MAC可以完成幀的自(zì)動😍重傳功㊙️能[5]’。
　　圖6所(suo)示的MSP430F449與CS8900A的連接采(cai)用簡單的IO模式。該(gāi)模式占用内存資(zī)👣源少,相應管腳MBMW和(he)MEMR需被置高。單片機(ji)通過/SBHE、/DW和/DR等控制信(xin)号線實現對CS8900A的工(gōng)作方式控制和讀(dú)寫操作'6]。芯片使用(yòng)中比較重要的是(shi)💃初始化操作,包括(kuò):軟件複位并檢查(cha)标志位、設定工作(zuò)模式、設定臨時以(yǐ)👌太網物理地💔址、設(she)定接收🔞幀類型、确(què)定數據傳送方向(xiàng)、中斷使能以及數(shu)據收發使能等。
 
(4)以(yi)太網通信測試
 
　　網(wǎng)絡測試環境如表(biao)2,網絡架構如圖7。各(ge)設備上電初始化(hua)後,都設定了MAC地址(zhǐ)和IP地址,所有IP地址(zhi)均爲C類地址。這樣(yàng)即可以接收以太(tài)網單播或廣播包(bāo)。首先,在主機.上PC機(jī)測試終端流量計(ji)的ARP工作機🐪制和實(shi)現情況。結果如圖(tu)8所示。
 
　　用ARP命令測試(shì)主機ARP高速緩存中(zhong)的IP和MAC地址,此時隻(zhī)有本🐕地IP:210.29.104.1對應的MAC地(di)址00-30-85-88-8b-02;然後,用ping.程序測(ce)試網絡上的任何(he)一台流量計終端(duan),圖🈲中顯示對象IP:210.29.104.41的(de)測試結果,報文數(shu)據的🈲往返時🔞間是(shi)lmS;最後，再次測試主(zhu)機的ARP高速緩存,結(jié)果顯示已添加🔞了(le)對象終🈲端的IP和MAC地(dì)🤟址。測試主機和終(zhōng)端流量計之間UDP數(shu)☔據的傳輸效果。UDP協(xie)議提供簡單的面(miàn)向數據報的傳輸(shū)層協議。一個簡單(dān)的UDP應用程序如圖(tú)9所示。主機對終端(duan)流量計發送UDP數據(jù)命令,當流量計收(shōu)到"DataCollection!”命令就回送采(cai)集到的兩路ADC的電(diàn)壓信号值。測試結(jie)果表明接收和發(fā)送數據包正确率(lü)高,丢包極少，實現(xian)了UDP數據處理功能(néng)。
 
　　通過TCP簡化協議實(shí)現了基于HTTP協議的(de)終端流量計WEB服務(wù),簡化的HTML網頁數據(jù)保存在MCU的片内FLASH存(cún)儲器中。HTTP服務器可(ke)以動态實時更新(xin)數據。在浏覽器的(de)URL地址中鍵入:htp://210.29.104.41,就可(kě)以浏覽如圖10所示(shì)的頁面,網頁動态(tai)顯示出采集到的(de)流量值。
 
4結論
(1)通過(guò)以_上方案成功實(shi)現了低功耗、較低(di)成本智能金屬管(guǎn)浮⭕子流量計的硬(ying)件和固件程序設(she)計;
(2)簡化TCP/IP協議的以(yǐ)太網通信,易于構(gou)造實時、可靠的網(wang)絡🤞測控系❤️統,并在(zài)實際應用中得到(dào)驗證,同時也爲主(zhu)機⭐(PC)軟件開發提供(gong)了廣☎️闊的空間。

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