摘要(yao):根據磁阻(zǔ)傳感器的(de)角位移測(cè)量原理,提(ti)出智能金(jin)屬管浮子(zǐ)流量計 的(de)設計方案(àn).該方案采(cǎi)用低功耗(hao)MCU和精度高(gāo)ADC實現對✌️流(liú)量❤️的數字(zi)✍️化采集和(he)智能控制(zhi),應用LMBP算法(fǎ)實現精度(du)高🍉的靜态(tài)特征曲線(xiàn)拟合;通過(guo)裁減TCP1IP協議(yì),在以太✍️網(wang)上實📧現了(le)流量計與(yǔ)用戶的🚶數(shù)據通信.實(shi)際運行表(biǎo)明，設計的(de)流量計🤞系(xi)統運行💯穩(wěn)定可靠.
　　金(jin)屬管浮子(zi)流量計具(jù)有耐高溫(wen)耐高壓、耐(nai)腐蝕等特(tè)🌈點🚶‍♀️,在🌐中低(dī)流速、流量(liang)的工業計(ji)量中得到(dao)了廣泛😍應(ying)用.目前🚶采(cai)用電遠傳(chuán)方式的流(liú)量計多以(yi)霍爾元件(jiàn)或電容式(shi)角位移作(zuo)爲傳感器(qi),不但結構(gou)複雜、精度(dù)較低，而且(qie)不具備以(yǐ)太網接口(kǒu)功能.本文(wén)中作者🐕應(yīng)用各向異(yi)性磁阻的(de)傳感原理(li)設計了一(yī)種能與以(yǐ)太網通信(xìn)的智能金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量計.該(gāi)流量計具(ju)有精度高(gao)、功耗低、設(she)計簡單等(deng)特點,可廣(guang)泛應用💯于(yu)工業計量(liàng),特别是💃适(shi)應了工業(yè)以太網的(de)發展需求(qiu).
1總體設計(jì)
　　金屬管浮(fú)子流量計(jì)由錐形管(guan)、内置磁鋼(gāng)的浮子以(yǐ)⭐及外置嵌(qiàn)有磁鋼的(de)機械連杆(gan)等構件組(zu)成.當流量(liang)💯變化時，浮(fú)子在錐形(xíng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管内上下(xia)移動,并由(you)磁鋼耦合(hé)帶動機械(xie)連杆旋轉(zhuǎn)-定💜角度.此(cǐ)角度與流(liu)量的大小(xiao)存在着一(yī)🐅對應的關(guan)系,隻要測(ce)出角度便(biàn)可通過對(duì)應關系求(qiu)出流量,因(yīn)此對角度(du)的正确測(ce)量是流量(liang)計設計的(de)關鍵.具體(tǐ)設計時采(cǎi)用Honeywell公司生(shēng)産的💔磁阻(zǔ)✊傳感器HMC1501實(shi)現對機械(xie)連杆角位(wei)移的正确(què)測量,選擇(ze)MSP430F449單片機作(zuo)爲MCU,采用CirrusLogic公(gōng)司生産的(de)以太網控(kong)制芯片CS8900A實(shi)⛱️現網絡互(hù)聯.系統的(de)總體設計(ji)框圖如圖(tu)1所示.
 
2HMC1501磁阻(zu)傳感器的(de)應用
2.1磁阻(zu)傳感器的(de)測量原理(lǐ)和工作特(tè)性
　　鐵磁性(xing)材料通常(chang)爲各向異(yi)性材料,當(dang)采用特殊(shū)工藝将🔴其(qí)制成薄膜(mo)狀的電阻(zǔ)元件後,便(bian)可用于感(gǎn)測周圍磁(ci)場的變化(huà).HMC1501傳感器是(shi)一種工作(zuò)在磁飽和(he)狀态下的(de)變換器件(jiàn),在此狀态(tai)下電阻對(dui)磁場的大(da)小不敏感(gǎn),僅🚶‍♀️與磁場(chǎng)的方向有(yǒu)關，利用此(ci)原理就可(ke)以感測周(zhōu)圍磁場相(xiàng)對于傳感(gǎn)器的角度(dù)變化4.圖2顯(xiǎn)示了HMC1501的磁(cí)場角度🌈和(he)輸出電壓(ya)之間的對(dui)應關系，當(dang)磁場角度(du)爲🏃-45°~+45°時輸出(chū)電壓遞減(jiǎn)且單調性(xing)好，因此将(jiang)HMC1501的🈲有效角(jiao)度範圍定(dìng)義爲±45°,在此(cǐ)範圍内分(fen)辨率小于(yú)0.07°.典型橋路(lu)的電阻和(hé)輸出電壓(yā)分别爲33kQ和(hé)-60~60mV,橋路供電(dian)電🐪壓較寬(kuan)(1~24V),當以5V供電(dian)時功耗僅(jǐn)爲0.76mW,由此可(kě)見功耗低(di)是該傳感(gǎn)器的優勢(shi)之一.該傳(chuan)感器存在(zai)零點偏置(zhi)電✌️壓,需進(jin)行補償.一(yi)般補償🈲的(de)方法可分(fèn)爲硬件補(bu)償和軟件(jiàn)補償,但硬(ying)件補償需(xū)設計📐複雜(zá)的電路,成(cheng)本較高,而(ér)軟件補償(cháng)随着MCU處理(lǐ)能力的提(ti)高得到了(le)廣泛應用(yong),本設計中(zhōng)采用軟件(jian)補償.
 
2.2傳感(gan)器檢測電(dian)路設計
　　爲(wèi)簡化傳感(gǎn)器檢測電(dian)路設計，采(cǎi)用了依靠(kao)單電源供(gòng)電💞的放大(dà)器TLC27L2,這就要(yao)求OUT+點的電(dian)位大于OUT-點(dian)的電位,否(fou)則放大器(qi)的🤩輸出就(jiù)會失真.但(dan)HMC1501的典型輸(shū)出信号在(zai).60~60mV之間,因此(ci)必🔞須在含(hán)OUT+的支路的(de)節點2和模(mó)拟地之間(jian)串接一阻(zu)值大于243Ω的(de)電阻，爲保(bao)證一定🔞的(de)冗餘度♻️,該(gai)電阻取300Ω,圖(tu)3爲簡化後(hou)的傳感器(qì)檢測電路(lu).
 
2.3LMBP算法及應(ying)用
　　智能金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量計采(cǎi)用2個HMC1501傳感(gan)器和1個溫(wen)度🐕傳感器(qì),其中2個HMC1501一(yi)個用于感(gan)測連杆磁(ci)鋼的方向(xiang)變化,另一(yī)個用于補(bǔ)償浮子磁(cí)鋼上下移(yí)動所形成(cheng)的複合磁(ci)場的影響(xiǎng),溫度傳感(gǎn)器感測HMC1501周(zhou)圍的溫度(du)并予以溫(wēn)度補償.溫(wen)度傳感器(qì)的數學模(mó)型很難用(yòng)解析式描(miao)述,傳統的(de)做法是在(zài)不同溫度(dù)下進行标(biao)定，這種做(zuo)法不但計(ji)算量大、占(zhàn)用存儲空(kong)間多,而且(qie)計❌算精度(du)不🧡高.鑒于(yu)人工神經(jīng)網絡能夠(gou)完成任意(yì)的非📱線性(xing)映射,其中(zhong)BP算🌍法(BackPropagation)具有(yǒu)以任意精(jing)度逼近任(ren)何非線性(xìng)函數的能(néng)力，而且無(wú)需事先确(que)定函數形(xíng)式，因此利(li)用BP神經網(wang)絡處理傳(chuan)感器靜态(tai)特性的非(fei)線⭕性是一(yi)種較好的(de)方法網.但(dan)實際應用(yong)時BP算法存(cún)在收斂🔞速(sù)度慢和目(mu)标函數存(cun)在㊙️局部極(ji)小等不足(zú)之處.爲此(cǐ)采用基于(yú)誤差平方(fang)和最小化(huà)的權值調(diao)整算法即(jí)Levenberg-Marquart算法作爲(wèi)對BP算法的(de)改進，稱之(zhi)爲LMBP算法.BP算(suàn)😄法以均方(fāng)誤差作爲(wei)性能函數(shù),其表達式(shì)😄爲
 
　　式中，w爲(wei)網絡的權(quán)值向量,t爲(wei)期望輸出(chū)向量(标定(dìng)值),y爲💋實際(jì)輸出向量(liang),e爲誤差向(xiàng)量.LM算法結(jie)合了梯度(dù)法和高斯(sī)-牛頓法的(de)優點，具有(you)全局性和(hé)收斂速度(dù)快的優勢(shì),并可通過(guo)對BP算❄️法的(de)修正，避免(miǎn)高斯-牛頓(dun)法中求解(jie)Hessian矩陣的問(wèn)題,減少了(le)網絡訓練(liàn)中的計算(suan)量和内存(cun)需求量.權(quan)值的調㊙️整(zhěng)公式爲
 
　　式(shi)中，μ爲正常(chang)數,I爲單位(wei)矩陣,e。爲網(wang)絡的誤差(chà)向量,J爲以(yi)網絡誤差(chà)對權值的(de)一階導數(shu)爲元素的(de)Jacobian矩陣.△w每次(cì)叠代時都(dōu)對μ進行自(zi)适應調整(zhěng),當網絡誤(wu)差減小時(shí)減小μ的值(zhí),反❌之增加(jiā)μ的值.-般🌏情(qíng)況下Jacobian矩陣(zhèn)的計算量(liàng)較大，因此(cǐ)該算法💘比(bi)較适合☁️網(wǎng)絡規模不(bú)大、網絡☎️參(can)數較少的(de)應用場合(hé)，本設計中(zhong)使用的是(shi)典型的3層(ceng)網絡結構(gou),如🈲圖4所示(shì).從圖中👨‍❤️‍👨可(kě)以看出該(gāi)網絡輸🈲入(rù)層、輸出層(ceng)、隐層的節(jie)點分别爲(wèi)3個、1個、4個,網(wang)絡規模較(jiao)小，因此使(shi)用LM算法可(kě)以取得較(jiao)好的效果(guo).
 
3以太網結(jie)構的實現(xian)
3.1TCP/IP協議的裁(cái)減
　　以太網(wǎng)中的TCP/IP協議(yi)數以百計(ji)，而嵌入式(shi)系統的資(zī)源有限,沒(mei)有必要實(shí)現全部TCP/IP協(xie)議.裁減TCP/IP協(xie)議以适應(ying)工業以太(tai)網應用的(de)要求是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(dian),但目前尚(shang)無統一的(de)裁減标準(zhun)4.在本應用(yong)中由于網(wǎng)絡的連接(jie)數和數據(ju)的傳輸量(liàng)較少，因此(cǐ)以夠用即(ji)可”爲原則(ze)，對TCP/IP協議進(jin)行合理裁(cái)減.裁減後(hòu)的協議包(bāo)括鏈路層(céng)中的CSMA/CD.ARP協議(yi)，網絡層中(zhōng)的IP協議,ICMP中(zhong)的Ping協議，傳(chuan)輸層中的(de)TCP、UDP協議以及(jí)應用層中(zhōng)的HTTP協議.
　　數(shù)據鏈路層(ceng)的主要作(zuo)用是爲其(qi)上層協議(yi)發送和接(jiē)收數據幀(zhēn),采用IEEE802.3規定(ding)的CSMA/CD協議,可(ke)使同一局(ju)域網上的(de)多台計算(suàn)機共享同(tóng)一物理傳(chuan)輸介質，隻(zhi)要采用通(tōng)用的網絡(luò)接口控制(zhi)芯片CS8900A就可(ke)實現該協(xié)議.以太網(wang).上數據的(de)傳輸是通(tōng)過網絡的(de)MAC地址進行(hang)識别的，這(zhè)就要求系(xì)統具有從(cong)IP地址轉換(huan)到MAC地址的(de)功能,即ARP(地(di)址解析)協(xié)議.網絡層(ceng)中的IP協議(yì)是TCP/IP協議族(zú)的核心協(xié)議,它使異(yi)構網絡之(zhī)間的通信(xìn)成爲可能(néng).ICMP實現與其(qi)他主機或(huo)路由器交(jiāo)換錯誤報(bào)文和其他(tā)重要信息(xi)，由于本設(she)計隻需測(ce)試網絡聯(lian)通情況，因(yīn)此隻保留(liú)了其中的(de)Ping協議.傳輸(shū)層中的TCP協(xié)議和UDP協議(yi)爲2台主機(ji)上的應用(yòng)程序提供(gòng)端到端的(de)通信.應用(yong)層中的HTTP協(xie)議實現以(yi)浏覽器訪(fang)問的方式(shi).在以，上諸(zhu)多協議中(zhong)以實現TCP協(xie)議最爲困(kun)難,受運算(suàn)資源限制(zhi)，隻能實現(xiàn)簡化的有(yǒu)限狀态機(jī)和滑動窗(chuāng)口确認機(jī)制以及單(dān)TCP連接.另外(wài),爲過濾來(lai)訪信息，确(què)保數據安(an)全還實現(xiàn)了簡易網(wǎng)絡防火牆(qiang)功能,隻允(yǔn)許某些事(shì)先設置好(hǎo)的IP地址對(duì)流量計進(jin)行訪問，有(yǒu)效減輕了(le)流量計的(de)工作負荷(he).
3.2以太網控(kong)制芯片CS8900A的(de)應用
　　CS8900A是一(yi)款性能好(hao)、低功耗的(de)以太網控(kong)制芯片,内(nei)部含有802.3介(jiè)質訪問控(kòng)制塊(MAC),支持(chí)全雙工操(cāo)作,具有自(zì)動處✍️理沖(chong)突檢🏃‍♂️測、報(bao)頭生成、CRC校(xiào)驗碼生成(chéng)及其驗證(zheng)等功能;同(tóng)時通過對(dui)🌏發送控制(zhì)寄存器(TCMD)的(de)配置,MAC可以(yǐ)完成幀的(de)自動重傳(chuan)51.設計❤️時選(xuǎn)擇3V供電的(de)CS8900A-CQ3,同時爲了(le)便于💛和MSP430F449之(zhī)間的電平(píng)匹配,在MSP430F449與(yu)❤️CS8900A之間采用(yong)圖5所示的(de)硬件🤞接口(kou)0.通過将管(guǎn)腳/MEMW和/MEMR置高(gao),使CS8900A工作在(zài)簡單的1/0模(mo)式,該模式(shì)占用🌈端口(kou)資源較少(shǎo).MSP430F449通過對/SBHE、/IOW和(he)/IOR等控制信(xin)号線實現(xiàn)對CS8900A工作方(fang)式的控制(zhi)和讀寫操(cao)作.
 
　　在設計(jì)中考慮到(dào)CS8900A芯片采用(yòng)的是16位數(shù)據傳輸模(mó)式，因此在(zai)訪問之前(qian)必須爲總(zǒng)線的高位(wèi)使能管腳(jiǎo)(1SBHE)提供--個㊙️由(you)高到低，再(zài)由低到高(gāo)變化的電(dian)平信号.CS8900A通(tong)過🧑🏾‍🤝‍🧑🏼網絡隔(ge)離變壓器(qì)TRC2023以12.5的電壓(yā)比将數據(jù)發送到網(wǎng)絡,以11的電(dian)壓比從網(wǎng)絡接收數(shu)據.CS8900A芯片的(de)初始化操(cao)作主要包(bāo)括:軟件複(fú)位并檢查(chá)标志位、設(shè)定16位工作(zuo)模式、設定(dìng)臨時以太(tai)網物理地(di)址、設定接(jiē)收幀類型(xíng)、确定數據(ju)傳送方向(xiang)❗、中斷使能(neng)以及數據(jù)收發使能(neng)等.
4結束語(yǔ)
　　利用磁阻(zu)傳感器HMC1501實(shí)現了流量(liang)計機械連(lián)杆在士45°範(fàn)🌈圍内角🔞度(du)的正确測(ce)量,并将流(liu)量計接入(ru)以太網，實(shí)現了流量(liàng)測量🔱的智(zhì)能化和網(wǎng)絡化,實際(jì)運行表明(míng)該系統工(gōng)作穩定、可(ke)靠.

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