基于ARM9的網(wǎng)絡(luò)儀表電磁流量計(jì)

基于ARM9的網(wǎng)絡(luò)儀表電磁流量計(jì)
   摘要: 傳統(tǒng)的流量檢測(cè)儀器一般只具有較為簡(jiǎn)單的信息分析處理能力, 其測(cè)量精度、功能擴(kuò)展等方面都存在著一定的局限性, 已不能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的測(cè)量與控制的需要。以ARM 嵌入式微處理器為核心, 定制嵌入式Linux 操作系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)采用以太網(wǎng)技術(shù)支持TCP / IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制電磁流量計(jì), 實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化, 有利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)準(zhǔn)確的液體流量檢測(cè)與控制。
   關(guān)鍵詞: 電磁流量計(jì); 嵌入式系統(tǒng); 網(wǎng)絡(luò)儀表
   1.. 電磁流量計(jì)測(cè)量原理
   電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)量管內(nèi)流體流量的測(cè)量裝置, 如圖1所示。當(dāng)流體在管道內(nèi)流過(guò)一個(gè)橫向磁場(chǎng)B 的時(shí)候, 相當(dāng)于有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁線, 形成動(dòng)生電動(dòng)勢(shì), 通過(guò)管道徑向兩電極可以引出該電動(dòng)勢(shì)E, 其大小與磁場(chǎng)B、流速v 和管徑D 成正比, 即E = B vD ( 1) 流體的體積流量Q 與流速v和管道內(nèi)截面成正比, 只要測(cè)量出兩電極之間的電動(dòng)勢(shì)E, 即可確定流量Q: Q = v..D2 /4= ..DE /( 4B ) ( 2) 在勵(lì)磁電流、管道尺寸和流體密度..確定的情況下, 流體的質(zhì)量流量?jī)H取決于對(duì)兩電極間的感應(yīng)電勢(shì)E 的檢測(cè)。電磁流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型為M = Co e..(E - E0 ) x ( 3) 式中: C oe為儀表系數(shù); E 0 為儀表零點(diǎn)修正; x 為多段非線性修正。
   2.. 網(wǎng)絡(luò)儀表電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
   網(wǎng)絡(luò)儀表智能電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要由檢測(cè)輸入模塊、勵(lì)磁輸出模塊、圖形顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、電源模塊、信號(hào)輸出模塊、通信模塊、以及ARM 9嵌入式系統(tǒng)及存儲(chǔ)模塊組成。圖2為嵌入式電磁流量計(jì)的系統(tǒng)框圖。ARM 嵌入式系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化之后, 向勵(lì)磁模塊輸出一數(shù)字量的勵(lì)磁信號(hào), 經(jīng)過(guò)D /A 轉(zhuǎn)換和電流放大, 驅(qū)動(dòng)傳感器的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)。傳感器的流速感應(yīng)電極送出微弱的感應(yīng)信號(hào), 經(jīng)過(guò)輸入模塊的放大濾波處理, 經(jīng)過(guò)A /D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入ARM 9處理器, 進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字分析處理。通過(guò)顯示模塊直接顯示瞬時(shí)流量、累積流量和動(dòng)態(tài)流量圖形。由通信模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互和控制。另外, 由信號(hào)輸出模塊輸出4 ~ 20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)儀用瞬時(shí)流量信號(hào)。
   2. 1.. 微控制器3SC2410及存儲(chǔ)模塊
   系統(tǒng)的核心部分采用ARM9 微控制器3SC2410設(shè)計(jì)。采用了3C2410芯片作為硬件平臺(tái)的處理器, 該芯片采用ARM 920T微處理器作為控制器內(nèi)核, 其在高性能和低功耗方面表現(xiàn)良好, 它采用5級(jí)流水線, 支持協(xié)處理器、片上調(diào)試和MMU 等技術(shù)。內(nèi)核運(yùn)行速度高達(dá)203M, 并集成了LCD、USB 、NAND F1ash、SD H ost、MMC、觸摸屏等接口控制器, 對(duì)嵌入式Linux 操作系統(tǒng)良好的支持等, 可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜度。S3C2410支持包括ROM /SRAM /Flash、DRAM /SDRAM 和外部I /O 3類(lèi)存儲(chǔ)空間, 可支持8位/16位/32位的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。系統(tǒng)采用2 片HY29LV I60 芯片并聯(lián)構(gòu)建32 位的ROM / Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)。HY29LV160 是2MB 容量的Flash芯片, 有16位數(shù)據(jù)線, 可以8位或16位方式工作。系統(tǒng)采用2 片8MB 容量的SDRAM 芯片K4S641632F, 構(gòu)建32 位的DROM /SDRAM 存儲(chǔ)器系統(tǒng)。另外, 系統(tǒng)還配置了1 片具有512 字節(jié)存儲(chǔ)容量的EEPROM X504, 通過(guò)串行方式與S3C2410 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 用以存儲(chǔ)控制電磁流量計(jì)的實(shí)時(shí)參數(shù)。
   2. 2.. 勵(lì)磁輸出電路
   勵(lì)磁電路的任務(wù)是向勵(lì)磁線圈提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流, 包括圖2所示的D /A轉(zhuǎn)換電路、V / I轉(zhuǎn)換激勵(lì)和電流放大器。電流波形為方波、三值方波和梯形波等形式, 波形變化的目的是結(jié)合信號(hào)處理電路, 分析在不同勵(lì)磁方式下電磁流量計(jì)的精確度、零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗力等多項(xiàng)指標(biāo)。該電路由S3C2410 輸出數(shù)字量, 經(jīng)過(guò)D /A 轉(zhuǎn)換形成模擬信號(hào), 經(jīng)V / I轉(zhuǎn)換激勵(lì)和帶有電流負(fù)反饋的電流放大器輸出, 適合各種勵(lì)磁波形的變化。D /A轉(zhuǎn)換電路采用AD7243 芯片, 得到- 5、+ 5 V 的雙極性輸出。激勵(lì)放大器采用CA3240A 運(yùn)放, 其特點(diǎn)是電源電壓高, 能獲得較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍。電流放大利用兩對(duì)復(fù)合管實(shí)現(xiàn), 要求管子盡可能配對(duì)。接入勵(lì)磁線圈后, 引人大環(huán)路的電流負(fù)反饋, 穩(wěn)定輸出勵(lì)磁電流。
   2. 3.. 檢測(cè)信號(hào)輸入模塊
   檢測(cè)輸入模塊包括信號(hào)放大濾波及A /D轉(zhuǎn)換電路, 信號(hào)放大濾波包括差分測(cè)量放大器、低通和高通濾波器、增益放大器。由于電磁流量計(jì)的電極輸出信號(hào)非常微弱, 一般只有幾個(gè)mV, 而且工業(yè)環(huán)境干擾非常大。為了保證測(cè)量精度, 送入A /D轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)應(yīng)達(dá)到- 2.. 5~ + 2..5 V, 其模擬部分電壓增益應(yīng)該在60 dB以上。其中, 前置放大器采用差分輸入的儀用放大器AD620, 高通濾波和低通濾波采用二階有源濾波器形成帶通濾波器濾除工頻干擾及雜波, 放大器采用運(yùn)放CA3240A完成。A /D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG 實(shí)現(xiàn)12 位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
   2. 4.. 顯示和鍵盤(pán)輸入
   圖形顯示模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)圖形顯示。SID13506是大規(guī)模顯示控制器, 主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng), 支持64K 真彩色。系統(tǒng)配置了1M 的16 位內(nèi)存、LCD 接口和VGA接口。電路采用LCD 控制器SID13506顯示芯片實(shí)現(xiàn)彩色液晶點(diǎn)陣顯示和VGA標(biāo)準(zhǔn)接口。系統(tǒng)具有鍵盤(pán)輸入功能, 提供6 個(gè)操作鍵: 啟動(dòng)/停止鍵、復(fù)位鍵、功能鍵、確認(rèn)鍵、增一鍵、減一鍵, 實(shí)現(xiàn)儀表的設(shè)置、操作等功能。系統(tǒng)用3SC2410的通用I /O 口P10、P11、P12 作為鍵盤(pán)的行掃描線, P13、P14、P15作為列值輸入線, 構(gòu)成一個(gè)3 .. 3的矩陣式鍵盤(pán)。
   2. 5.. 以太網(wǎng)接口電路
   網(wǎng)絡(luò)儀表電磁流量計(jì)的通信功能主要采用以太網(wǎng)的形式。3SC2410內(nèi)嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器, 支持CSMA /CD協(xié)議, 全雙工模式下支持IEEE802. 3MAC控制層協(xié)議。系統(tǒng)采用一片物理層接口器件RTL8201組成以太網(wǎng)的接口電路, 該器件主要包括物理編碼子層、物理媒體附件、雙絞線物理媒體子層、10NBASETX 編碼/等。3SC2410和RTL8201都提供M.. 接口, 信號(hào)定義明確, 連接較簡(jiǎn)單。3SC2410的MAC 控制器通過(guò)MDC /MDIO管理接口可控制多達(dá)31 個(gè)RTL8201。RTL8201 的信號(hào)發(fā)送和接收端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ45接口可接入傳輸媒體。
   2. 6.. 信號(hào)輸出模塊
   電磁流量計(jì)在實(shí)現(xiàn)測(cè)量、分析和處理的時(shí)候, 除了現(xiàn)場(chǎng)顯示瞬時(shí)流量和累積流量以外, 還會(huì)輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4 ~ 20 mA 電流信號(hào)。該電路利用AD421轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了流量輸出的功能。AD421芯片是一款低電壓、SPI串行輸入、16位.. - .. 轉(zhuǎn)換的D /A 轉(zhuǎn)換電路, 具備4~ 20mA環(huán)路電流輸出, 支持HART通信協(xié)議, 非常適合該電路應(yīng)用。
   2. 7.. 電源電路
   由ARM 9構(gòu)建的電源部分比較復(fù)雜, 一般由開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn), 其主電源為+ 5 V穩(wěn)壓電源, 經(jīng)過(guò)2組穩(wěn)壓器LT1085分別產(chǎn)生3.. 3 V 和1..8 V供給微控制器模塊使用, 3.. 3 V 和+ 5 V 供給大部分?jǐn)?shù)字電路使用, 數(shù)字電源與模擬電源分開(kāi)且不共地, 副電源主要有供給D /A轉(zhuǎn)換及放大用的.. 15 V, 供給勵(lì)磁輸出的.. 24 V電源等。電磁流量計(jì)的功率消耗還是比較大的。
   3.. 網(wǎng)絡(luò)控制儀表的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
   對(duì)嵌入式Linux 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā), 采用宿主機(jī)和開(kāi)發(fā)板結(jié)合, 在交叉編譯環(huán)境下進(jìn)行的方法。首先在運(yùn)行L inux操作系統(tǒng)的宿主機(jī)上搭建交叉編譯環(huán)境, 接下來(lái)將引導(dǎo)加載程序、L inux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)的可執(zhí)行映像依次存放在系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備上。該系統(tǒng)采用的存儲(chǔ)設(shè)備是64M 的NAND F lash, 所用到的所有開(kāi)發(fā)工具和源碼包含在M IZI軟件開(kāi)發(fā)套件中, 它是專為S3C2410 芯片開(kāi)發(fā)的配套軟件。
   3. 1.. 系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)儀表電磁流量計(jì)的應(yīng)用軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤(pán)處理、以太網(wǎng)通信等程序, 主程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并且可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)各種控制算法程序使用于不同的對(duì)象控制。
圖3.. 主程序流程圖
   3. 2.. 以太網(wǎng)通信
   網(wǎng)絡(luò)控制智能電磁流量計(jì)的一個(gè)重要功能是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信。Linux 提供了*的網(wǎng)絡(luò)支持, 用一系列相互連接層的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)In ternet協(xié)議地址族。它由專門(mén)處理BSD socket的通用套接字管理軟件來(lái)處理, 受INET socket層支持, 為基于IP的協(xié)議TCP和UDP提供端到端傳輸管理。系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器的模式, 利用套接字socket實(shí)現(xiàn)通信。網(wǎng)絡(luò)通信的程序分為客戶程序和服務(wù)器程序, 這里客戶指的是控制儀表系統(tǒng), 服務(wù)器指上位PC機(jī)。客戶機(jī)數(shù)據(jù)流通信過(guò)程如圖4 所示。采用網(wǎng)絡(luò)通信, 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ), 大量數(shù)據(jù)由服務(wù)器( PC機(jī))端進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理, 更多的工作由服務(wù)器完成, 大大簡(jiǎn)化控制儀表的軟硬件設(shè)備, 使資源的配置得到更合理的利用。
   4.. 結(jié)束語(yǔ)
   傳統(tǒng)的流量檢測(cè)儀器在處理能力、測(cè)量精度、誤差修正、功能擴(kuò)展等方面都存在著局限性。文中采用ARM 9嵌入式系統(tǒng)芯片S3C2140, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)儀表電磁流量計(jì)的硬件、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和圖4.. 以太網(wǎng)通信流程圖開(kāi)發(fā), 所研發(fā)的儀表不再是功能單一的控制儀表, 而是融合網(wǎng)絡(luò)通信、智能控制、人機(jī)交互、圖形顯示等技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了智能化的網(wǎng)絡(luò)儀表, 提高了電磁流量計(jì)的應(yīng)用和研究水平。
   參考文獻(xiàn): [ 1 ] .. 丁紀(jì)凱, 陳環(huán). 基于ARM 的網(wǎng)絡(luò)控制儀表的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn). 機(jī)電一體化, 2007 ( 2) : 57- 61. [ 2 ] .. 王天軍, 鄒偉華, 張宏建. 基于ARM 9內(nèi)核的嵌入式電磁流量計(jì). 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2006( 1) : 58 - 62. [ 3 ] .. 徐辰, 張宏建. 基于M SP430單片機(jī)的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì). 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2005 ( 6) : 66 - 67. [ 4 ] .. 張宏建, 蒙建波. 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004. [ 5 ] .. 凌志浩. 智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù). 上海: 華東理工大學(xué)出版社, --擴(kuò)展閱讀：開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站：