摘要：針對用戶對高端電磁流量計的需求,提出了基于ARM9微處理器的電磁流量計硬件設(shè)計方案。ARM9微處理器可以實現(xiàn)多種勵磁方式、數(shù)據(jù)的USB存儲、以太網(wǎng)絡(luò)通信、TFT彩屏顯示等一系列的功能。對電磁流量計的測量裝置,基于ARM9核心板的模塊化電路設(shè)計作了詳細(xì)的介紹。
0引言
隨著流量檢測儀器的技術(shù)發(fā)展,對流量的測量儀器提出了更高的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的流量檢測儀器一般依據(jù)各自的測量機理,通過簡單的信息分析處理來完成測量工作。因此,在處理能力、測量精度、誤差修正、功能擴展等方面都存在著局限性。新一代流量檢測儀器將以更優(yōu)良的性能取而代之。
目前,高速、精度高、大容量的嵌入式處理器在控制和測量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍,一旦應(yīng)用到電磁流量計[1]中,使得電磁流量計的輸入信號數(shù)字濾波、歷史數(shù)據(jù)保存、輸出多種勵磁信號的變化、測量信息的特殊處理、測量結(jié)果的動態(tài)圖形顯示、人性化的管理和控制等多方面應(yīng)用,都將成為可能。尤其是新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展會使得更多基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的儀器設(shè)備得到應(yīng)用,針對電磁流量計的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換傳送,基于典型的以太網(wǎng)通訊接口也應(yīng)運而生[10]。
1.電磁流量計基本原理
電磁流量計是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量管內(nèi)流體流量的測量裝置[9],如圖1所示。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動經(jīng)過一橫向磁場B的時候,相當(dāng)于有圖1..電磁流量計原理圖一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁線,形成動生電動勢,通過管道徑向兩電極可以引出該電動勢E,其大小與磁場B、流速V和管徑D成正比,即:E=B..V..D
流體的體積流量Q與流速V和管道內(nèi)截面成正比,只要測量出兩電極之間的電動勢E,即可確定流量Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
當(dāng)勵磁電流、管道尺寸和流體密度..確定的情況下,流體的質(zhì)量流量M僅取決于對兩電極間的感應(yīng)電勢E的檢測。電磁流量計的數(shù)學(xué)模型為:
M=Coeρ(E-E0)x
其中:Coe為儀表系數(shù);E0為儀表零點修正;x為多段非線性修正。
2.AT91RM9200及核心板
AT91RM9200是Atmel公司推出的針對嵌入式應(yīng)用的工業(yè)級32位ARM9嵌入式處理器,最高工作頻率達(dá)180MHz,其功能強大、性能穩(wěn)定,非常適合高端儀表的應(yīng)用,由它構(gòu)建的核心板形成了具有豐富接口資源的基本系統(tǒng),只要擴展應(yīng)用模塊和接口即可實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。介紹AT91RM9200的文獻(xiàn)很多,這里僅給出其主要資源和特性:
內(nèi)置的10/100M以太網(wǎng)MAC控制器
5個UART通道
2個主USB口,1個從USB口,全速12Mbps
1個MCI接口,支持MCI卡或SD卡
3個同步串行控制器
6個16位定時器,一個32位實時鐘
4個SPI接口
PWM輸出
I2C接口
支持SDRAM,SRAM。Flash等
JTAG邏輯測試部件,支持軟/硬件開發(fā)
由AT91RM9200構(gòu)建的核心板集成了32M的SDRAM、2M的并行Flash、8M的串行DateFlash、以太網(wǎng)電路和復(fù)位電路,構(gòu)成了一個基本系統(tǒng),為用戶的軟件研發(fā)提供了充足的空間。處理器的大多數(shù)管腳和其它信號都通過兩個排針對外引出,為用戶提供了非常豐富的擴展資源。
由于在核心板上移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng),其豐富的軟件資源、開放性和軟件低成本使得系統(tǒng)應(yīng)用變得方便可行。
3.智能電磁流量計硬件設(shè)計
3.1電磁流量計總體結(jié)構(gòu)
電磁流量計由測量裝置和電路兩部分組成,電路部分主要由檢測輸入模塊、勵磁輸出模塊、流量輸出模塊、圖形顯示模塊、鍵盤模塊、通信及調(diào)試接口、電源模塊、以及最重要的基于ARM9嵌入式系統(tǒng)[2]的核心板組成。圖2給出了嵌入式電磁流量計的系統(tǒng)框圖。圖2嵌入式電磁流量計系統(tǒng)框圖。
系統(tǒng)經(jīng)過初始化之后,核心板向勵磁模塊輸出一數(shù)字量的勵磁信號,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和電流放大,驅(qū)動傳感器的勵磁線圈產(chǎn)生一定強度的磁場。傳感器的流速感應(yīng)電極送出微弱的感應(yīng)信號經(jīng)過輸入模塊的放大濾波處理,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入ARM9處理器,進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字分析處理。通過顯示模塊直接顯示瞬時流量、累積流量和動態(tài)流量圖形。另外由流量輸出模塊輸出4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)儀用瞬時流量信號。
3.2.輸入及A/D轉(zhuǎn)換電路
檢測輸入模塊包括差分測量放大器、低通和高通濾波器、增益放大器以及A/D轉(zhuǎn)換電路,如圖3所示。圖3輸入及A/D轉(zhuǎn)換框圖。
由于電磁流量計的電極輸出信號非常微弱,一般只有10-4V數(shù)量級,而且,工業(yè)環(huán)境非常大。因此,為了保證測量精度,送入A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號應(yīng)達(dá)到-2.5~+2.5V的范圍,其模擬部分電壓增益應(yīng)該在60dB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及雜波,放大器采用運放CA3240A完成。A/D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG[4]實現(xiàn)12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換,直接與核心板的I/O線連接如圖3所示,引腳說明和接法如下:
D0~D1112位數(shù)據(jù),接B口的PB4~PB15;
INT.中斷線,接核心板的IRQ0/PB29;
CS片選線,接核心板B口的PB22;
RD讀控制線,接核心板B口的PB16;
WR寫控制線,接核心板B口的PB17;
模擬信號輸入CH0通道。
3.3.勵磁輸出電路
智能電磁流量計的勵磁電路的任務(wù)是向勵磁線圈提供一穩(wěn)定的驅(qū)動電流。電流波形為方波、三值方波和梯形波[11]等形式,波形變化的目的是結(jié)合信號處理電路,分析在不同勵磁方式下電磁流量計的精度、零點穩(wěn)定性和抗能力等多項指標(biāo)。該電路由核心板的SPI2口輸出數(shù)字量,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換形成模擬信號,經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換激勵和帶有電流負(fù)反饋的電流放大器輸出,適合各種勵磁波形的變化。結(jié)構(gòu)框圖如圖4。D/A轉(zhuǎn)換電路采用AD7243芯片[5],實現(xiàn)12位的SPI同步串行輸入,-5~+5V的雙極性輸出。與ARM9核心板的SPI2口對接,如圖4所示。
其中引腳說明和接法如下:
SDIN串行數(shù)據(jù)輸入,接核心板的MOSI;
SCLK同步時鐘,接核心板的SPCK;
SYNC串行選擇,接核心板的NPCS2;
CLR轉(zhuǎn)換清除,接核心板I/O口的PC14;
LDAC數(shù)據(jù)鎖入啟動,接I/O口的PC15。
激勵放大器采用CA3240A運放,其特點是電源電壓高,能獲得較大的輸出動態(tài)范圍。電流放大利用兩對復(fù)合管實現(xiàn),要求管子盡可能配對。接入勵磁線圈后,引入大環(huán)路的電流負(fù)反饋,穩(wěn)定輸出勵磁電流。
3.4.流量輸出模塊
電磁流量計在實現(xiàn)測量、分析和處理的時候,除了現(xiàn)場顯示瞬時流量和累積流量以外,通常還會輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流信號。因此,該電路利用AD421轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)了流量輸出的功能。
AD421芯片[6]是一款低電壓、SPI串行輸入、16位Σ-Δ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。SPI串行輸入接核心板的SPI3口,如圖5所示。其中引腳說明和接法如下:
?
DATA串行數(shù)據(jù)輸入,接核心板的MOSI;
CLOCK同步時鐘,接核心板的SPCK;
LATCH鎖入控制,接核心板的NPCS3。
D/A轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)REFIN選用芯片提供的REFOUT2(2.5V)。電路中LV與VCC之間接0.01μF的電容,決定了由+24V的環(huán)路電源LOOPPOWER產(chǎn)生3.3V電源,+24V的環(huán)路電源LOOPPOWER經(jīng)內(nèi)部控制電流由LOOPRTN返回,形成4~20mA的電流環(huán)路。
3.5.圖形顯示模塊
由于AT91RM9200處理器未集成圖形顯示,核心板上也未提供,所以,要實現(xiàn)圖形顯示,必須構(gòu)建圖形顯示模塊。電路采用LCD控制器SID13506顯示芯片[7]實現(xiàn)彩色液晶點陣顯示和VGA標(biāo)準(zhǔn)接口。系統(tǒng)框圖如圖6所示。
SID13506是EPSON公司較新的大規(guī)模顯示控制器[8],主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng),最高支持64K真彩色。系統(tǒng)配置了1M的16位內(nèi)存、LCD接口和VGA接口。3個系統(tǒng)時鐘BUSCLK、CLKI和CLKI2受PA7和兩組可控震蕩器控制,核心板通過PA7輸出50M時鐘經(jīng)過驅(qū)動接BUSCLK,核心板通過TWI管理兩組可控震蕩器PCLK1和PCLK2。ARM9核心板與SID13506芯片引腳相連的信號如表1所列。
3.6.鍵盤、通信及調(diào)試部分電路
電磁流量計的鍵盤、通信和調(diào)試部分電路屬于嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用電路,系統(tǒng)利用ZLG7289A構(gòu)建了8×2小型鍵盤,由I/O模擬串行口建立系統(tǒng)連接,實現(xiàn)流量計的系統(tǒng)設(shè)置和按鍵數(shù)據(jù)輸入。
調(diào)試功能主要由串行調(diào)試口DCOM和JTAC標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試口構(gòu)成。其中串行調(diào)試口DCOM是由AT91RM9200處理器的DBGU單元通過SP3232E建立的,JTAG標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試口直接由核心板引出。
通信功能的建立主要是直接由核心板引出了10/100M的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口,將處理器的USART1單元通過SP3243建立了RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信口COM1,將處理器的USART2單元通過SP3481建立了RS485標(biāo)準(zhǔn)串行通信口。
另外,引出處理器的HDMA和HDPA線建立USBHOST接口,可外接USB存儲器,作為電磁流量計歷史數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。相應(yīng)連接和功能框圖如圖7所示。
3.7.電源電路
由ARM9核心板構(gòu)建的電磁流量計的電源部分還是比較復(fù)雜的,一般由開關(guān)電源模塊實現(xiàn),其主電源為+5V穩(wěn)壓電源,經(jīng)過2組穩(wěn)壓器LT1085分別產(chǎn)生3.3V和1.8V供給核心板使用,3.3V和+5V供給大部分?jǐn)?shù)字電路使用,數(shù)字電源與模擬電源分開且不共地,副電源主要有供給D/A轉(zhuǎn)換及放大用的±15V,供給勵磁輸出的±24V電源等。電磁流量計的功率消耗還是比較大的。
4.應(yīng)用系統(tǒng)軟件簡介
ARM9電磁流量計的軟件系統(tǒng)主要考慮的是核心板及各個硬件模塊的初始化設(shè)置,系統(tǒng)在啟動之后,通過調(diào)用底層的驅(qū)動程序完成核心板與各個硬件模塊之間的命令控制和數(shù)據(jù)傳送,建立相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序及中斷向量表。采用模塊化結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)程序,電磁流量計應(yīng)用系統(tǒng)主要由定時器中斷進(jìn)行管理,勵磁信號的輸出和轉(zhuǎn)換保持、感應(yīng)信號的多次數(shù)據(jù)采集、流量的顯示和對外輸出等均由定時器的中斷服務(wù)來完成。
5.結(jié)束語
該系統(tǒng)作為高端電磁流量計的應(yīng)用研究,在硬件上采用了模塊化設(shè)計方法,提高了電磁流量計的應(yīng)用和研究水平,降低了設(shè)計難度,已被列入重大科技攻關(guān)項目..嵌入式系統(tǒng)智能儀表開發(fā)平臺的研究及其在流量儀表設(shè)計中的應(yīng)用之中,目前正在作進(jìn)一步的完善和提高。
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