摘要：針(zhēn)對用戶(hu)對高端(duān)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(liú)量計硬(ying)件📱設計(jì)⛹🏻‍♀️方案。ARM9微(wēi)處理器(qi)可以實(shí)現多種(zhong)勵磁方(fang)式、數據(ju)的USB存儲(chu)、以太網(wang)絡通📱信(xin)、TFT彩屏顯(xiǎn)示等一(yi)系列的(de)功能。對(duì)電磁流(liu)量計的(de)測量裝(zhuāng)置,基于(yu)ARM9核心💞闆(pǎn)的模塊(kuai)化電路(lu)設計作(zuò)了詳細(xì)的介紹(shào)。
0引言
　　随(sui)着流量(liàng)檢測儀(yí)器的技(jì)術發展(zhǎn),對流量(liàng)的測量(liàng)儀器提(ti)出❗了👨‍❤️‍👨更(geng)高的應(yīng)用需求(qiu)。傳統的(de)流量檢(jian)測儀器(qi)一般依(yī)據各自(zi)的測量(liàng)機理,通(tōng)過簡單(dān)的信息(xī)分析處(chu)理來完(wan)成測量(liàng)工作。因(yīn)此,在處(chu)理能力(li)、測量精(jing)度、誤差(cha)修正、功(gong)能擴展(zhǎn)等方面(mian)都🌐存在(zai)着局限(xian)性。新一(yī)代流量(liàng)檢測儀(yí)器将以(yǐ)更✌️優良(liáng)的性能(néng)取而代(dai)之。
　　目前(qián),高速、精(jīng)度高、大(da)容量的(de)嵌入式(shi)處理器(qi)在控制(zhì)和測量(liàng)領域的(de)應用越(yue)來越普(pu)遍,一旦(dàn)應用到(dào)電磁流(liu)量計[1]中(zhōng),使得電(dian)磁⛹🏻‍♀️流量(liang)計的輸(shu)入信号(hào)數字濾(lü)波、曆史(shi)數據保(bao)存❄️、輸出(chū)多種勵(lì)磁🏃🏻信号(hào)的變化(huà)、測量信(xìn)息的特(tè)殊處理(li)、測量結(jie)果的動(dong)态圖形(xing)顯示、人(rén)性化😘的(de)管理和(hé)控制等(deng)多方面(mian)應用,都(dou)将成🌈爲(wèi)可能。尤(yóu)其✉️是新(xīn)一代網(wǎng)絡技術(shù)的發展(zhǎn)會🔱使得(dé)更多基(jī)于TCP/IP網絡(luo)協議的(de)儀器設(she)備得到(dao)應用,針(zhen)對電磁(ci)流量計(jì)的遠🔅程(chéng)數據交(jiāo)換傳送(sòng),基于典(diǎn)型的以(yi)太網通(tōng)訊接口(kǒu)也應運(yun)而生[10]。
1.電(diàn)磁流量(liang)計基本(ben)原理
　　電(dian)磁流量(liang)計是依(yī)據法拉(lā)第電磁(cí)感應定(dìng)律來測(cè)量💞管内(nèi)流體流(liu)⭐量的測(ce)量裝置(zhi)[9],如圖1所(suo)示。當流(liú)體在管(guǎn)道内流(liu)動經過(guo)一橫向(xiàng)磁場B的(de)時候,相(xiàng)當于有(you)圖1..電磁(cí)流量計(jì)原理圖(tú)一定❤️電(dian)導率的(de)導體在(zai)切割磁(cí)線❓,形成(chéng)動生電(dian)動勢,通(tong)過管道(dao)徑向兩(liang)電極可(ke)以引出(chu)該電動(dong)勢E,其大(da)小與磁(ci)場B、流速(su)V和管徑(jing)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(yào)⚽測量出(chu)兩電極(ji)之間的(de)電動勢(shi)E,即可确(què)定流量(liàng)Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
　　當勵磁(ci)電流、管(guan)道尺寸(cun)和流體(ti)密度..确(què)定的情(qing)況下,流(liú)✔️體的質(zhì)量流量(liang)M僅取決(jué)于對兩(liǎng)電極間(jian)的感應(yīng)電✍️勢E的(de)檢測。電(diàn)磁流量(liàng)💋計的數(shù)學模型(xing)爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其中(zhong):Coe爲儀表(biao)系數;E0爲(wei)儀表零(ling)點修正(zhèng);x爲多段(duàn)非線性(xing)修正。
2.AT91RM9200及(ji)核心闆(pan)
　　AT91RM9200是Atmel公司(si)推出的(de)針對嵌(qiàn)入式應(yīng)用的工(gōng)業級32位(wei)ARM9嵌入式(shì)處理器(qì),最高工(gōng)作頻率(lü)達180MHz,其功(gong)能強大(da)、性能穩(wěn)定,非常(chang)💃适合🐇高(gao)端❓儀表(biao)☀️的應用(yòng),由它構(gou)建的核(hé)心闆形(xing)成了具(jù)有豐富(fu)接口資(zi)源的基(jī)🧡本系統(tong),隻要擴(kuo)展應用(yòng)模塊和(hé)接口即(ji)可實現(xiàn)系統應(yīng)用。介紹(shào)AT91RM9200的文獻(xiàn)很多,這(zhe)裏僅給(gei)出其主(zhǔ)要資源(yuán)和特性(xìng):
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(kǒu),全速12Mbps
1個(gè)MCI接口,支(zhī)持MCI卡或(huo)SD卡
3個同(tóng)步串行(hang)控制器(qì)
6個16位定(ding)時器,一(yī)個32位實(shí)時鍾
4個(ge)SPI接口
PWM輸(shu)出
I2C接口(kǒu)
支持SDRAM,SRAM。Flash等(deng)
JTAG邏輯測(cè)試部件(jiàn),支持軟(ruan)/硬件開(kāi)發
　　由AT91RM9200構(gòu)建的核(he)心闆集(ji)成了32M的(de)SDRAM、2M的并行(hang)Flash、8M的串行(háng)DateFlash、以太網(wǎng)✔️電路和(he)複☀️位電(dian)路,構成(cheng)了一個(gè)基本系(xi)統,爲用(yòng)戶的軟(ruan)件研發(fa)提供了(le)充足的(de)空間。處(chù)理器的(de)大多數(shu)管腳和(hé)其🙇‍♀️它信(xin)号都通(tōng)過兩個(ge)排針對(dui)外引出(chū),爲用戶(hu)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(fang)性和軟(ruǎn)件低成(chéng)本使得(dé)系統應(yīng)用變得(de)方便可(ke)行。
3.智能(néng)電磁流(liú)量計硬(yìng)件設計(ji)
3.1電磁流(liú)量計總(zǒng)體結構(gòu)
　　電磁流(liú)量計由(you)測量裝(zhuāng)置和電(diàn)路兩部(bu)分組成(cheng),電路☔部(bu)分主要(yào)由檢測(cè)輸入模(mo)塊、勵磁(ci)輸出模(mo)塊、流量(liang)輸出模(mó)塊、圖形(xing)顯示模(mo)塊、鍵盤(pan)模塊、通(tōng)信及調(diao)試接口(kou)、電源模(mo)塊、以及(jí)最重要(yao)的基于(yú)ARM9嵌入式(shì)系統[2]的(de)核心闆(pǎn)組成。圖(tú)2給出了(le)嵌🔞入式(shì)電磁流(liú)量計的(de)系統框(kuàng)圖。圖2嵌(qian)入式電(dian)磁流量(liang)計系✂️統(tong)框圖。

　　系(xi)統經過(guo)初始化(huà)之後,核(he)心闆向(xiang)勵磁模(mo)塊輸出(chū)一數字(zi)量的勵(lì)磁信号(hào),經過D/A轉(zhuan)換和電(dian)流放大(da),驅動傳(chuan)感器🚩的(de)勵磁線(xian)圈産生(shēng)一🏃🏻定強(qiáng)度的磁(ci)場。傳感(gǎn)器的流(liú)速感應(yīng)電極送(song)出微⁉️弱(ruo)的感🌂應(ying)信号經(jing)過輸入(ru)模塊的(de)放大濾(lǜ)波處理(li),經過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量🐉輸(shu)入ARM9處理(lǐ)器,進一(yī)步進行(háng)數字分(fèn)析🐉處理(li)。通過顯(xiǎn)示模塊(kuai)直接🌈顯(xiǎn)示瞬時(shi)流量🐇、累(lèi)積流量(liàng)和動态(tai)流量圖(tu)形。另外(wai)由流量(liàng)輸出💋模(mó)塊輸出(chu)4~20mA的标🔱準(zhun)儀用瞬(shùn)時流量(liang)信号。
3.2.輸(shū)入及A/D轉(zhuan)換電路(lu)
　　檢測輸(shū)入模塊(kuai)包括差(chà)分測量(liang)放大器(qi)、低通和(hé)高通❄️濾(lǜ)🥵波器⛱️、增(zēng)益放大(dà)器以及(jí)A/D轉換電(diàn)路,如圖(tú)3所示。圖(tú)3輸入及(jí)A/D轉換框(kuàng)圖。

　　由于(yu)電磁流(liu)量計的(de)電極輸(shu)出信号(hào)非常微(wei)弱,一般(bān)隻有10-4V數(shù)量級,而(ér)且,工業(yè)環境非(fēi)常大。因(yīn)此,爲了(le)保證測(cè)量精度(dù),送入A/D轉(zhuǎn)換的輸(shū)入信号(hào)應達到(dào)-2.5~+2.5V的範圍(wéi),其🧑🏾‍🤝‍🧑🏼模拟(ni)部分電(dian)壓🍓增益(yi)應該在(zài)60dB以上。其(qí)中,前置(zhi)放大器(qì)👌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(bō)采用二(èr)階💁有源(yuan)濾波器(qi)形成帶(dai)通濾波(bō)器濾除(chu)工㊙️頻及(ji)雜波,放(fang)🧡大🌐器采(cǎi)用運放(fang)CA3240A完成。A/D轉(zhuǎn)換單元(yuan)采用MAX1297AEEG[4]實(shi)現12位并(bìng)行🔆模數(shù)轉換,直(zhi)接與核(he)心闆的(de)I/O線連接(jiē)如圖3所(suo)示,引腳(jiǎo)說明和(hé)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(he)心闆的(de)IRQ0/PB29;
CS片選線(xiàn),接核心(xin)闆B口的(de)PB22;
RD讀控制(zhi)線,接核(he)心闆B口(kǒu)的PB16;
WR寫控(kong)制線,接(jie)核心闆(pan)B口的PB17;
模(mó)拟信号(hao)輸入CH0通(tong)道。
3.3.勵磁(ci)輸出電(diàn)路
　　智能(neng)電磁流(liu)量計 的(de)勵磁電(dian)路的任(rèn)務是向(xiàng)勵磁線(xiàn)圈提供(gong)一穩定(dìng)的驅動(dòng)電🈲流。電(dian)🥵流波形(xing)爲方波(bō)、三值方(fāng)波和梯(tī)形波[11]等(děng)形式,波(bō)形變化(hua)🌏的目的(de)是結合(he)信号處(chù)理電路(lù),分析在(zai)不同勵(lì)磁方式(shi)下電磁(cí)流量計(ji)的精度(du)、零點穩(wěn)定性和(hé)抗能力(li)等多項(xiàng)🤩指标。該(gai)電路由(yóu)核心闆(pan)的SPI2口輸(shū)出數字(zì)量,經過(guo)D/A轉換形(xing)成模拟(nǐ)信号,經(jing)V/I轉換激(ji)勵和帶(dài)有電流(liu)負反饋(kui)的電流(liu)放大器(qi)輸出,适(shi)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(piàn)[5],實現12位(wei)的SPI同步(bù)串行♊輸(shu)入,-5~+5V的雙(shuāng)極性輸(shū)出。與ARM9核(hé)心闆的(de)SPI2口對接(jie)💞,如圖4所(suǒ)示。

其中(zhong)引腳說(shuō)明和接(jiē)法如下(xia):
SDIN串行數(shu)據輸入(rù),接核心(xīn)闆的MOSI;
SCLK同(tóng)步時鍾(zhong),接核心(xīn)闆的SPCK;
SYNC串(chuàn)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(dong),接I/O口的(de)PC15。
　　激勵放(fang)大器采(cǎi)用CA3240A運放(fang),其特點(diǎn)是電源(yuán)電壓高(gao),能獲得(dé)較大的(de)輸🏃出動(dong)态範圍(wei)。電流放(fang)大利用(yong)兩對複(fu)合㊙️管實(shí)現,要☔求(qiú)管👨‍❤️‍👨子盡(jìn)可能配(pèi)對。接入(rù)勵磁線(xian)圈後,引(yin)入大環(huan)路的電(diàn)流負反(fan)饋,穩定(ding)輸出勵(lì)磁電流(liú)。
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(hou),除了現(xian)場🐆顯🐅示(shi)瞬時流(liu)量和累(lei)積流量(liang)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(yin)此,該電(dian)路利用(yòng)AD421轉換電(diàn)路實現(xiàn)了流量(liàng)💃輸出的(de)🌈功能。
　　AD421芯(xīn)片[6]是一(yī)款低電(diàn)壓、SPI串行(háng)輸入、16位(wei)Σ-Δ轉換的(de)D/A轉換電(dian)路,具備(bei)4~20mA環路電(dian)流輸出(chū),支持HART通(tong)信協議(yi),非常适(shì)合該電(diàn)🔆路應♊用(yong)。SPI串行輸(shu)入接核(he)心闆的(de)SPI3口,如圖(tu)5所示。其(qí)中引腳(jiǎo)說明和(hé)接法如(ru)下:
?
DATA串行(hang)數據輸(shu)入,接核(he)心闆的(de)MOSI;
CLOCK同步時(shí)鍾,接核(hé)心闆的(de)SPCK;
LATCH鎖入控(kòng)制,接核(hé)心闆的(de)NPCS3。
　　D/A轉換的(de)電壓基(jī)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(huán)路電源(yuán)LOOPPOWER經内部(bu)控制電(dian)流由LOOPRTN返(fǎn)回,形成(cheng)4~20mA的電流(liu)環路。
3.5.圖(tu)形顯示(shì)模塊
　　由(you)于AT91RM9200處理(lǐ)器未集(jí)成圖形(xíng)顯示,核(he)心闆上(shang)也未提(ti)供,所以(yǐ),要實🥵現(xian)🔴圖形顯(xian)示,必須(xū)構建圖(tu)形顯示(shi)模塊。電(diàn)路采♈用(yòng)LCD控制器(qì)🈲SID13506顯示芯(xīn)片[7]實現(xian)彩色液(ye)晶點陣(zhen)顯示和(hé)VGA标準接(jie)口。系統(tong)框圖如(ru)圖6所🍓示(shi)。

　　SID13506是EPSON公司(sī)較新的(de)大規模(mó)顯示控(kòng)制器[8],主(zhu)要應用(yong)于嵌入(rù)式系統(tong)🐅,最高支(zhi)持64K真彩(cai)色。系統(tong)配置了(le)1M的16位内(nèi)存、LCD接口(kǒu)🥵和VGA接❗口(kǒu)。3個系統(tǒng)時鍾BUSCLK、CLKI和(hé)CLKI2受PA7和兩(liang)組可控(kong)震蕩器(qì)控制,核(hé)心闆通(tōng)😍過PA7輸出(chu)50M時鍾經(jīng)過驅動(dong)接BUSCLK,核心(xin)闆通過(guò)TWI管理兩(liang)🍓組可控(kòng)震㊙️蕩器(qi)PCLK1和PCLK2。ARM9核心(xīn)闆與SID13506芯(xīn)片引腳(jiǎo)相📞連的(de)信号如(ru)表1所列(liè)。

3.6.鍵盤、通(tong)信及調(diao)試部分(fèn)電路
　　電(diàn)磁流量(liàng)計的鍵(jian)盤、通信(xin)和調試(shì)部分電(dian)路屬于(yú)嵌入式(shi)系統的(de)典型應(ying)用電路(lù),系統利(li)用ZLG7289A構建(jian)了8×2小型(xíng)鍵盤,由(yóu)I/O模拟串(chuan)行口建(jian)立系統(tǒng)連接,實(shí)現流量(liàng)計的系(xi)統設置(zhi)和按鍵(jian)數據💃輸(shū)入。
　　調試(shi)功能主(zhǔ)要由串(chuan)行調試(shi)口DCOM和JTAC标(biao)準調試(shi)口構成(chéng)。其中串(chuan)行調試(shi)口DCOM是由(you)AT91RM9200處理器(qì)的DBGU單元(yuan)通過SP3232E建(jian)立的,JTAG标(biāo)準調試(shi)口直接(jie)由核心(xīn)闆引出(chū)。
　　通信功(gong)能的建(jian)立主要(yào)是直接(jie)由核心(xīn)闆引出(chū)了10/100M的TCP/IP網(wang)絡接口(kǒu),将處理(lǐ)器的USART1單(dan)元通過(guò)SP3243建立了(le)RS232标準串(chuan)行通信(xìn)口COM1,将🧑🏾‍🤝‍🧑🏼處(chù)理器的(de)♌USART2單元💞通(tōng)過SP3481建立(li)了RS485标準(zhǔn)串行通(tong)信口。
　　另(ling)外,引出(chū)處理器(qì)的HDMA和HDPA線(xiàn)建立USBHOST接(jie)口,可外(wài)接USB存儲(chǔ)器,作爲(wèi)電🏃‍♂️磁🌈流(liú)量計曆(lì)史數據(ju)記錄設(shè)備。相應(ying)連接和(hé)功能框(kuang)圖㊙️如圖(tú)7所示。

3.7.電(diàn)源電路(lu)
　　由ARM9核心(xin)闆構建(jiàn)的電磁(ci)流量計(jì)的電源(yuán)部分還(hai)是比較(jiào)複雜的(de),一般由(yóu)開關電(dian)源模塊(kuài)實現,其(qí)主電源(yuan)爲+5V穩壓(yā)電源,經(jing)過2組穩(wěn)壓器LT1085分(fen)别産生(shēng)3.3V和1.8V供給(gěi)核心闆(pan)使用,3.3V和(he)+5V供給大(dà)✊部分數(shù)字電路(lù)使用,數(shù)字電源(yuan)與模拟(ni)電源分(fen)開且不(bu)共地,副(fu)電源主(zhǔ)要有供(gong)給D/A轉換(huàn)及放大(dà)用的±15V,供(gong)給勵磁(cí)輸出的(de)±24V電源等(deng)。電❌磁流(liú)量計的(de)🈲功率消(xiāo)耗還是(shì)比較大(dà)的。
4.應用(yong)系統軟(ruǎn)件簡介(jiè)
　　ARM9電磁流(liú)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(jian)模塊的(de)初始化(hua)設置,系(xi)統在啓(qǐ)動之後(hòu),通過調(diào)用底層(céng)的驅動(dòng)程序完(wán)成核心(xin)闆與各(ge)個硬件(jiàn)模塊之(zhi)間的命(mìng)令控制(zhi)和數據(jù)傳送,建(jian)立相應(ying)的中斷(duan)服務子(zǐ)程序及(jí)中斷向(xiàng)量表。采(cai)用模塊(kuài)化結構(gòu)建立系(xi)統程序(xu),電磁流(liú)量計應(yīng)用系統(tong)主要由(you)定時器(qì)中斷進(jìn)行管理(li),勵磁信(xin)号的輸(shū)出和轉(zhuan)換保持(chí)、感應信(xin)号的多(duō)次數據(jù)采集、流(liú)量的顯(xiǎn)示和對(duì)外輸出(chu)等均由(you)定時器(qi)的中斷(duàn)服務來(lái)完成。
5.結(jie)束語
　　該(gāi)系統作(zuò)爲高端(duan)電磁流(liu)量計的(de)應用研(yán)究,在硬(yìng)件上采(cai)🌈用了模(mó)🚩塊化設(shè)計方法(fǎ),提高了(le)電磁流(liu)量計的(de)應用和(he)研究水(shuǐ)平,降低(di)了設計(ji)難度,已(yi)被列入(ru)重大科(ke)技攻🚶‍♀️關(guan)項目..嵌(qian)入式👅系(xì)統智♈能(néng)儀表開(kai)發平台(tai)的研究(jiu)及其在(zài)流量儀(yí)表設計(ji)中的應(yīng)用之中(zhong),目前正(zhèng)在作進(jin)一步的(de)完善和(he)提高。

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