摘(zhāi)要:介紹(shao)一種基(ji)于以太(tài)網的新(xīn)型智能(neng)金屬管(guǎn)浮子流(liu)量計 的(de)設計方(fāng)案。應用(yòng)磁阻傳(chuan)感器測(cè)量金屬(shu)浮子角(jiǎo)位💃移,結(jie)⁉️合精度(du)高A/D轉換(huan)器和低(di)功耗MCU實(shí)現數字(zì)化采集(jí)🌂和智能(neng)控制。系(xì)統提供(gòng)了電流(liu)變送器(qi)XTR115輸出的(de)電流🌈環(huan)接口和(he)基于TCP/P工(gong)業簡化(hua)協議的(de)以太網(wang)數據通(tōng)信接口(kǒu)。結合相(xiang)應的固(gù)件系統(tǒng),成功實(shi)現了精(jing)度高、低(dī)功耗的(de)數字化(hua)流量計(jì)。
　　金屬管(guan)浮子流(liu)量計具(ju)有其耐(nài)高溫、耐(nai)高壓、耐(nai)腐蝕等(deng)🐅特點而(ér)廣泛應(ying)用于中(zhōng)小流速(sù)流量的(de)工業計(jì)量🔴。當前(qián)一般利(li)用霍爾(er)❄️元件感(gǎn)測浮子(zǐ)位置變(bian)化或利(li)用電容(rong)式角位(wei)移傳感(gan)器測量(liang)機械連(lián)杆的旋(xuán)轉角度(dù)等原理(lǐ)進行設(shè)計“。電路(lù)設計複(fu)雜、功耗(hao)較大、精(jing)度不高(gao)。一種使(shi)用各向(xiàng)異性磁(ci)阻(AMR)傳感(gǎn)原理,應(ying)用低功(gōng)⭐耗單片(pian)機,并👄擁(yong)🌂有工業(yè)以太網(wǎng)通信接(jiē)口的新(xīn)型智能(neng)金屬管(guan)浮子流(liú)量計的(de)設計方(fang)案。該流(liú)量計具(jù)有精度(du)高、功耗(hao)低、易于(yu)構造測(ce)控網絡(luò)等特點(diǎn),能廣泛(fàn)應用于(yu)工業計(ji)量,适合(he)日益興(xing)🔞起的工(gong)業以太(tai)網的發(fa)展需求(qiú)。
1總體設(shè)計
　　金屬(shǔ)管浮子(zǐ)流量計(ji)由錐形(xíng)管、内置(zhì)磁鋼的(de)浮子以(yi)及外置(zhì)的嵌有(yǒu)磁鋼的(de)機械連(lián)杆組成(chéng)。當流量(liàng)變化時(shi),浮子将(jiāng)在錐❌形(xing)管内.上(shang)下移動(dòng),并由磁(ci)鋼耦合(he)帶動機(ji)械連杆(gan)旋轉一(yī)定角度(du)θ。流量Q和(hé)浮🔴子移(yí)動的距(ju)離h以及(ji)連杆角(jiǎo)度θ存在(zài)着相應(ying)的函數(shù)關🤟系,即(ji):
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對(duì)θ值的測(ce)量精度(dù)直接關(guan)系到流(liú)量的測(ce)量精度(du),本設計(ji)🤞選用磁(cí)阻傳感(gan)器HMC1501測量(liàng)θ值,可保(bǎo)證模拟(ni)量測量(liàng)部分的(de)高精度(dù)要求🔞。前(qián)端模數(shu)轉換數(shu)據處理(li)和控制(zhì)部分,選(xuan)用内部(bu)集成高(gao)精度A/D轉(zhuǎn)💛換器和(hé)16位硬件(jian)乘法器(qi)的低功(gong)耗單片(piàn)機MSP430F449。接口(kou)設計分(fen)爲兩部(bù)分🍉:(1)由電(diàn)流變送(song)器XTR115提供(gong)标準的(de)4~20mA電流環(huán)信号;(2)應(ying)用CiruLogic公司(si)的10BASE-T以太(tài)網控制(zhì)器CS8900A實現(xiàn)工業以(yi)太網接(jie)口。總體(ti)設計🚶‍♀️框(kuàng)圖如圖(tú)1所示。
 
2模(mo)拟量測(cè)量及磁(ci)阻傳感(gǎn)器的應(yīng)用
2.1磁阻(zu)傳感器(qi)測量原(yuán)理和特(te)性
　　含鐵(tie)材料的(de)各向異(yì)性原理(li)可感測(cè)周圍磁(ci)場的變(bian)化🍉,運🌈用(yong)特殊📧工(gōng)藝可制(zhi)成薄膜(mó)狀磁阻(zǔ)元件。HMC150就(jiu)是以此(ci)原理爲(wei)基礎,将(jiang)四⛱️個磁(cí)🤟阻元件(jian)構成一(yī)個金剛(gang)石狀的(de)惠斯登(dēng)電橋(如(rú)圖2所示(shì))。在🐕外加(jiā)磁場的(de)作用下(xia),使得通(tong)過磁阻(zǔ)的電流(liú)發生變(biàn)化，從而(er)在輸出(chu)端形✌️成(chéng)差分電(dian)壓△V。
 
　　HMC1501傳感(gan)器是一(yi)種工作(zuo)在磁飽(bǎo)和狀态(tài)的變換(huan)器件,此(cǐ)時傳感(gǎn)器🍓對🔴磁(cí)場大小(xiao)不再敏(min)感,其輸(shū)出值僅(jǐn)和磁場(chǎng)方向有(yǒu)關,利🔅用(yòng)此原理(lǐ)就可以(yǐ)感測周(zhōu)圍磁場(chǎng)相對于(yu)傳感器(qi)的角度(du)變化。HMC1501角(jiǎo)度測量(liang)範圍爲(wèi)±45˳，分辨度(dù)小于0.07°,傳(chuan)感器和(he)磁鐵之(zhi)間的有(you)效線性(xing)距離爲(wèi)8mm。典型📞電(dian)壓應用(yong)時(橋路(lu)激勵電(diàn)壓3.3V),橋路(lù)電阻和(hé)輸出電(dian)壓分别(bie)爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其(qí)輸入輸(shū)出特性(xing)爲:
 
式中(zhōng)各變量(liàng)分别爲(wèi)
V˳橋路輸(shū)出電壓(yā);Kt與溫度(dù)相關的(de)增益;
Vs橋(qiao)路激勵(li)電壓;S材(cái)料常數(shu);
θ磁場參(can)考角度(du);C˳制造公(gong)差引起(qǐ)的偏置(zhi)電壓;
kt偏(pian)置電壓(yā)的溫敏(min)系數(-0.01%/℃)。
　　以(yǐ)上說明(ming)當溫度(dù)變化較(jiao)小時,橋(qiáo)路輸出(chū)電壓與(yu)θ角成正(zhèng)弦函數(shu)關系。而(ér)當溫度(dù)變化較(jiào)大時,測(ce)量精度(du)會受到(dao)影響,其(qí)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼中橋路(lù)電阻溫(wēn)度系數(shù)爲0.28%/℃,靈敏(mǐn)度溫度(du)系數爲(wèi)-3.2%/℃。所以♌在(zài)該設計(ji)中引入(ru)了溫度(dù)補償手(shou)段🈲。
 
　　圖3表(biao)示θ角和(he)輸出電(dian)壓之間(jiān)的函數(shù)關系。另(lìng)一方面(mian)該傳感(gan)器的功(gōng)耗很低(dī),由式P=Vs2/R(R爲(wei)橋路電(diàn)阻)可知(zhī),當3.3V供橋(qiáo)時功耗(hào)僅爲2.42mw,滿(man)足低功(gōng)耗設計(jì)的要求(qiu)。
2.2檢測電(dian)路設計(ji)和數字(zì)濾波
　　HMC1501輸(shu)出的橋(qiao)路信号(hao)較小,接(jie)入A/D之前(qian),需要進(jin)行信号(hào)的放大(da)和調理(lǐ)。設計選(xuǎn)用典型(xíng)差分式(shì)放大電(dian)路,如圖(tu)4所示。
 
　　放(fàng)大器的(de)選擇需(xū)要滿足(zu)兩點:第(di)--,能夠單(dan)電源工(gong)作,可簡(jiǎn)化系統(tong)電源設(she)計;第二(er),較低的(de)溫度漂(piao)移。設計(jì)🈚中使用(yòng)了TI的低(dī)溫漂高(gao)運放ILC27L2。由(you)于采用(yong)了單電(diàn)源供電(diàn),所以要(yao)求A點電(diàn)位始終(zhōng)大于B點(dian),否則㊙️放(fang)大器的(de)輸出就(jiu)會失💛真(zhēn),爲了擡(tái)升A點的(de)電位,可(ke)以在含(han)Out+的支路(lu)中,對模(mó)拟地之(zhi)間串接(jiē)一個電(diàn)阻,适當(dāng)㊙️的放大(dà)倍數💋下(xià)電阻阻(zu)值取300Ω。硬(yìng)件采用(yong)RC濾波,在(zài)運放正(zheng)負輸👌入(ru)腳之間(jian)，以及負(fu)反，饋回(huí)路_上加(jia)入濾波(bo)電容,通(tong)過計算(suàn)和試驗(yan)選擇了(le)容值,提(tí)高系統(tǒng)的EMC性能(néng)。
　　放大後(hou)的信号(hao),經過一(yī)-級電壓(yā)跟随器(qi),送入MSP430F449單(dan)片機🥰内(nei)部12位SAR型(xing)ADC進行模(mó)數轉換(huan)。高速采(cǎi)樣和16個(gè)AD值寄存(cun)器,爲數(shù)字濾波(bō)提供了(le)方便。運(yùn)用積分(fèn)算法取(qǔ)得了很(hen)⭐好的效(xiao)✨果。算法(fa)中設置(zhi)--定長度(dù)的時間(jiān)🔞窗口,采(cǎi)樣值按(àn)時間順(shun)序先入(ru)先出(FIFO),然(ran)後取🍓平(ping)均值計(ji)算。系統(tǒng)可以通(tōng)過軟件(jian)設置窗(chuang)口長度(dù),以在濾(lü)波效果(guo)和測控(kong)時延之(zhi)間取🈚得(de)平衡。
3系(xi)統接口(kou)設計
3.1電(dian)流環信(xìn)号(4~20mA)輸出(chu)
　　經過模(mo)數轉換(huan)和數值(zhi)處理後(hou)的流量(liang)數據或(huo)控制數(shù)據,由系(xì)統接口(kou)提供給(gei)外部設(she)備。工控(kòng)環境下(xià),經常使(shi)用4~20mA電流(liú)環輸出(chū)🔞,設計中(zhōng)采用的(de)XTR115是TI公司(si)的二線(xiàn)制電流(liu)變送器(qi)。轉換精(jīng)度高達(dá)±0.05%非線性(xing)誤差±0.003%。
 
　　圖(tu)5是實現(xiàn)流量數(shù)據到電(diàn)流環的(de)DA轉換過(guo)程。MSP430單片(piàn)機輸🌈出(chū)PWM(脈🌐寬調(diào)制)信号(hào),由RC積分(fen)電路将(jiang)脈沖信(xìn)号轉換(huàn)成連續(xù)的電壓(yā)信号。--級(ji)放😄大後(hou)送入XTR115電(dian)流變送(sòng)器,弱電(dian)壓或電(dian)流信号(hào)經電☀️流(liu)變送器(qi)XTR115放大,獲(huò)得4~20mA的标(biāo)準電流(liú)環輸出(chu)。流量或(huò)控制量(liang)值與電(dian)流的對(dui)應關系(xì)㊙️,由軟件(jian)标定🈲程(chéng)序實現(xian)。
3.2工業以(yi)太網通(tōng)信
(1)工業(yè)以太網(wang)應用前(qián)景
　　以太(tai)網使用(yong)星型拓(tuo)撲結構(gòu)交換技(jì)術的全(quán)雙工通(tong)信方式(shì),基本消(xiāo)除了由(yóu)介質訪(fang)問控制(zhi)方式(沖(chòng)突檢測(ce)載波多(duo)點訪問(wèn)CSMA/CD)導緻的(de)通信不(bu).确定性(xìng),滿足工(gōng)業控制(zhi)領域對(duì)實時性(xìng)的基本(ben)要求。同(tong)時以太(tai)網豐富(fu)🏃‍♀️的資源(yuan)和低廉(lián)的成本(běn)必将促(cù)進其在(zài)工控領(lǐng)域的進(jin)一-步普(pǔ)及,面向(xiang)工業應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議也🔴将(jiāng)成爲現(xian)場🚶‍♀️總線(xian)的基礎(chu)協㊙️議。
(2)面(mian)向應用(yong)裁減TCP/IP協(xie)議
　　TCP/IP協議(yì)族非常(chang)豐富,但(dan)由于嵌(qiàn)入式系(xi)統的資(zī)源有限(xiàn),在保✨證(zhèng)實🔞時、低(dī)誤碼率(lǜ)前提下(xià)對TCP/P協議(yi)進行裁(cai)減以适(shì)應工業(yè)以太網(wang)應用成(chéng)爲-一個(gè)研究熱(re)點,目前(qian)尚無統(tǒng)--标準公(gōng)布🙇🏻[4]。本設(she)計中以(yǐ)實際應(yīng)用🙇🏻爲背(bei)景、采用(yong)夠用即(jí)可”原則(ze),對協㊙️議(yi)簇進行(háng).了裁減(jian),各層分(fèn)别實現(xiàn)的協議(yi)見表1。
 
　　表(biao)1中鏈路(lu)層爲其(qi)上層協(xie)議發送(sòng)和接收(shōu)數據幀(zhen),實現了(le)IEEE802.3所規定(ding)的CSMA/CD協議(yi),構成以(yǐ)太網基(jī)本物理(li)傳輸介(jie)質訪問(wen)方式,實(shi)現該協(xié)議采用(yong)通用的(de)網絡接(jiē)口控制(zhì)芯片CS8900A。爲(wèi)實現網(wang)絡MAC地址(zhǐ)到P地址(zhǐ)的轉換(huan)功能,加(jiā)入了ARP地(di)址解析(xi)協議。IP協(xié)議則是(shì)TCP/P協議族(zú)的核心(xīn)協議,使(shi)異構網(wang)絡之間(jiān)的通信(xìn)成爲可(ke)能。而CMP協(xie)議隻是(shì)IP協議的(de)附屬協(xie)議,設計(ji)中隻需(xu)測試網(wang)絡聯通(tōng)情況,故(gu)隻保留(liu)了PNG協議(yì)。TCP(傳輸控(kong)制協議(yi))和UDP(用戶(hu)數據報(bào)協議)是(shì)兩種傳(chuan)輸層協(xié)議,二者(zhe)建立于(yu)IP協議之(zhi)，上,爲兩(liǎng)台主機(ji).上的應(ying)用程序(xu)提供端(duān)到端的(de)通信。應(ying)用層上(shàng)實現了(le)基于.HTIP協(xié)議的WEB浏(liu)覽服務(wu)。
TCP協議的(de)實現最(zui)爲困難(nán)。受資源(yuán)限制，隻(zhī)實現了(le)簡化🌈的(de)有限狀(zhuang)☔态機和(hé)滑動窗(chuang)口機制(zhi)以及單(dan)TCP連接。
(3)以(yi)太網控(kòng)制器CS8900A
　　CS8900A内(nei)部含有(you)802.3介質訪(fǎng)問控制(zhi)塊(MAC),支持(chi)全雙工(gong)操作,自(zi)動處理(lǐ)沖突檢(jiǎn)測、報頭(tou)生成、CRC校(xiao)驗碼生(shēng)成和驗(yan)證功能(néng)。通過對(duì)發送控(kòng)制寄存(cun)器(TQMD)配置(zhì),MAC可以完(wán)成幀的(de)自動🔴重(zhong)傳功能(néng)[5]’。
　　圖6所示(shi)的MSP430F449與CS8900A的(de)連接采(cai)用簡單(dan)的IO模式(shi)。該模式(shì)占用内(nèi)存資📱源(yuán)🙇🏻少,相應(yīng)管腳MBMW和(he)MEMR需被置(zhì)高。單片(piàn)機通過(guo)/SBHE、/DW和/DR等控(kòng)制信号(hao)線實現(xian)對CS8900A的👣工(gōng)作方式(shi)控制和(he)讀寫操(cāo)作'6]。芯片(pian)🙇‍♀️使用中(zhōng)比較重(zhong)要的是(shì)初始化(hua)操作,包(bāo)括:軟件(jian)複位并(bing)檢查标(biāo)志位、設(she)定工作(zuò)模式、設(shè)定臨時(shi)以太網(wǎng)物理地(di)址、設定(dìng)接收幀(zhen)類型、确(que)定✉️數據(jù)傳送方(fāng)向、中斷(duàn)使能以(yi)及數據(ju)收發使(shi)能等。
 
(4)以(yi)太網通(tōng)信測試(shì)
 
　　網絡測(cè)試環境(jìng)如表2,網(wang)絡架構(gou)如圖7。各(ge)設備上(shang)電初始(shǐ)化後,都(dou)設定了(le)MAC地址和(he)IP地址,所(suǒ)有IP地址(zhi)均爲C類(lèi)地址。這(zhè)樣即🌐可(ke)以接收(shou)以太網(wang)單播或(huo)廣播包(bāo)。首先,在(zai)主機.上(shàng)PC機測試(shi)終端流(liú)量計的(de)✊ARP工作機(ji)制和實(shí)現情況(kuang)。結果如(rú)圖8所示(shi)。
 
　　用ARP命令(ling)測試主(zhu)機ARP高速(sù)緩存中(zhōng)的IP和MAC地(dì)址,此時(shi)隻有本(ben)🚶地IP:210.29.104.1對🐆應(yīng)的MAC地址(zhi)00-30-85-88-8b-02;然後,用(yong)ping.程序測(ce)試網絡(luò)上的任(ren)何一台(tai)流量計(jì)終端,圖(tú)中顯示(shi)對象IP:210.29.104.41的(de)測試結(jie)果,報文(wén)數據的(de)往返時(shí)間是lmS;最(zuì)🎯後，再次(ci)測試主(zhǔ)機的ARP高(gāo)速緩存(cun),結果顯(xiǎn)😄示已添(tian)加🌏了對(dui)象終端(duan)的IP和MAC地(dì)址。測試(shì)主機和(hé)終端流(liu)💁量計之(zhi)間UDP數據(ju)的傳輸(shu)效果。UDP協(xié)議提供(gòng)🐅簡單的(de)面向數(shù)據報的(de)傳輸層(ceng)協議。一(yī)個簡單(dan)的UDP應用(yòng)程序如(rú)圖9所示(shì)。主機對(dui)終端流(liú)量計發(fā)送UDP數據(jù)命令,當(dang)流量計(ji)收到"DataCollection!”命(mìng)⛹🏻‍♀️令就回(hui)送采集(jí)到🈚的兩(liang)路ADC的電(diàn)壓信号(hao)值。測試(shì)結果表(biǎo)明接收(shou)和發送(song)數據包(bao)正确率(lü)高,丢包(bāo)極少，實(shí)現了UDP數(shu)✂️據處理(lǐ)功能。
 
　　通(tong)過TCP簡化(huà)協議實(shi)現了基(ji)于HTTP協議(yi)的終端(duān)流量計(ji)WEB服務,簡(jiǎn)化的HTML網(wǎng)頁數據(jù)保存在(zai)MCU的片内(nei)FLASH存儲器(qì)中。HTTP服務(wu)器可以(yǐ)動态實(shí)時更新(xīn)數據。在(zài)浏覽器(qi)的URL地址(zhi)中鍵入(rù):htp://210.29.104.41,就可以(yǐ)浏覽如(rú)圖10所示(shi)的頁面(mian),網頁動(dong)态顯示(shì)出采集(jí)到的流(liu)量值。
 
4結(jié)論
(1)通過(guo)以_上方(fang)案成功(gong)實現了(le)低功耗(hào)、較低成(chéng)本智能(neng)金屬管(guǎn)浮🍓子流(liu)量計的(de)硬件和(hé)固件程(chéng)序設計(jì);
(2)簡化TCP/IP協(xié)議的以(yǐ)太網通(tōng)信,易于(yú)構造實(shi)時、可靠(kào)的網絡(luò)測控系(xì)統🌂,并在(zài)實際應(ying)用中得(de)到驗證(zheng),同時也(yě)爲主機(ji)(PC)軟件開(kāi)發💋提供(gòng)了廣闊(kuo)的空間(jian)。

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