摘要(yào):根據磁阻(zǔ)傳感器的(de)角位移測(cè)量原理,提(tí)出智能金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量計 的(de)設計方案(an).該方案采(cǎi)用低功耗(hao)MCU和精度高(gao)ADC實現對流(liu)量的數字(zì)化采集和(he)智能控制(zhi),應用LMBP算法(fa)實現精度(du)高的靜态(tài)特征曲線(xian)拟合;通過(guò)裁減TCP1IP協議(yi),在以太網(wang)上實現了(le)流量計與(yǔ)用戶的數(shu)據通信.實(shi)際運行表(biao)明，設計的(de)流量計系(xì)統運行🌈穩(wen)定可靠❗.
　　金(jin)屬管浮子(zi)流量計具(ju)有耐高溫(wen)耐高壓、耐(nài)腐蝕等🐕特(te)❄️點,在☎️中低(dī)流速、流量(liàng)的工業計(jì)量中得到(dào)了廣泛應(ying)用💘.目前🛀🏻采(cǎi)用電遠傳(chuan)方式的流(liú)量計多以(yi)霍爾元件(jian)或電容式(shi)角位移作(zuò)爲傳感器(qi),不但結構(gòu)複雜、精度(dù)較低，而且(qie)不具備以(yi)太網接🔞口(kou)功能.本文(wen)中作者應(yīng)用各向異(yì)性磁阻的(de)傳感原理(lǐ)設計了一(yi)種能與以(yi)太網通信(xin)✂️的智能金(jin)屬管浮❓子(zi)流量計.該(gai)流量計具(jù)有精度高(gāo)、功耗低、設(shè)計簡單等(děng)特💜點,可廣(guang)泛應用于(yu)工業計量(liang),特别是适(shì)應了工業(yè)以太網的(de)發展需求(qiú).
1總體設計(jì)
　　金屬管浮(fú)子流量計(ji)由錐形管(guǎn)、内置磁鋼(gāng)的浮子以(yi)及外置🌈嵌(qian)有磁鋼的(de)機械連杆(gan)等構件組(zu)成.當流量(liang)變化時，浮(fu)❗子在🛀🏻錐形(xíng)管内上下(xià)移動,并由(you)磁鋼耦合(hé)💃帶動機械(xie)連杆‼️旋轉(zhuan)-定角度.此(cǐ)角度與流(liu)量的大小(xiao)存在着一(yī)對應的關(guān)🔱系,隻要測(ce)出角度便(bian)可通過對(dui)應關系求(qiu)出流量,因(yin)此對角度(du)的正确測(cè)量是流量(liàng)計設計的(de)關鍵.具體(ti)設計時采(cǎi)用Honeywell公司生(shēng)産的磁阻(zu)傳感器HMC1501實(shí)🐇現對機械(xiè)連杆角位(wèi)移的正确(què)測量,選擇(ze)🐕MSP430F449單片機作(zuò)爲MCU,采用CirrusLogic公(gōng)司生産的(de)以太網控(kòng)制芯片CS8900A實(shí)現網絡互(hu)聯.系統的(de)總體設計(ji)框圖如圖(tú)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(li)和工作特(te)性
　　鐵磁性(xìng)材料通常(chang)爲各向異(yi)性材料,當(dang)采用特殊(shu)工藝将其(qi)制成薄膜(mo)狀的電阻(zǔ)元件後,便(biàn)可用于感(gan)測周圍🈲磁(cí)場的變化(hua).HMC1501傳感器是(shì)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(chang)的方向有(yǒu)關，利用此(cǐ)原理就可(ke)以感測周(zhou)圍磁場相(xiàng)對于傳💛感(gan)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(dāng)磁♻️場角度(du)爲-45°~+45°時輸出(chu)電壓遞減(jiǎn)且單調性(xìng)好，因此将(jiāng)HMC1501的有效角(jiao)度範圍定(ding)義爲±45°,在此(cǐ)範圍内分(fen)🔅辨率小于(yu)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(diàn)電🐆壓較寬(kuān)(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(zài)零點偏置(zhi)電壓,需進(jin)行補償.一(yī)般補償的(de)方法🌈可分(fen)爲硬件補(bǔ)償和軟件(jiàn)補💯償,但硬(ying)件補償需(xū)設計複雜(za)的電路,成(chéng)本較高,而(er)軟件補償(cháng)随着MCU處理(li)能力的提(ti)高得到了(le)廣💯泛應用(yòng),本設計中(zhong)采用軟件(jiàn)補✂️償.
 
2.2傳感(gan)器檢測電(dian)路設計
　　爲(wèi)簡化傳感(gan)器檢測電(diàn)路設計，采(cǎi)用了依靠(kào)單電源🌈供(gong)電的放大(dà)🚩器TLC27L2,這就要(yào)求OUT+點的電(dian)位大于OUT-點(diǎn)的電位🏒,否(fou)則放大🤟器(qì)的輸出🔴就(jiù)會失真.但(dàn)HMC1501的典型輸(shu)出信号在(zai).60~60mV之間,因此(ci)必須在含(han)OUT+的支路的(de)節點2和模(mó)拟地之間(jian)串接一阻(zǔ)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(tú)3爲簡化後(hòu)的👅傳感器(qì)檢測電路(lu).
 
2.3LMBP算法及應(yīng)用
　　智能金(jin)屬管浮子(zǐ)流量計采(cai)用2個HMC1501傳感(gan)器和1個溫(wen)度傳感器(qì),其🙇‍♀️中2個HMC1501一(yī)個用于感(gan)測連杆磁(cí)鋼的方向(xiang)變化,另一(yi)個用于🈚補(bu)償浮子磁(ci)鋼上下移(yi)動所形成(cheng)的✨複合磁(cí)⚽場的影響(xiang),溫度傳感(gǎn)器感測HMC1501周(zhōu)圍的溫度(dù)并🙇🏻予以溫(wēn)度補償.溫(wen)度傳感器(qi)的📞數學模(mo)型很難用(yong)解析式描(miáo)述,傳統的(de)做法是在(zai)不同溫度(dù)下進行标(biao)定💞，這種做(zuo)法不但計(jì)算量大、占(zhan)用💛存儲空(kong)間多,而且(qiě)計算精度(dù)不高.鑒于(yú)人工神經(jīng)網絡能夠(gòu)完成任意(yì)的非線性(xing)映射,其中(zhōng)BP算法(BackPropagation)具有(you)以任意精(jīng)度逼近任(rèn)何非線性(xìng)函數的能(néng)力，而且無(wu)需事先确(què)定函數形(xíng)式，因此利(lì)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(yī)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(mù)标函數存(cun)在局部極(jí)小等不足(zu)之處.爲此(ci)采用基于(yu)誤差平方(fāng)和最⭐小化(huà)的權值調(diao)整算法即(jí)Levenberg-Marquart算法作⚽爲(wei)對BP算法的(de)改進，稱🌍之(zhi)爲LMBP算法.BP算(suàn)法以均方(fang)誤差作爲(wei)性💞能函數(shu),其表達式(shì)💜爲
 
　　式中，w爲(wèi)網絡的權(quan)值向量,t爲(wèi)期望輸出(chū)向量(标定(dìng)值),y爲實際(jì)輸出向量(liàng),e爲誤差向(xiàng)量.LM算法結(jie)合了梯度(du)法和高斯(sī)-牛頓法📱的(de)優點，具有(yǒu)全局性和(hé)收斂速度(du)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(dùn)法中求解(jie)Hessian矩陣的問(wèn)題🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,減少了(le)網絡訓練(lian)中💛的計算(suàn)量和内存(cún)需求量.權(quán)值的調整(zheng)公式爲
 
　　式(shì)中，μ爲正常(chang)數,I爲單位(wei)矩陣,e。爲網(wǎng)絡的誤差(chà)向量,J爲☔以(yǐ)網絡誤差(cha)對權值的(de)一階導數(shù)爲元素的(de)Jacobian矩陣.△w每次(ci)叠代時都(dou)對μ進行自(zì)适應調整(zheng),當網絡誤(wù)差減小時(shi)減小🧑🏾‍🤝‍🧑🏼μ的值(zhí),反之增加(jia)μ的值.-般情(qing)況下Jacobian矩陣(zhèn)的計算🔴量(liang)較大，因此(cǐ)該算法比(bi)較适合👉網(wǎng)絡規模不(bú)大、網絡參(cān)數較少的(de)✍️應用場合(he)，本設計中(zhōng)使用🔞的是(shi)典型的🈲3層(ceng)網絡結構(gòu),如圖4所示(shi).從圖中可(kě)以看出該(gāi)網絡輸入(ru)層、輸出層(ceng)、隐層的節(jiē)點分别爲(wei)3個、1個、4個,網(wǎng)絡規模較(jiào)小，因此使(shi)用LM算法💃可(kě)以取得較(jiào)好的效🧑🏽‍🤝‍🧑🏻果(guǒ).
 
3以太網結(jié)構的實現(xian)
3.1TCP/IP協議的裁(cai)減
　　以太網(wǎng)中的TCP/IP協議(yì)數以百計(ji)，而嵌入式(shi)系統的資(zī)源有限,沒(méi)有必要實(shi)現全部TCP/IP協(xié)議.裁減TCP/IP協(xie)議以适應(yīng)工業以太(tai)網應用的(de)要求是當(dang)前的一個(ge)研究熱點(diǎn),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(wang)絡的連接(jie)數和數據(ju)的傳輸量(liang)較少，因此(cǐ)以夠用即(jí)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(ceng)中的CSMA/CD.ARP協議(yi)，網絡層中(zhong)的IP協議,ICMP中(zhōng)的Ping協議，傳(chuán)輸層中的(de)TCP、UDP協議以及(jí)應用層中(zhōng)的HTTP協議.
　　數(shu)據鏈路層(céng)的主要作(zuo)用是爲其(qí)上層協議(yi)發送和接(jiē)收數據幀(zhēn),采用IEEE802.3規定(dìng)的CSMA/CD協議,可(kě)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(zhī)要采用通(tong)用的網絡(luò)接口控制(zhì)芯片CS8900A就可(kě)實現該協(xié)議.以太網(wǎng).上數據的(de)傳輸是通(tong)過網絡的(de)MAC地址進行(háng)識别的，這(zhe)就要求系(xì)統具有從(cóng)IP地址轉換(huan)到MAC地址的(de)功能,即ARP(地(dì)址解析)協(xié)議.網絡層(ceng)中的IP協議(yi)是TCP/IP協議族(zu)的核心協(xie)議,它使異(yi)構網絡之(zhī)間的通信(xin)成爲可能(néng).ICMP實現與其(qi)他主機或(huò)路由器交(jiāo)換錯誤報(bào)文和其他(ta)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(xie)議和UDP協議(yi)爲2台主機(jī)上的應用(yong)程序提供(gòng)端到端的(de)通信.應用(yòng)層中的HTTP協(xie)議實現以(yǐ)浏覽器訪(fǎng)問的方式(shi).在以，上諸(zhu)多協議中(zhōng)以實現TCP協(xie)議最爲困(kùn)難,受運算(suàn)資源限制(zhì)，隻能實現(xian)簡化的有(yǒu)限狀态機(jī)和滑動窗(chuāng)口确認機(jī)制以及單(dan)TCP連接.另外(wài),爲過濾來(lai)訪信息，确(que)保數據安(ān)全還實現(xian)了簡易網(wǎng)絡防火牆(qiáng)功能,隻允(yun)許某些事(shì)先設置好(hao)的IP地址對(duì)流量計進(jìn)行訪問，有(you)效減輕了(le)流量計的(de)工作負荷(hé).
3.2以太網控(kong)制芯片CS8900A的(de)應用
　　CS8900A是一(yī)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(jie)質訪問控(kong)制塊(MAC),支持(chi)全雙工操(cāo)作,具有自(zi)動處理沖(chòng)突檢測、報(bào)頭生成、CRC校(xiao)驗碼生成(chéng)及其驗證(zhèng)等功能;同(tóng)時通過對(dui)發送控制(zhi)寄存🤩器(TCMD)的(de)配置,MAC可以(yǐ)完成幀的(de)自動重傳(chuán)51.設計時選(xuǎn)擇3V供電的(de)CS8900A-CQ3,同時爲了(le)便于💞和MSP430F449之(zhi)間的電😘平(píng)匹配,在MSP430F449與(yǔ)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(gāo),使CS8900A工作在(zài)簡單的1/0模(mó)式,該模式(shi)占用端口(kou)資源較少(shao)☀️.MSP430F449通過對/SBHE、/IOW和(he)/IOR等控制信(xin)号線♍實🌈現(xiàn)對CS8900A工作方(fāng)式的控制(zhi)和讀寫操(cāo)作💃🏻.
 
　　在設計(jì)中考慮到(dào)CS8900A芯片采用(yòng)的是16位數(shu)據傳輸模(mó)式，因此在(zài)訪問之前(qian)必須爲總(zǒng)線的高位(wei)使能管腳(jiǎo)(1SBHE)提供--個💁由(you)高到低，再(zai)由低到高(gāo)變化的電(diàn)平信号.CS8900A通(tong)過網絡隔(ge)離變壓器(qi)TRC2023以12.5的電壓(ya)比🥰将數據(jù)發送到網(wang)絡,以11的電(diàn)壓比從網(wǎng)絡接收數(shu)據.CS8900A芯片的(de)初始化操(cāo)作主要包(bāo)括:軟件複(fú)位并檢查(cha)标志位、設(shè)定16位工作(zuò)模🌂式、設定(ding)臨時以太(tài)網物理地(dì)址、設定接(jiē)收幀類型(xing)、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(yu)
　　利用磁阻(zu)傳感器HMC1501實(shi)現了流量(liang)計機械連(lian)杆在士45°範(fan)♋圍内角度(dù)的正确測(ce)量,并将流(liu)量計接入(rù)以太網，實(shí)現了流量(liàng)測量☔的智(zhi)能化和網(wǎng)絡化,實際(jì)運行表明(ming)該系統工(gong)作穩定、可(ke)靠🥵.

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