摘(zhai)要:根據(ju)磁阻傳(chuan)感器的(de)角位移(yi)測量原(yuan)理,提出(chu)智能金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計 的設(she)計方案(an).該方案(an)采用低(di)功耗MCU和(he)精度高(gao)ADC實現對(dui)流量❤️的(de)數字化(hua)采集和(he)智能控(kong)制,應用(yong)LMBP算法實(shi)現精度(du)高的靜(jing)态特征(zheng)曲線拟(ni)合;通過(guo)裁減TCP1IP協(xie)議,在以(yi)太網上(shang)實⁉️現了(le)流量計(ji)與用戶(hu)的數據(ju)通信.實(shi)際運行(hang)表明，設(she)計的流(liu)量計💔系(xi)統運行(hang)☀️穩定可(ke)靠.
　　金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)具有耐(nai)高溫耐(nai)高壓、耐(nai)腐蝕等(deng)特點,在(zai)中低流(liu)速、流量(liang)的工業(ye)計量中(zhong)得到了(le)廣泛應(ying)用.目前(qian)🙇🏻采用📞電(dian)遠傳方(fang)💜式的流(liu)量計多(duo)以霍爾(er)元件或(huo)電容式(shi)角💚位移(yi)作爲傳(chuan)感器,不(bu)但結構(gou)複雜、精(jing)🔴度較低(di)，而且不(bu)具備以(yi)太網接(jie)口功能(neng).本文中(zhong)作者⛷️應(ying)用各向(xiang)異性磁(ci)阻的傳(chuan)感原理(li)設計了(le)一種能(neng)與以太(tai)網通信(xin)的智能(neng)金屬管(guan)浮子流(liu)量計.該(gai)流量計(ji)具有精(jing)度高、功(gong)耗低、設(she)計簡單(dan)等特點(dian),可廣泛(fan)應用于(yu)工業計(ji)量,特别(bie)是🔆适應(ying)了工業(ye)以太網(wang)的發展(zhan)需求.
1總(zong)體設計(ji)
　　金屬管(guan)浮子流(liu)量計由(you)錐形管(guan)、内置磁(ci)鋼的浮(fu)子以及(ji)外置嵌(qian)有🏒磁鋼(gang)的機械(xie)連杆等(deng)構件組(zu)成.當流(liu)量變化(hua)時，浮子(zi)在錐形(xing)管内上(shang)下移動(dong),并由磁(ci)鋼耦合(he)帶動機(ji)械連杆(gan)旋轉-定(ding)角度.此(ci)角度與(yu)❓流量的(de)大小存(cun)在着一(yi)對應的(de)關系,隻(zhi)要測出(chu)角度便(bian)可通過(guo)對應關(guan)系求出(chu)流量,因(yin)此對☁️角(jiao)度的正(zheng)确測量(liang)是流量(liang)計設計(ji)的關鍵(jian)💚.具體設(she)計時采(cai)用Honeywell公司(si)生産的(de)磁阻💛傳(chuan)感器HMC1501實(shi)現對機(ji)👉械連杆(gan)角位移(yi)的正确(que)測量,選(xuan)擇🧑🏽‍🤝‍🧑🏻MSP430F449單❗片(pian)機作爲(wei)MCU,采用CirrusLogic公(gong)司生産(chan)的以太(tai)網控制(zhi)芯片CS8900A實(shi)現網絡(luo)互聯.系(xi)統的總(zong)體設計(ji)框圖如(ru)圖1所示(shi).
 
2HMC1501磁阻傳(chuan)感器的(de)應用
2.1磁(ci)阻傳感(gan)器的測(ce)量原理(li)和工作(zuo)特性
　　鐵(tie)磁性材(cai)料通常(chang)爲各向(xiang)異性材(cai)料,當采(cai)用特殊(shu)工藝将(jiang)其制成(cheng)薄膜狀(zhuang)的電阻(zu)元件後(hou),便可用(yong)于感測(ce)周圍磁(ci)場⁉️的變(bian)化.HMC1501傳感(gan)器是一(yi)種工作(zuo)在磁飽(bao)和狀态(tai)下的🐕變(bian)換器💔件(jian),在此狀(zhuang)态下電(dian)阻對磁(ci)場的大(da)小不敏(min)感,僅與(yu)磁場的(de)方向有(you)關，利用(yong)此原理(li)就可以(yi)感測周(zhou)圍磁場(chang)相對于(yu)傳感器(qi)的角度(du)變化4.圖(tu)2顯示📱了(le)HMC1501的磁場(chang)角📞度和(he)輸出電(dian)壓之間(jian)的對應(ying)關系，當(dang)磁場角(jiao)度爲-45°~+45°時(shi)輸出電(dian)壓遞💋減(jian)且單調(diao)性好，因(yin)此将HMC1501的(de)有🏒效角(jiao)度範圍(wei)定義爲(wei)±45°,在此範(fan)圍内分(fen)辨率小(xiao)于0.07°.典型(xing)橋路的(de)電阻和(he)輸出電(dian)壓分别(bie)爲33kQ和-60~60mV,橋(qiao)路供電(dian)電壓較(jiao)寬(1~24V),當以(yi)5V供電時(shi)功耗僅(jin)爲0.76mW,由此(ci)可見功(gong)耗低是(shi)該傳感(gan)器的優(you)勢之一(yi).該💃傳感(gan)器存在(zai)零點偏(pian)置電壓(ya),需進行(hang)補償.一(yi)般補償(chang)的方法(fa)可分爲(wei)硬件補(bu)償和軟(ruan)件補償(chang),但硬件(jian)補償需(xu)設計㊙️複(fu)雜的電(dian)路,成本(ben)較高,而(er)軟件補(bu)償随着(zhe)MCU處理能(neng)力的提(ti)高得到(dao)了廣泛(fan)應用,本(ben)設計中(zhong)采用軟(ruan)件補償(chang).
 
2.2傳感器(qi)檢測電(dian)路設計(ji)
　　爲簡化(hua)傳感器(qi)檢測電(dian)路設計(ji)，采用了(le)依靠單(dan)電源供(gong)電的放(fang)♍大器TLC27L2,這(zhe)就要求(qiu)OUT+點的電(dian)位大于(yu)OUT-點的電(dian)位,否則(ze)🌍放大器(qi)的輸出(chu)就會失(shi)真.但HMC1501的(de)典型輸(shu)出信号(hao)在.60~60mV之間(jian),因此必(bi)須在含(han)OUT+的支路(lu)的節點(dian)2和模拟(ni)地之間(jian)串接一(yi)阻值大(da)于243Ω的電(dian)阻，爲保(bao)證一定(ding)的冗餘(yu)度♈,該電(dian)阻取300Ω,圖(tu)3爲簡化(hua)後的傳(chuan)感器檢(jian)測⭐電路(lu).
 
2.3LMBP算法及(ji)應用
　　智(zhi)能金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)采用2個(ge)HMC1501傳感器(qi)和1個溫(wen)度傳感(gan)器,其中(zhong)2個HMC1501一個(ge)用于感(gan)測連杆(gan)磁鋼的(de)方向變(bian)化,另一(yi)個用于(yu)補償浮(fu)子磁鋼(gang)上下移(yi)動所形(xing)成的複(fu)合磁場(chang)的影響(xiang),溫度傳(chuan)感器感(gan)測HMC1501周🔅圍(wei)的溫度(du)并予以(yi)溫度補(bu)償.溫度(du)傳感器(qi)的數學(xue)模型很(hen)難用解(jie)析式描(miao)述,傳統(tong)的做法(fa)是在不(bu)同溫度(du)💃下進行(hang)标定🔅，這(zhe)種做法(fa)不㊙️但計(ji)算量大(da)、占用存(cun)儲空間(jian)多,而🛀🏻且(qie)計㊙️算精(jing)度不高(gao).鑒于人(ren)工神⛹🏻‍♀️經(jing)網絡能(neng)夠完成(cheng)任意的(de)非線性(xing)映射,其(qi)中BP算法(fa)(BackPropagation)具有以(yi)任意精(jing)度逼近(jin)任何非(fei)線性函(han)數的能(neng)力，而且(qie)無需事(shi)先确定(ding)函數形(xing)式♻️，因此(ci)利用BP神(shen)經網絡(luo)處理傳(chuan)感器靜(jing)态特性(xing)的非線(xian)性是一(yi)種較好(hao)的方法(fa)網.但實(shi)際應用(yong)時BP算法(fa)存在收(shou)斂速度(du)慢和目(mu)标函數(shu)存在局(ju)部極小(xiao)等不足(zu)之✔️處.爲(wei)此采用(yong)基于誤(wu)差平方(fang)和最小(xiao)化的權(quan)值調整(zheng)算法即(ji)Levenberg-Marquart算法作(zuo)爲對BP算(suan)法的改(gai)進，稱之(zhi)爲LMBP算法(fa).BP算法以(yi)均方誤(wu)差作爲(wei)性能函(han)數,其♋表(biao)達式爲(wei)
 
　　式中，w爲(wei)網絡的(de)權值向(xiang)量,t爲期(qi)望輸出(chu)向量(标(biao)定值),y爲(wei)實際輸(shu)出✏️向量(liang),e爲誤差(cha)向量.LM算(suan)法結合(he)了梯度(du)法和高(gao)斯-牛頓(dun)法的優(you)點，具有(you)全局性(xing)和收斂(lian)速度快(kuai)的優勢(shi),并可通(tong)過對BP算(suan)法的修(xiu)正，避免(mian)🐪高斯-牛(niu)頓法中(zhong)求解Hessian矩(ju)陣的問(wen)題,減少(shao)了網✏️絡(luo)訓練中(zhong)的計算(suan)量和内(nei)存需求(qiu)量.權值(zhi)的調整(zheng)公式爲(wei)
 
　　式中，μ爲(wei)正常數(shu),I爲單位(wei)矩陣,e。爲(wei)網絡的(de)誤差向(xiang)量,J爲以(yi)網絡誤(wu)差🙇‍♀️對權(quan)值的一(yi)階導數(shu)爲元素(su)的Jacobian矩陣(zhen).△w每次叠(die)代時都(dou)對μ進行(hang)自适應(ying)調整,當(dang)網絡誤(wu)差減小(xiao)時減小(xiao)μ的值,反(fan)之增加(jia)μ的值.-般(ban)情況下(xia)Jacobian矩陣的(de)計算量(liang)較大，因(yin)此該算(suan)法比較(jiao)适合網(wang)絡規模(mo)不大、網(wang)絡⛹🏻‍♀️參數(shu)較少的(de)應用場(chang)合，本設(she)計中使(shi)用的是(shi)典型的(de)💯3層網絡(luo)結構,如(ru)圖4所示(shi).從圖中(zhong)可以看(kan)出該網(wang)絡輸入(ru)層、輸出(chu)層、隐層(ceng)❄️的節點(dian)🥵分别爲(wei)3個、1個、4個(ge),網絡規(gui)模較小(xiao)，因此使(shi)用LM算法(fa)可以取(qu)得較好(hao)的效果(guo).
 
3以太網(wang)結構的(de)實現
3.1TCP/IP協(xie)議的裁(cai)減
　　以太(tai)網中的(de)TCP/IP協議數(shu)以百計(ji)，而嵌入(ru)式系統(tong)的資源(yuan)有限,沒(mei)有必要(yao)實現全(quan)部TCP/IP協議(yi).裁減TCP/IP協(xie)議以适(shi)應工業(ye)以太網(wang)應用的(de)要求是(shi)當前的(de)一個研(yan)究熱點(dian),但目前(qian)尚無統(tong)一的裁(cai)減标準(zhun)4.在本應(ying)用中由(you)于網絡(luo)的連接(jie)數和數(shu)據的傳(chuan)輸量較(jiao)少，因此(ci)以夠用(yong)即可”爲(wei)原則，對(dui)TCP/IP協議進(jin)行合理(li)裁減.裁(cai)減後的(de)協議包(bao)括鏈路(lu)層中的(de)CSMA/CD.ARP協議，網(wang)絡層中(zhong)的IP協議(yi),ICMP中的Ping協(xie)議，傳輸(shu)層中的(de)TCP、UDP協議以(yi)及應用(yong)層中的(de)HTTP協議.
　　數(shu)據鏈路(lu)層的主(zhu)要作用(yong)是爲其(qi)上層協(xie)議發送(song)和接收(shou)數據幀(zhen),采用IEEE802.3規(gui)定的CSMA/CD協(xie)議,可使(shi)同一局(ju)域網上(shang)的多台(tai)計算機(ji)共享同(tong)一物理(li)傳輸介(jie)質，隻要(yao)采用通(tong)用的網(wang)絡接口(kou)控制芯(xin)片CS8900A就可(ke)實現該(gai)協議.以(yi)太網.上(shang)數據的(de)傳輸是(shi)通過網(wang)絡的MAC地(di)址進行(hang)識别的(de)，這就要(yao)求系統(tong)具有從(cong)IP地址轉(zhuan)換到MAC地(di)址的功(gong)能,即ARP(地(di)址解析(xi))協議.網(wang)絡層中(zhong)的IP協議(yi)是TCP/IP協議(yi)族的核(he)心協議(yi),它使異(yi)構網絡(luo)之間的(de)通信成(cheng)爲可能(neng).ICMP實現與(yu)其他主(zhu)機或路(lu)由器交(jiao)換錯誤(wu)報文和(he)其他重(zhong)要信息(xi)，由于本(ben)設計隻(zhi)需測試(shi)網絡聯(lian)通情況(kuang)，因此隻(zhi)保留了(le)其中的(de)Ping協議.傳(chuan)輸層中(zhong)的TCP協議(yi)和UDP協議(yi)爲2台主(zhu)機上的(de)應用程(cheng)序提供(gong)端到端(duan)的通信(xin).應用層(ceng)中的HTTP協(xie)議實現(xian)以浏覽(lan)器訪問(wen)的方式(shi).在以，上(shang)諸多協(xie)議中以(yi)實現TCP協(xie)議最爲(wei)困難,受(shou)運算資(zi)源限制(zhi)，隻能實(shi)現簡化(hua)的有限(xian)狀态機(ji)和滑動(dong)窗口确(que)認機制(zhi)以及單(dan)TCP連接.另(ling)外,爲過(guo)濾來訪(fang)信息，确(que)保數據(ju)安全還(hai)實現了(le)簡易網(wang)絡防火(huo)牆功能(neng),隻允許(xu)某些事(shi)先設置(zhi)好的IP地(di)址對流(liu)量計進(jin)行訪問(wen)，有效減(jian)輕了流(liu)量計的(de)工作負(fu)荷.
3.2以太(tai)網控制(zhi)芯片CS8900A的(de)應用
　　CS8900A是(shi)一款性(xing)能好、低(di)功耗的(de)以太網(wang)控制芯(xin)片,内部(bu)含🔞有👅802.3介(jie)質訪問(wen)🔆控制塊(kuai)(MAC),支持全(quan)雙工操(cao)作,具有(you)自動處(chu)♻️理沖突(tu)檢測、報(bao)頭生成(cheng)、CRC校✌️驗碼(ma)生成及(ji)其驗證(zheng)等功能(neng);同時通(tong)過對發(fa)送控制(zhi)寄存器(qi)(TCMD)的配置(zhi),MAC可以完(wan)成幀的(de)自動重(zhong)傳51.設計(ji)時選擇(ze)3V供📧電的(de)CS8900A-CQ3,同時爲(wei)了便于(yu)和MSP430F449之間(jian)的電✏️平(ping)匹配,在(zai)MSP430F449與CS8900A之間(jian)采用圖(tu)5所示的(de)硬件接(jie)口0.通過(guo)将管腳(jiao)/MEMW和/MEMR置高(gao),使CS8900A工作(zuo)在簡單(dan)的1/0模式(shi),該模式(shi)占用端(duan)口資源(yuan)較少.MSP430F449通(tong)過對/SBHE、/IOW和(he)/IOR等控制(zhi)信号線(xian)實現對(dui)CS8900A工作方(fang)式的控(kong)制和讀(du)寫操作(zuo).
 
　　在設計(ji)中考慮(lü)到CS8900A芯片(pian)采用的(de)是16位數(shu)據傳輸(shu)模式，因(yin)此在⁉️訪(fang)問🔱之前(qian)必須爲(wei)總線的(de)高位使(shi)能管腳(jiao)(1SBHE)提供--個(ge)由高⛹🏻‍♀️到(dao)低，再由(you)低到高(gao)變化的(de)電平信(xin)号.CS8900A通過(guo)網絡隔(ge)離變壓(ya)器TRC2023以12.5的(de)電壓比(bi)将數據(ju)發送到(dao)網絡,以(yi)11的電壓(ya)比從網(wang)絡接收(shou)數據.CS8900A芯(xin)片的初(chu)始化操(cao)作💁主要(yao)包括:軟(ruan)件複位(wei)并檢查(cha)标志位(wei)、設定16位(wei)工作模(mo)式、設定(ding)臨時以(yi)太網物(wu)理地址(zhi)、設定接(jie)收幀類(lei)🏒型、确定(ding)數據傳(chuan)送方向(xiang)、中斷使(shi)能以及(ji)數據收(shou)發使能(neng)等.
4結束(shu)語
　　利用(yong)磁阻傳(chuan)感器HMC1501實(shi)現了流(liu)量計機(ji)械連杆(gan)在士45°範(fan)💞圍内角(jiao)度的正(zheng)确測量(liang),并将流(liu)量計接(jie)入以太(tai)網，實現(xian)了流量(liang)測量的(de)智🔴能化(hua)🌈和網絡(luo)化,實際(ji)運行表(biao)明♉該系(xi)統工作(zuo)穩定、可(ke)靠🔴.

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