摘要：針(zhen)對用戶(hù)對高端(duan)電磁流(liu)量計 的(de)需求,提(ti)出了基(ji)于ARM9微處(chù)理器的(de)電磁流(liu)量計硬(yìng)件設計(jì)❌方案🌍。ARM9微(wei)處理器(qi)可以實(shi)現多種(zhǒng)勵磁方(fāng)式、數據(ju)的USB存儲(chǔ)、以太網(wang)絡通信(xin)、TFT彩屏顯(xiǎn)示等一(yi)系列的(de)功能。對(dui)電磁流(liú)量計的(de)測量裝(zhuang)置,基于(yu)ARM9核心闆(pan)的模塊(kuai)化電路(lu)設計作(zuò)了詳細(xi)的介紹(shào)。
0引言
　　随(sui)着流量(liang)檢測儀(yi)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(ying)用需求(qiu)。傳統的(de)流量檢(jian)測儀器(qì)一般依(yī)據🌈各自(zi)的測量(liàng)機理,通(tōng)過簡單(dan)的信息(xi)分析處(chu)理來完(wán)成測🔴量(liang)工作。因(yīn)此,在處(chù)理能力(li)、測量精(jing)度、誤差(cha)修正、功(gong)能擴展(zhan)等方面(miàn)都🥰存在(zai)着局限(xian)性。新一(yi)代流量(liang)檢測儀(yi)器将以(yǐ)更優良(liáng)的性能(néng)⭐取而代(dai)之。
　　目前(qian),高速、精(jīng)度高、大(dà)容量的(de)嵌入式(shi)處理器(qì)在控制(zhi)和♊測量(liang)領域的(de)應用越(yue)來越普(pu)遍,一旦(dan)應用到(dao)電磁流(liu)量🤞計[1]中(zhong),使得電(diàn)磁流量(liàng)🔴計的輸(shu)入信号(hao)數字濾(lü)波、曆史(shi)數據保(bao)存、輸出(chu)多種勵(lì)磁信号(hao)的變化(hua)、測量信(xin)息的特(tè)殊處理(li)、測量結(jié)果的動(dong)态圖形(xíng)顯示、人(ren)性化的(de)管理和(hé)控制等(děng)多方面(miàn)應用,都(dou)将成爲(wei)可能。尤(you)其是新(xin)一代網(wǎng)絡技術(shù)的發展(zhan)會🌈使得(dé)更多基(ji)于TCP/IP網絡(luò)協議的(de)儀器設(she)備✂️得到(dào)應用,針(zhen)對電磁(cí)流量計(ji)的遠程(cheng)數據交(jiāo)換傳送(sòng),基于典(dian)型的以(yi)太網通(tōng)訊接口(kǒu)也💃🏻應運(yùn)而生🍉[10]。
1.電(dian)磁流量(liang)計基本(ben)原理
　　電(diàn)磁流量(liang)計是依(yī)據法拉(lā)第電磁(ci)感應定(dìng)律來測(cè)量管内(nei)流體流(liu)量的測(cè)量裝置(zhi)[9],如圖1所(suǒ)示。當流(liú)體在管(guan)道内流(liú)動經過(guo)☁️一橫✂️向(xiàng)磁場B的(de)時候,相(xiang)當于有(yǒu)圖1..電🥰磁(ci)流量計(ji)原理圖(tú)一定電(diàn)導率的(de)導體在(zai)切割磁(cí)線,形成(cheng)動生🏒電(diàn)動勢,通(tong)過管道(dào)徑向兩(liǎng)電極可(ke)以引出(chū)該電動(dong)勢E,其💋大(dà)小與磁(cí)場B、流速(sù)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(chū)❤️兩電極(jí)之間的(de)電動勢(shì)E,即可确(que)定流量(liàng)Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
　　當勵磁(cí)電流、管(guǎn)道尺寸(cùn)和流體(ti)密度..确(que)定的情(qíng)況下⭐,流(liú)💔體的質(zhì)量♉流量(liàng)M僅取決(jue)于對兩(liang)電極間(jiān)的感應(ying)電勢E的(de)檢測。電(dian)磁流量(liang)🐪計的數(shù)學模型(xing)爲:
M=Coeρ(E-E0)x
其中(zhong):Coe爲儀表(biǎo)系數;E0爲(wei)儀表零(ling)點修正(zheng);x爲多段(duan)非線性(xing)修正。
2.AT91RM9200及(jí)核心闆(pan)
　　AT91RM9200是Atmel公司(sī)推出的(de)針對嵌(qiàn)入式應(ying)用的工(gōng)業級32位(wèi)ARM9嵌入式(shi)處理器(qi),最高工(gōng)作頻率(lǜ)達180MHz,其功(gōng)能強大(dà)、性能穩(wen)定⭕,非常(cháng)适合高(gao)端儀表(biǎo)的應用(yong),由它構(gòu)建的核(he)心闆形(xing)成了具(jù)🏃‍♀️有豐富(fu)接口資(zi)源的基(jī)本系統(tǒng),隻要擴(kuò)展應用(yong)模塊和(hé)💃🏻接口即(jí)可實現(xian)系統📧應(ying)用。介紹(shào)AT91RM9200的文獻(xian)很多,這(zhe)裏僅給(gei)出其主(zhu)要資源(yuán)和特性(xìng):
内置的(de)10/100M以太網(wǎng)MAC控制器(qi)
5個UART通道(dao)
2個主USB口(kou),1個從USB口(kou),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(háng)控制器(qì)
6個16位定(dìng)時器,一(yī)個32位實(shí)時鍾
4個(gè)SPI接口
PWM輸(shū)出
I2C接口(kou)
支持SDRAM,SRAM。Flash等(děng)
JTAG邏輯測(ce)試部件(jian),支持軟(ruǎn)/硬件開(kāi)發
　　由AT91RM9200構(gou)建的核(he)心闆集(jí)成了32M的(de)SDRAM、2M的并行(háng)Flash、8M的串行(háng)DateFlash、以太網(wǎng)電路和(he)複位電(diàn)路,構成(chéng)了一個(ge)基本系(xì)統,爲用(yong)戶的軟(ruǎn)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(xìn)号都通(tong)過兩個(gè)排針對(duì)外💜引出(chu),爲用戶(hu)提供了(le)非常豐(fēng)富的⁉️擴(kuò)展資源(yuan)。
　　由于在(zài)核心闆(pan)上移植(zhí)了嵌入(rù)式Linux操作(zuò)系統,其(qí)豐富的(de)軟件資(zi)源、開放(fàng)性和軟(ruan)件低成(cheng)本使得(dé)系統應(yīng)用變得(dé)方便可(kě)行。
3.智能(néng)電磁流(liu)量計硬(ying)件設計(jì)
3.1電磁流(liú)量計總(zong)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(bù)分主要(yao)由檢測(ce)輸入模(mó)塊、勵磁(cí)輸出模(mó)塊、流量(liang)輸出模(mo)塊、圖形(xíng)顯🚩示模(mo)塊、鍵盤(pan)模塊、通(tong)信及調(diao)試接口(kou)、電源模(mó)塊、以及(jí)最重要(yào)的基于(yu)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(liu)量計的(de)系統框(kuàng)圖。圖2嵌(qian)入式電(dian)磁流量(liàng)計系統(tong)框圖。

　　系(xi)統經過(guò)初始化(huà)之後,核(hé)心闆向(xiang)勵磁模(mó)塊輸出(chu)一數字(zi)💃🏻量的勵(li)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼磁信号(hào),經過D/A轉(zhuǎn)換和電(dian)流放大(dà),驅動傳(chuan)🔱感器的(de)勵磁線(xiàn)圈産生(shēng)一定強(qiang)度的磁(ci)場。傳感(gan)器的💜流(liu)速感應(yīng)電極👈送(sòng)出微弱(ruò)的感應(yīng)信号經(jīng)過輸入(rù)模塊的(de)放大濾(lü)波處理(lǐ),經過A/D轉(zhuan)換成數(shu)字量輸(shu)入ARM9處理(li)器,進一(yī)步進行(háng)數字分(fen)析🈲處理(li)。通過顯(xiǎn)示模塊(kuai)直接顯(xian)示瞬時(shí)流量👣、累(lèi)積流量(liang)和動态(tài)流量圖(tú)形。另外(wài)由流量(liàng)輸出模(mo)塊輸出(chu)4~20mA的标準(zhǔn)儀用瞬(shùn)時流量(liang)信号。
3.2.輸(shu)入及A/D轉(zhuan)換電路(lu)
　　檢測輸(shu)入模塊(kuài)包括差(chà)分測量(liang)放大器(qì)、低通和(he)高通🌈濾(lǜ)波器、增(zēng)益放大(dà)器以及(jí)A/D轉換電(dian)路,如圖(tú)3所示。圖(tu)3輸入及(ji)🚶‍♀️A/D轉換框(kuàng)圖。

　　由于(yú)電磁流(liú)量計的(de)電極輸(shū)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(ye)環境非(fēi)常大。因(yin)此,爲了(le)保證測(ce)量🍓精度(dù),送入A/D轉(zhuǎn)換的輸(shu)入信号(hào)應達到(dào)-2.5~+2.5V的範圍(wei),其❤️模拟(ni)部分電(diàn)壓增益(yi)應該在(zài)60dB以上。其(qí)中,前置(zhi)放大器(qì)🔴采用差(cha)分輸入(ru)的儀用(yong)放大器(qì)✂️AD620,高通濾(lü)波和低(di)通濾🔞波(bō)采用二(èr)階有源(yuán)濾波器(qì)😘形成帶(dài)通濾🏃🏻‍♂️波(bō)器濾除(chu)工😄頻及(ji)雜波,放(fàng)大器采(cǎi)用運放(fang)CA3240A完成。A/D轉(zhuan)換單元(yuán)采用MAX1297AEEG[4]實(shi)現12位并(bìng)行模數(shù)轉換,直(zhí)接與核(hé)心闆的(de)I/O線連接(jiē)如圖3所(suo)示,引腳(jiǎo)說明和(he)接法如(ru)下:
D0~D1112位數(shu)據,接B口(kǒu)的PB4~PB15;
INT.中斷(duàn)線,接核(hé)心闆的(de)IRQ0/PB29;
CS片選線(xian),接核心(xīn)闆B口的(de)PB22;
RD讀控制(zhi)線,接核(hé)心闆B口(kou)的PB16;
WR寫控(kòng)制線,接(jiē)核心闆(pǎn)B口的PB17;
模(mó)拟信号(hao)輸入CH0通(tong)道。
3.3.勵磁(cí)輸出電(dian)路
　　智能(neng)電磁流(liú)量計 的(de)勵磁電(diàn)路的任(ren)務是向(xiàng)勵磁線(xian)圈提供(gong)一穩定(dìng)的驅動(dòng)電⭐流。電(dian)流波形(xíng)爲方波(bo)、三值方(fang)波和梯(tī)形波[11]等(deng)形式,波(bo)形♻️變化(hua)的目的(de)是結合(he)信号處(chu)理電路(lu),分析在(zài)不同🔞勵(lì)磁方式(shì)下電磁(cí)流量計(ji)的精度(du)、零點穩(wen)定性和(hé)抗能力(li)等多項(xiang)指标。該(gai)電路由(you)核心闆(pan)的SPI2口輸(shu)💯出數字(zì)量,經過(guò)D/A轉換形(xing)成模拟(nǐ)信号,經(jīng)V/I轉換激(ji)勵和帶(dài)有電流(liú)負反饋(kuì)的電流(liu)放大器(qi)輸出,适(shi)合各種(zhong)勵磁波(bō)形的變(biàn)化。結構(gou)框圖😄如(ru)圖4。D/A轉換(huàn)電路采(cai)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(shuang)極性輸(shu)出。與ARM9核(hé)心闆的(de)SPI2口對接(jiē),如圖4所(suǒ)示。

其中(zhōng)引腳說(shuō)明和接(jiē)法如下(xia):
SDIN串行數(shu)據輸入(rù),接核心(xin)闆的MOSI;
SCLK同(tóng)步時鍾(zhōng),接核心(xīn)闆的SPCK;
SYNC串(chuan)行選擇(zé),接核心(xīn)闆的NPCS2;
CLR轉(zhuan)換清除(chu),接核心(xīn)闆I/O口的(de)PC14;
LDAC數據鎖(suǒ)入啓動(dòng),接I/O口的(de)PC15。
　　激勵放(fang)大器采(cai)用CA3240A運放(fang),其特點(dian)是電源(yuan)電壓高(gao),能獲得(de)較大的(de)輸🥵出動(dong)态範圍(wei)。電流放(fàng)大利用(yòng)兩對複(fu)合管實(shi)現,要求(qiu)管🔴子盡(jìn)可能配(pèi)對。接入(ru)勵磁線(xian)圈後,引(yǐn)入大環(huán)路的電(diàn)流負反(fan)饋,穩定(dìng)⚽輸出勵(lì)磁電流(liú)。
3.4.流量輸(shū)出模塊(kuai)
　　電磁流(liú)量計在(zai)實現測(ce)量、分析(xī)和處理(li)的時候(hòu),除了現(xiàn)場顯示(shi)瞬時流(liú)量和累(lèi)積流量(liang)以外,通(tōng)常還會(hui)輸出一(yī)⛷️個标準(zhǔn)的4~20mA電流(liú)信号。因(yin)此,該電(dian)路利用(yong)AD421轉換電(diàn)路實現(xian)了流量(liang)輸出的(de)功能。
　　AD421芯(xīn)片[6]是一(yi)款低電(dian)壓、SPI串行(háng)輸入、16位(wèi)Σ-Δ轉換的(de)D/A轉換電(dian)路,具備(bèi)4~20mA環路電(diàn)流輸出(chū),支持HART通(tōng)信協議(yì),非常适(shì)合該電(dian)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(qi)中引腳(jiao)說明和(he)接法如(rú)下:
?
DATA串行(háng)數據輸(shu)入,接核(he)心闆的(de)MOSI;
CLOCK同步時(shi)鍾,接核(he)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(yong)芯片提(ti)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(dian)源,+24V的環(huán)路電源(yuan)LOOPPOWER經内🔞部(bù)控制電(diàn)🔞流由LOOPRTN返(fǎn)回,形成(cheng)4~20mA的電流(liú)環路。
3.5.圖(tu)形顯示(shì)模塊
　　由(yóu)于AT91RM9200處理(lǐ)器未集(ji)成圖形(xíng)顯示,核(hé)心闆上(shàng)也未提(ti)供,所以(yi),要實現(xian)💜圖形顯(xian)示,必須(xu)構建圖(tú)形顯示(shi)模塊。電(dian)🐅路采用(yòng)LCD控🏃制器(qi)SID13506顯示芯(xin)片[7]實現(xiàn)彩色液(ye)晶點陣(zhen)顯示和(he)VGA标準✂️接(jie)口。系統(tǒng)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(kong)制器[8],主(zhǔ)要應用(yòng)于嵌😄入(rù)式系統(tǒng),最高支(zhī)持64K真彩(cǎi)色。系統(tong)配置了(le)1M的16位内(nei)存、LCD接口(kou)和VGA接口(kǒu)。3個系統(tong)時鍾BUSCLK、CLKI和(hé)CLKI2受PA7和兩(liang)組可控(kòng)震蕩器(qì)控制,核(hé)心闆通(tong)過PA7輸出(chū)50M時鍾經(jing)🤟過驅動(dong)🙇‍♀️接BUSCLK,核心(xīn)闆通💁過(guo)TWI管理兩(liang)🐆組可控(kong)震📧蕩器(qi)PCLK1和PCLK2。ARM9核心(xin)闆與SID13506芯(xin)片引腳(jiǎo)相連的(de)信号如(rú)表1所列(lie)。

3.6.鍵盤、通(tōng)信及調(diao)試部分(fen)電路
　　電(diàn)磁流量(liang)計的鍵(jian)盤、通信(xin)和調試(shi)部分電(diàn)路屬于(yu)嵌入🐪式(shì)系統的(de)典型應(yīng)用電路(lù),系統利(lì)用ZLG7289A構建(jiàn)了8×2小型(xing)鍵盤☀️,由(you)I/O模拟串(chuàn)🈲行口♻️建(jiàn)立系統(tǒng)連接,實(shí)現流量(liang)計的系(xi)統設🔞置(zhì)和按鍵(jiàn)數據輸(shū)入。
　　調試(shì)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(yuán)通過SP3232E建(jian)立的🔅,JTAG标(biao)準調試(shi)口直接(jiē)由核心(xin)闆引出(chu)。
　　通信功(gong)能的建(jian)立主要(yao)是直接(jie)由核心(xin)闆引出(chu)了10/100M的TCP/IP網(wang)絡接口(kǒu),将處理(lǐ)器的USART1單(dān)元通過(guò)SP3243建立了(le)RS232标準串(chuàn)行通信(xin)口COM1,将處(chù)理器的(de)USART2單元通(tong)過SP3481建立(lì)了RS485标準(zhun)串行通(tōng)🔞信口。
　　另(ling)外,引出(chu)處理器(qi)的HDMA和HDPA線(xian)建立USBHOST接(jiē)口,可外(wài)接USB存儲(chu)器🐪,作爲(wèi)電🌈磁流(liú)量計曆(li)史數據(jù)記錄設(she)備。相應(ying)連接和(hé)😍功能🐉框(kuàng)圖如圖(tú)7所示。

3.7.電(diàn)源電路(lù)
　　由ARM9核心(xin)闆構建(jian)的電磁(ci)流量計(ji)的電源(yuán)部分還(hái)是比較(jiào)複☂️雜的(de)💔,一般由(yóu)開關電(dian)源模塊(kuai)實現,其(qí)主電源(yuan)爲+5V穩壓(yā)電源,經(jīng)過2組穩(wen)壓器LT1085分(fèn)别産生(shēng)3.3V和1.8V供給(gei)核心闆(pan)使用,3.3V和(hé)+5V供給大(da)部分數(shu)字電路(lu)使用,數(shù)字電源(yuán)與模拟(ni)電源分(fèn)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(da)用的±15V,供(gòng)🈲給勵磁(ci)輸出的(de)±24V電源等(deng)。電⚽磁流(liú)量計的(de)☔功率消(xiāo)耗還是(shi)比較大(da)的。
4.應用(yong)系統軟(ruǎn)件簡介(jie)
　　ARM9電磁流(liu)量計的(de)軟件系(xì)統主要(yào)考慮的(de)是核心(xin)闆及各(gè)個硬件(jiàn)模塊的(de)初始化(huà)設置,系(xi)統在啓(qi)動之後(hòu),通過調(diào)用底層(céng)的驅動(dong)程序完(wán)成核心(xin)闆與各(ge)個硬件(jiàn)模塊之(zhī)間的命(ming)令控制(zhì)和數據(ju)傳送,建(jiàn)立相應(yīng)的中斷(duàn)服務子(zǐ)程序及(ji)中斷向(xiang)量表。采(cǎi)用模塊(kuai)化結構(gòu)建立系(xì)統程序(xù),電磁流(liú)量計應(ying)用系統(tǒng)主要由(yóu)定時器(qi)中斷進(jìn)行管理(lǐ),勵磁信(xìn)号的輸(shū)出和轉(zhuan)換保持(chi)、感應信(xin)号的多(duo)次數據(jù)采集、流(liú)量的顯(xiǎn)示和對(duì)外輸出(chū)等均由(you)定時器(qì)的中斷(duan)服務來(lái)完成。
5.結(jié)束語
　　該(gāi)系統作(zuo)爲高端(duān)電磁流(liú)量計的(de)應用研(yán)究,在硬(yìng)件上采(cǎi)用了模(mó)塊化設(she)計方法(fǎ),提高了(le)電磁流(liú)量計的(de)應用和(he)研究水(shuǐ)平,降低(di)了設計(jì)難度,已(yi)被列入(rù)重大科(kē)技攻關(guan)項目..嵌(qiàn)入式系(xì)統智能(neng)儀表開(kai)發平台(tai)的研究(jiu)及其在(zai)流量儀(yi)表設計(ji)中的應(ying)用之中(zhōng),目前正(zhèng)在作進(jin)一步的(de)完善和(he)提高。

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