摘(zhai)要:介紹(shao)一種基(jī)于以太(tai)網的新(xin)型智能(neng)金屬管(guan)浮子流(liu)量計 的(de)設計方(fāng)案。應用(yong)磁阻傳(chuán)感器測(ce)量金屬(shu)浮子角(jiǎo)位移,結(jie)合精度(dù)高A/D轉換(huàn)器和低(dī)功耗MCU實(shí)現數字(zì)化采集(jí)和智能(neng)控制。系(xi)統提供(gòng)了🈲電流(liu)變送器(qì)XTR115輸出的(de)電流環(huan)接口👈和(he)基于TCP/P工(gōng)業簡化(huà)協議的(de)以太網(wǎng)數據通(tōng)信接口(kǒu)。結合相(xiang)應的固(gu)件系統(tong),成功實(shi)現了精(jīng)度高、低(dī)功耗的(de)數字化(huà)流量計(ji)。
　　金屬管(guan)浮子流(liu)量計具(ju)有其耐(nai)高溫、耐(nài)高壓、耐(nai)腐蝕等(deng)特點🏒而(ér)💞廣泛應(yīng)用于中(zhōng)小流速(sù)流量的(de)工業計(jì)量。當前(qian)一般🔞利(lì)用✊霍爾(ěr)🌂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(liàng)機械連(lian)杆的旋(xuán)轉角度(du)等原理(lǐ)🤞進行設(she)計“。電路(lu)設計複(fu)雜、功耗(hao)💜較大、精(jīng)度不高(gao)。一種使(shǐ)用各向(xiàng)異性⁉️磁(cí)阻(AMR)傳感(gan)原理,應(yīng)用低功(gōng)耗單片(pian)機,并擁(yōng)有工業(yè)以太網(wang)通信接(jiē)口的新(xin)型智❤️能(néng)金屬管(guan)浮子流(liu)量計的(de)設計方(fang)案。該流(liú)量計具(jù)有精度(dù)高、功耗(hao)低、易于(yú)構造測(ce)控網絡(luo)等特點(diǎn),能廣泛(fan)應用于(yu)工業計(jì)量,适合(he)日益興(xìng)🙇‍♀️起的工(gong)業以太(tai)網的🛀發(fa)展需求(qiu)。
1總體設(she)計
　　金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)由錐形(xing)管、内置(zhi)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(shí),浮子将(jiāng)⭐在錐形(xíng)管🍓内.上(shang)下移動(dong),并由磁(cí)鋼耦合(hé)帶動機(ji)械連杆(gǎn)旋🌈轉一(yi)定角度(du)θ。流量Q和(he)浮子移(yi)動的距(jù)離h以及(ji)連杆角(jiao)度θ存在(zai)着相應(yīng)的函數(shù)關❗系,即(ji):
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以,對(dui)θ值的測(cè)量精度(dù)直接關(guān)系到流(liu)量的測(cè)量精✉️度(du),本設計(jì)選用磁(ci)阻傳感(gǎn)器HMC1501測量(liàng)θ值,可保(bao)證模拟(ni)量測量(liang)✌️部分的(de)高精度(dù)☔要求。前(qian)端模數(shù)轉換數(shù)據處理(lǐ)🏃‍♀️和控制(zhì)⭕部分,選(xuǎn)⛱️用内部(bu)💔集成高(gao)🛀🏻精度A/D轉(zhuǎn)換器和(hé)16位硬❓件(jiàn)乘法器(qì)的低功(gōng)耗單片(piàn)機MSP430F449。接口(kǒu)設計分(fen)爲兩部(bù)分:(1)由電(dian)流變送(sòng)器XTR115提供(gòng)标準的(de)4~20mA電流環(huán)信号;(2)應(yīng)用CiruLogic公司(si)的10BASE-T以太(tai)網控制(zhi)器CS8900A實現(xiàn)工業以(yǐ)太網接(jie)口。總體(tǐ)設計框(kuang)圖如圖(tú)1所示。
 
2模(mó)拟量測(cè)量及磁(cí)阻傳感(gǎn)器的應(ying)用
2.1磁阻(zǔ)傳感器(qì)測量原(yuán)理和特(tè)性
　　含鐵(tiě)材料的(de)各向異(yì)性原理(lǐ)可感測(cè)周圍磁(cí)場的變(biàn)化🏃‍♂️,運用(yong)特殊🚩工(gōng)藝可制(zhi)成薄膜(mó)狀磁阻(zu)元件。HMC150就(jiù)是以此(ci)原理爲(wèi)⭐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(deng)電🐇橋(如(ru)圖2所示(shi))。在外加(jiā)磁場的(de)作用下(xià),使得通(tōng)過磁阻(zu)的電流(liú)發生變(biàn)化，從而(er)在輸出(chu)端形❓成(chéng)差分電(diàn)壓△V。
 
　　HMC1501傳感(gan)器是一(yī)種工作(zuò)在磁飽(bao)和狀态(tài)的變換(huàn)器件,此(cǐ)🚩時傳感(gan)器對磁(cí)場大小(xiao)不再敏(mǐn)感,其輸(shu)出值僅(jǐn)和磁場(chang)方向有(yǒu)關,利用(yong)此原理(li)就可以(yi)感測周(zhōu)圍磁場(chang)相對于(yú)傳感器(qì)的角度(dù)變📱化。HMC1501角(jiǎo)度測量(liàng)範圍爲(wèi)±45˳，分辨度(dù)小于0.07°,傳(chuan)感器和(he)磁鐵㊙️之(zhī)間的有(yǒu)📐效線性(xìng)距離爲(wèi)8mm。典型電(diàn)壓應用(yòng)時(橋路(lu)激勵電(diàn)壓3.3V),橋路(lù)電阻和(hé)輸出電(diàn)壓分别(bié)爲4.51Ω和-55mV~+55mV,其(qi)輸入輸(shu)出特性(xing)爲:
 
式中(zhong)各變量(liàng)分别爲(wèi)
V˳橋路輸(shū)出電壓(ya);Kt與溫度(du)相關的(de)增益;
Vs橋(qiao)路激勵(li)電壓;S材(cai)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(piān)置電壓(ya)的溫敏(min)系數(-0.01%/℃)。
　　以(yǐ)上說明(míng)當溫度(dù)變化較(jiao)小時,橋(qiáo)路輸出(chū)電壓與(yǔ)θ角成♊正(zhèng)🔴弦函數(shù)㊙️關系。而(ér)當溫度(dù)變化較(jiao)大時,測(ce)量精度(du)會受到(dào)影響,其(qí)♻️中橋路(lu)電🌐阻溫(wen)度系數(shù)爲0.28%/℃,靈敏(mǐn)度溫度(dù)系數爲(wèi)-3.2%/℃。所以在(zai)該設計(jì)中引入(rù)了溫度(dù)補償手(shǒu)段。
 
　　圖3表(biao)示θ角和(he)輸出電(dian)壓之間(jian)的函數(shù)關系。另(lìng)一方面(mian)該傳感(gǎn)器🏃的功(gōng)耗很低(di),由式P=Vs2/R(R爲(wei)橋路電(diàn)阻)可知(zhi),當3.3V供橋(qiáo)時功耗(hao)僅爲2.42mw,滿(man)足低功(gōng)耗設計(ji)的要求(qiu)。
2.2檢測電(dian)路設計(ji)和數字(zi)濾波
　　HMC1501輸(shu)出的橋(qiao)路信号(hào)較小,接(jiē)入A/D之前(qian),需要進(jìn)行信号(hào)的放大(dà)和調理(lǐ)。設計選(xuan)用典型(xing)差分式(shì)放大電(dian)路,如圖(tú)4所示。
 
　　放(fàng)大器的(de)選擇需(xu)要滿足(zú)兩點:第(dì)--,能夠單(dan)電源工(gōng)作,可🈲簡(jian)化系統(tong)電源設(shè)計;第二(er),較低的(de)溫度漂(piāo)移。設計(ji)🈚中使用(yong)了TI的低(dī)溫漂♋高(gāo)運放ILC27L2。由(you)于采用(yòng)了單電(diàn)源供電(dian),所以要(yao)求A點電(dian)位始終(zhong)大于B點(diǎn),否則放(fàng)大器的(de)輸出就(jiu)會失💛真(zhēn),爲了擡(tai)升A點的(de)電♉位,可(kě)以在🧑🏾‍🤝‍🧑🏼含(han)Out+的支路(lu)🥰中,對模(mó)拟地之(zhi)間串接(jie)一個電(diàn)阻,适當(dang)的放大(da)倍數下(xià)電阻阻(zǔ)值取300Ω。硬(yìng)件采用(yong)RC濾波💯,在(zai)運放正(zhèng)負輸入(ru)腳㊙️之間(jiān)，以及負(fù)反，饋回(hui)路_上加(jia)入濾波(bo)🆚電容,通(tōng)過計算(suan)和試驗(yàn)選擇了(le)容值♋,提(ti)高系統(tong)的EMC性能(neng)。
　　放大後(hou)的信号(hào),經過一(yi)-級電壓(ya)跟随器(qì),送入MSP430F449單(dān)片機内(nei)部♈12位🔆SAR型(xing)ADC進🈲行模(mo)數轉換(huan)。高速采(cǎi)樣和16個(ge)AD值寄存(cún)器,爲數(shù)字濾波(bo)提供了(le)方便。運(yùn)用積分(fen)算法取(qu)得了很(hěn)好的效(xiào)果。算法(fǎ)中設置(zhì)--定長度(dù)🈲的時間(jiān)窗口,采(cǎi)樣值按(àn)時間順(shùn)序先入(ru)先出(FIFO),然(ran)後取平(píng)均值計(jì)🛀🏻算。系統(tong)可以通(tong)過軟件(jiàn)設置窗(chuāng)口長度(dù),以在濾(lǜ)波效果(guo)和測控(kong)時延之(zhī)間取得(de)平衡。
3系(xì)統接口(kǒu)設計
3.1電(dian)流環信(xin)号(4~20mA)輸出(chu)
　　經過模(mo)數轉換(huàn)和數值(zhi)處理後(hòu)的流量(liàng)數據或(huò)控制數(shù)據,由系(xi)統接口(kou)提供給(gěi)外部設(she)備。工控(kong)環境下(xia),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(liú)變送器(qì)💔。轉換精(jing)度高達(da)±0.05%非線性(xing)🔅誤差±0.003%。
 
　　圖(tu)5是實現(xian)流量數(shu)據到電(diàn)流環的(de)DA轉換過(guo)程。MSP430單片(piàn)機🤟輸出(chu)PWM(脈寬🍓調(diao)制)信号(hao),由RC積分(fen)電路将(jiāng)脈沖信(xìn)号轉換(huàn)成連續(xu)的電壓(ya)信号。--級(ji)放大後(hòu)送入XTR115電(diàn)流變送(song)器,弱電(dian)壓或😘電(diàn)流信😄号(hào)經電流(liu)變送器(qì)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(duì)應關系(xì),由軟件(jiàn)标定程(chéng)序實現(xiàn)。
3.2工業以(yǐ)太網通(tōng)信
(1)工業(ye)以太網(wǎng)應用前(qián)景
　　以太(tài)網使用(yòng)星型拓(tuò)撲結構(gòu)交換技(ji)術的全(quan)雙工通(tong)信🎯方式(shì),基本消(xiāo)除了由(you)介質訪(fǎng)問控制(zhi)方式(沖(chong)突檢測(cè)載波多(duo)點訪🈲問(wèn)CSMA/CD)導緻的(de)通信不(bú).确定性(xing),滿足工(gōng)業控制(zhi)領域對(dui)實⁉️時性(xing)的基本(ben)要❗求。同(tóng)時以太(tai)網豐富(fù)的資源(yuán)和低廉(lian)的成本(běn)必将促(cù)進其在(zai)工🐆控領(lǐng)域的進(jin)一-步普(pǔ)及🈲,面向(xiang)工業應(ying)用的TCP/IP協(xie)議也将(jiāng)成爲現(xiàn)場❓總線(xiàn)的基礎(chǔ)協🌐議。
(2)面(mian)向應用(yòng)裁減TCP/IP協(xié)議
　　TCP/IP協議(yi)族非常(cháng)豐富,但(dàn)由于嵌(qiàn)入式系(xi)統的資(zi)源有限(xiàn),在保⛱️證(zhèng)實時、低(dī)誤碼率(lǜ)前提下(xia)對TCP/P協議(yì)進行裁(cái)減以适(shi)應工業(ye)以太網(wǎng)應用成(chéng)爲-一個(ge)研究熱(rè)點,目前(qian)尚無統(tong)--标準公(gong)布[4]。本設(she)計中以(yi)實際應(ying)用爲背(bei)景、采用(yong)📧夠用即(jí)可🆚”原則(zé),對協議(yì)簇進行(hang).了裁減(jiǎn),各層分(fèn)别實✉️現(xiàn)的協議(yì)見💞表1。
 
　　表(biǎo)1中鏈路(lu)層爲其(qí)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(yi)太網基(jī)本物理(lǐ)傳輸介(jiè)質訪問(wèn)方式,實(shí)現該協(xie)議采用(yong)通用的(de)網絡接(jie)口控制(zhi)芯片CS8900A。爲(wei)實現網(wǎng)絡MAC地址(zhi)到P地址(zhǐ)的轉換(huàn)功能,加(jia)入了ARP地(di)址解析(xi)協議。IP協(xié)議則是(shi)TCP/P協議族(zu)的核心(xin)協議,使(shǐ)異構網(wǎng)絡之間(jiān)的通信(xin)成爲可(ke)能。而CMP協(xié)議隻是(shi)IP協議的(de)附屬協(xié)議,設計(jì)中隻需(xu)測試網(wang)絡聯通(tong)情況,故(gù)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(bao)協議)是(shi)兩種傳(chuán)輸層協(xié)議,二者(zhě)建立于(yu)IP協議之(zhi)，上,爲兩(liang)台主機(jī).上的應(yīng)用程序(xu)提供端(duan)到端的(de)通信。應(yīng)用層上(shang)實現了(le)基于.HTIP協(xié)議的WEB浏(liu)覽服務(wù)。
TCP協議的(de)實現最(zui)爲困難(nan)。受資源(yuan)限制，隻(zhi)實現了(le)簡化的(de)有限狀(zhuang)态機和(hé)滑動窗(chuāng)口機制(zhì)以及單(dān)TCP連接。
(3)以(yi)太網控(kong)制器CS8900A
　　CS8900A内(nèi)部含有(you)802.3介質訪(fang)問控制(zhi)塊(MAC),支持(chí)全雙工(gōng)操作,自(zi)動💃處理(li)沖突檢(jian)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼測、報頭(tou)生成、CRC校(xiào)驗碼生(shēng)成和驗(yan)證功能(neng)。通過對(dui)發送控(kong)制寄存(cún)器(TQMD)配置(zhi),MAC可以完(wan)成幀的(de)自動重(zhòng)傳功能(neng)[5]’。
　　圖6所示(shi)的MSP430F449與CS8900A的(de)連接采(cai)用簡單(dān)的IO模式(shì)。該模式(shi)占用内(nei)存資源(yuán)💯少,相應(yīng)管腳MBMW和(hé)MEMR需被置(zhì)高。單片(pian)機通過(guo)/SBHE、/DW和/DR等控(kong)制信号(hao)線實現(xian)⛱️對CS8900A的工(gōng)作方式(shì)控制和(he)讀寫操(cāo)作'6]。芯片(piàn)使用中(zhong)比較重(zhong)要的是(shi)初始化(hua)操作,包(bāo)括:軟件(jiàn)複位并(bing)檢查标(biao)志位、設(she)定工作(zuò)模式、設(shè)定臨時(shi)以太網(wang)物理地(di)址、設定(dìng)接收幀(zhen)類型、确(que)定🔞數據(ju)傳送方(fang)💘向、中斷(duan)使能以(yi)及數據(ju)收發使(shi)能等。
 
(4)以(yi)太網通(tong)信測試(shi)
 
　　網絡測(ce)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(shi)化後,都(dōu)設定了(le)MAC地址和(he)IP地址,所(suo)有IP地址(zhǐ)均爲C類(lèi)地址。這(zhe)樣即可(kě)以接收(shou)以太網(wǎng)單播或(huo)廣播包(bāo)。首先,在(zài)主機.上(shang)PC機測試(shì)終端流(liú)✊量計的(de)ARP工作機(jī)制和實(shí)現情📞況(kuang)。結果如(ru)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(shí)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(yòng)ping.程序測(ce)試網絡(luo)上的任(rèn)何一台(tái)流量計(jì)終端,圖(tú)♊中顯示(shì)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(zhu)機的ARP高(gao)速緩存(cun),結果顯(xiǎn)示已添(tiān)加⭐了對(duì)象終端(duān)的IP和MAC地(di)址。測試(shì)主‼️機和(he)終端流(liú)量計之(zhi)間UDP數據(jù)的傳輸(shū)效果。UDP協(xie)議提供(gong)👈簡單的(de)面向數(shu)據報的(de)傳輸層(céng)協議。一(yī)個簡單(dan)的UDP應用(yong)程序如(rú)💜圖9所示(shì)🌐。主機對(dui)終端流(liu)量👣計發(fā)送UDP數據(jù)命令🌈,當(dāng)流量計(jì)收到"DataCollection!”命(mìng)💘令就回(huí)送采集(jí)到的兩(liǎng)路ADC的電(diàn)壓信号(hào)值。測試(shi)結果表(biao)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(shù)據處理(li)功能。
 
　　通(tōng)過TCP簡化(huà)協議實(shi)現了基(jī)于HTTP協議(yì)的終端(duan)流量計(jì)WEB服務,簡(jian)化的HTML網(wǎng)頁數據(ju)保存在(zài)MCU的片内(nèi)FLASH存儲器(qì)中。HTTP服務(wu)器可以(yi)動态實(shi)時更新(xin)數據。在(zai)浏覽器(qi)的URL地址(zhi)中鍵入(ru):htp://210.29.104.41,就可以(yǐ)浏覽如(ru)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(guò)以_上方(fāng)案成功(gōng)實現了(le)低功耗(hào)、較低成(cheng)本智能(neng)金屬📧管(guan)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(shí)時、可靠(kào)的網絡(luò)測控系(xi)統,并在(zai)實際應(ying)用中得(de)到驗證(zheng),同時也(ye)爲主機(jī)(PC)軟件開(kai)發提供(gòng)了廣闊(kuò)的空間(jiān)。

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