摘要:根(gēn)據磁阻傳感(gǎn)器的角位移(yi)測量原理,提(tí)出智能金屬(shǔ)管浮子流量(liàng)計
的設計方(fang)案.該方案采(cǎi)用低功耗MCU和(he)精度高ADC實現(xiàn)對流量的✊數(shù)字💰化采集和(he)智能控制,應(yīng)用LMBP算法實現(xiàn)精度高的靜(jìng)态特征曲線(xian)拟合;通過裁(cai)減TCP1IP協議,在以(yǐ)太網上實現(xiàn)了流量計與(yu)用戶的數據(jù)通信.實際運(yùn)行表明，設計(ji)的流量計系(xi)統運行🔞穩定(dìng)可靠.
金屬管(guǎn)浮子流量計(ji)具有耐高溫(wēn)耐高壓、耐腐(fu)蝕等特點,在(zai)中低流速、流(liú)量的工業計(ji)量中得到了(le)廣泛💰應用🐉.目(mù)前采用電遠(yuan)傳方式的流(liu)量計多以霍(huò)爾元🎯件或電(diàn)💚容式角位移(yi)作爲傳感器(qi),不但結構複(fu)雜、精度較低(di)，而且不具備(bèi)以太網接口(kǒu)功能.本文中(zhong)作者🍉應用各(ge)向異性磁阻(zǔ)的傳感原理(li)設計了一種(zhong)能與以太網(wang)通信⭕的🔱智能(néng)金屬管浮🚶♀️子(zǐ)流量計.該流(liu)量計具有精(jing)度高、功耗低(di)、設計簡單等(deng)特點,可廣泛(fàn)應用于🍉工業(ye)計量,特别是(shi)适應了工業(ye)以太網的發(fā)展需求.
1總體(tǐ)設計
金屬管(guan)浮子流量計(ji)由錐形管、内(nei)置磁鋼的浮(fu)子以及外置(zhì)嵌有磁鋼的(de)機械連杆等(děng)構件組成.當(dāng)流量變化❌時(shí)，浮子在錐形(xíng)管内上下移(yi)動,并由磁鋼(gang)耦合🆚帶動機(ji)械連杆旋轉(zhuǎn)-定💞角度.此角(jiǎo)度與流量的(de)大小存在着(zhe)一對應的關(guān)系,隻要測出(chu)角度便可通(tong)過對應關系(xi)求出流量,因(yin)此對角度的(de)正确測量是(shì)流量計設計(jì)的關鍵🛀.具體(ti)設計時采用(yòng)Honeywell公司生産的(de)磁阻傳感器(qi)HMC1501實❓現對機械(xie)連杆角位移(yí)的正确測量(liang),選擇MSP430F449單片機(ji)作爲MCU,采用CirrusLogic公(gong)司生産的以(yi)太網控制芯(xīn)片CS8900A實🔴現網絡(luò)互聯.系統的(de)總體設計框(kuang)圖如圖1所示(shi).
2HMC1501磁阻傳感器(qì)的應用
2.1磁阻(zu)傳感器的測(cè)量原理和工(gōng)作特性
鐵磁(ci)性材料通常(chang)爲各向異性(xìng)材料,當采用(yong)特殊工藝将(jiāng)💔其制成薄膜(mo)狀的電阻元(yuan)件後,便可用(yong)于感測周圍(wéi)🛀磁場的變化(huà).HMC1501傳感器是一(yi)種工作在磁(cí)飽和狀✏️态下(xia)的變換器件(jiàn),在此狀态下(xià)電阻對磁場(chǎng)的大小😍不敏(min)感,僅與磁場(chǎng)的方向有關(guan)😄，利用此原理(li)就可以感測(ce)周圍磁場相(xiàng)對于傳感器(qì)的角度變化(hua)4.圖2顯示🏃♀️了HMC1501的(de)磁場角度和(hé)輸出電壓之(zhī)間的對應關(guān)系，當磁場角(jiao)度爲-45°~+45°時輸出(chu)💚電壓遞減且(qiě)單調性好，因(yin)此将HMC1501的有效(xiao)角度範圍定(ding)義爲±45°,在此範(fàn)圍内分⁉️辨率(lü)小于0.07°.典型橋(qiáo)路的電阻和(he)輸出電壓分(fen)别爲33kQ和-60~60mV,橋路(lù)供電電壓較(jiao)寬(1~24V),當以5V供電(diàn)時功耗僅爲(wèi)0.76mW,由此可見🈲功(gong)耗低是♍該傳(chuán)感器的優勢(shi)之一.該傳感(gǎn)器存在零點(dian)偏置電壓,需(xu)進行補償.一(yī)般補償的方(fang)法可分爲硬(ying)件補償和軟(ruǎn)件補償,但硬(ying)件補償需設(shè)計複雜的電(diàn)路,成本較高(gāo),而軟件補償(chang)随着MCU處理能(néng)力的提高得(dé)到了廣泛應(yīng)用,本設計中(zhōng)采用軟件補(bǔ)償.
2.2傳感器檢(jiǎn)測電路設計(ji)
爲簡化傳感(gan)器檢測電路(lu)設計，采用了(le)依靠單電源(yuan)供電💋的放大(da)器TLC27L2,這就要求(qiú)OUT+點的電位大(dà)于OUT-點的電位(wèi),否則放大器(qì)的輸出就會(hui)失真.但HMC1501的典(diǎn)型輸出信号(hao)在.60~60mV之間,因此(cǐ)必須在含OUT+的(de)支路的節點(dian)2和模拟地之(zhī)間串接一阻(zǔ)值大于243Ω的電(diàn)阻，爲保證一(yī)定的冗餘度(dù)♌,該電阻取300Ω,圖(tu)3爲簡化後的(de)✔️傳感器檢測(ce)♋電路.
2.3LMBP算法及(jí)應用
智能金(jin)屬管浮子流(liu)量計采用2個(gè)HMC1501傳感器和1個(ge)溫度傳感器(qì),其中2個HMC1501一個(gè)用于感測連(lian)杆磁鋼的方(fāng)向變化,另一(yī)個用于補償(cháng)浮子磁鋼上(shàng)下移動所形(xíng)成的複合磁(ci)場的影響,溫(wēn)度傳感器‼️感(gan)測HMC1501周圍的溫(wēn)度并予以溫(wēn)度補償.溫度(du)傳感器的🧑🏾🤝🧑🏼數(shu)學模型很難(nan)用解📞析式描(miáo)述,傳統的做(zuo)法是在不同(tóng)溫度♋下進行(hang)标定，這種做(zuò)法不但計算(suan)量大、占用存(cún)儲空間多,而(ér)且計算精度(dù)不高.鑒于🚶♀️人(rén)工神經網絡(luò)能❌夠完成任(ren)意的非線性(xìng)映射,其中BP算(suan)法(BackPropagation)具有以任(ren)意精度💜逼近(jin)任何非線性(xing)函數的能力(li)，而且無需事(shi)先确定函數(shù)形式，因此利(lì)用BP神經網絡(luò)處理傳感器(qi)靜态特📧性的(de)非線性是一(yi)種較好的方(fang)法網❤️.但實際(ji)應用時BP算法(fa)存在收斂速(su)度慢和目标(biao)函數存在局(jú)部極小等不(bú)足之處.爲此(ci)采♻️用基于誤(wù)差平方和最(zuì)小化的權值(zhí)調整算法即(jí)Levenberg-Marquart算法作爲對(dui)BP算法的改進(jin)，稱之爲LMBP算法(fa).BP算法以均方(fang)誤差作爲性(xìng)能函數,其表(biao)達式爲
式中(zhong)，w爲網絡的權(quán)值向量,t爲期(qī)望輸出向量(liang)(标定值),y爲實(shí)際輸🌈出向量(liàng),e爲誤差向量(liang).LM算法結合了(le)梯度法和高(gao)斯-牛㊙️頓法的(de)優點，具有全(quán)局性和收斂(liǎn)速度快的優(you)勢⁉️,并可通過(guò)對BP算法的修(xiu)正，避免高斯(sī)-牛頓法🍉中求(qiú)解Hessian矩陣的問(wen)題,減少了網(wang)⭐絡訓練中的(de)計算量🌈和内(nei)存需求量.權(quan)值的調整公(gong)式爲
式中，μ爲(wei)正常數,I爲單(dan)位矩陣,e。爲網(wǎng)絡的誤差向(xiàng)量,J爲以🈲網絡(luò)誤差對權值(zhí)的一階導數(shu)爲元素的Jacobian矩(jǔ)陣.△w每次叠代(dài)時都對μ進行(háng)自适應調整(zhěng),當網絡誤差(chà)減小🤞時減小(xiǎo)μ的值,反🏃🏻♂️之增(zeng)加μ的值.-般情(qing)況下Jacobian矩陣的(de)計算量較大(dà)，因此該算法(fa)比較适合網(wang)絡規模🔞不大(dà)、網絡參數較(jiào)少的應用場(chang)合，本設計中(zhōng)使用的是典(diǎn)型的3層網絡(luo)結構,如圖4所(suǒ)示.從圖中可(kě)以看出該網(wǎng)絡輸入層、輸(shū)出層、隐層的(de)節點分别爲(wei)3個♻️、1個、4個,網絡(luo)規模較小，因(yīn)此使用LM算法(fa)可以取得較(jiao)好的效果.
3以(yi)太網結構的(de)實現
3.1TCP/IP協議的(de)裁減
以太網(wǎng)中的TCP/IP協議數(shu)以百計，而嵌(qian)入式系統的(de)資源有限,沒(méi)有必要實現(xiàn)全部TCP/IP協議.裁(cái)減TCP/IP協議以适(shì)應工業以太(tai)網應用的要(yào)求是當前的(de)一個研究熱(rè)點,但目前尚(shàng)無統一的裁(cai)減标準4.在本(ben)應用中由于(yú)網絡的連接(jiē)數和數據的(de)傳輸量較少(shao)，因此以夠用(yong)即可”爲原則(zé)，對TCP/IP協議進行(háng)合理裁減.裁(cái)減後的協議(yi)包括鏈路層(céng)中的CSMA/CD.ARP協議，網(wang)絡層中的IP協(xié)議,ICMP中的Ping協議(yì)，傳輸層中的(de)TCP、UDP協議以及應(ying)用層中的HTTP協(xie)議.
數據鏈路(lù)層的主要作(zuo)用是爲其上(shang)層協議發送(sòng)和接收數據(ju)幀,采用IEEE802.3規定(ding)的CSMA/CD協議,可使(shǐ)同一局域網(wang)上的多台計(ji)算機共享同(tong)一物理傳輸(shu)介質，隻要采(cai)用通用的網(wǎng)絡接口控制(zhì)芯片CS8900A就可實(shi)現該協議.以(yi)太網.上數據(ju)的傳輸是通(tōng)過網絡的MAC地(dì)址進行識别(bié)的，這就要求(qiú)系統具有從(cóng)IP地址轉換到(dao)MAC地址的功能(néng),即ARP(地址解析(xī))協議.網絡層(céng)中的IP協議是(shi)TCP/IP協議族的核(he)心協議,它使(shi)異構網絡之(zhī)間的通信成(cheng)爲可能.ICMP實現(xian)與其他主機(ji)或路由器交(jiāo)換錯誤報文(wén)和其他重要(yao)信息，由于本(ben)設計隻需測(ce)試網絡聯通(tōng)情況，因此隻(zhi)保留了其中(zhong)的Ping協議.傳輸(shu)層中的TCP協議(yì)和UDP協議爲2台(tai)主機上的應(yīng)用程序提供(gòng)端到端的通(tōng)信.應用層中(zhong)的HTTP協議實現(xiàn)以浏覽器訪(fang)問的方式.在(zai)以，上諸多協(xie)議中以實現(xiàn)TCP協議最爲困(kùn)難,受運算資(zi)源限制，隻能(neng)實現簡化的(de)有限狀态機(jī)和滑動窗口(kǒu)确認機制以(yǐ)及單TCP連接.另(lìng)外,爲過濾來(lai)訪信息，确保(bǎo)數據安全還(hái)實現了簡易(yì)網絡防火牆(qiáng)功能,隻允許(xǔ)某些事先設(she)置好的IP地址(zhǐ)對流量計進(jìn)行訪問，有效(xiao)減輕了流量(liàng)計的工作負(fu)荷.
3.2以太網控(kòng)制芯片CS8900A的應(yīng)用
CS8900A是一款性(xing)能好、低功耗(hào)的以太網控(kong)制芯片,内部(bu)含有802.3介❓質訪(fang)問控制塊(MAC),支(zhī)持全雙工操(cao)作,具有自動(dòng)處理沖突檢(jian)♍測、報頭生成(cheng)、CRC校驗碼生成(cheng)及其驗證等(děng)功能;同時通(tong)過對發送控(kong)制寄存器(TCMD)的(de)配置,MAC可以完(wán)成幀的自動(dong)重傳51.設計時(shi)選擇3V供電的(de)CS8900A-CQ3,同時爲了便(bian)于和MSP430F449之間的(de)電平匹配,在(zai)MSP430F449與CS8900A之間采用(yòng)圖5所示的硬(yìng)件☁️接口0.通過(guo)将管🌈腳/MEMW和/MEMR置(zhi)高,使CS8900A工作在(zai)簡單的1/0模式(shì),該模式占用(yong)端口資源較(jiao)少💯.MSP430F449通過對/SBHE、/IOW和(hé)/IOR等控制信号(hào)線實現對CS8900A工(gong)作方式的控(kong)制和讀寫操(cāo)作.
在設計中(zhong)考慮到CS8900A芯片(pian)采用的是16位(wei)數據傳輸模(mó)式，因此在訪(fǎng)問之前必須(xū)爲總線的高(gao)位使能管腳(jiǎo)(1SBHE)提供--個由高(gāo)到低，再由♉低(dī)到高變化的(de)電平信号.CS8900A通(tong)過網絡隔♻️離(li)變壓器TRC2023以12.5的(de)電壓比将數(shu)據發送到網(wang)絡,以11的電壓(ya)比從網絡接(jiē)收數據.CS8900A芯片(piàn)的初始化操(cao)作💰主要包括(kuò):軟件複位并(bing)檢查标志位(wei)、設定16位工作(zuò)模✂️式、設定臨(lin)時以太網物(wu)理地址、設定(dìng)接收幀類型(xíng)、确定數據傳(chuan)送方向、中斷(duan)使能以及數(shu)據收發使能(neng)等.
4結束語
利(lì)用磁阻傳感(gǎn)器HMC1501實現了流(liú)量計機械連(lian)杆在士45°範圍(wéi)♈内角度的正(zheng)确測量,并将(jiang)流量計接入(rù)以太網，實🧑🏽🤝🧑🏻現(xian)了流量測量(liang)💚的智能化㊙️和(hé)網絡化,實際(jì)運行表明該(gai)系統工作穩(wen)定、可靠.
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