摘要：針對用戶對高端電磁流量計的需求,提出了基于ARM9微處理器的電磁流量計硬件設計方案。ARM9微處理器可以實現多種勵磁方式、數據的USB存儲、以太網絡通信、TFT彩屏顯示等一系列的功能。對電磁流量計的測量裝置,基于ARM9核心板的模塊化電路設計作了詳細的介紹。
0引言
隨著流量檢測儀器的技術發展,對流量的測量儀器提出了更高的應用需求。傳統的流量檢測儀器一般依據各自的測量機理,通過簡單的信息分析處理來完成測量工作。因此,在處理能力、測量精度、誤差修正、功能擴展等方面都存在著局限性。新一代流量檢測儀器將以更優良的性能取而代之。
目前,高速、精度高、大容量的嵌入式處理器在控制和測量領域的應用越來越普遍,一旦應用到電磁流量計[1]中,使得電磁流量計的輸入信號數字濾波、歷史數據保存、輸出多種勵磁信號的變化、測量信息的特殊處理、測量結果的動態圖形顯示、人性化的管理和控制等多方面應用,都將成為可能。尤其是新一代網絡技術的發展會使得更多基于TCP/IP網絡協議的儀器設備得到應用,針對電磁流量計的遠程數據交換傳送,基于典型的以太網通訊接口也應運而生[10]。
1.電磁流量計基本原理
電磁流量計是依據法拉第電磁感應定律來測量管內流體流量的測量裝置[9],如圖1所示。當流體在管道內流動經過一橫向磁場B的時候,相當于有圖1..電磁流量計原理圖一定電導率的導體在切割磁線,形成動生電動勢,通過管道徑向兩電極可以引出該電動勢E,其大小與磁場B、流速V和管徑D成正比,即:E=B..V..D
流體的體積流量Q與流速V和管道內截面成正比,只要測量出兩電極之間的電動勢E,即可確定流量Q。
Q=VπD2/4=πDE/4B
當勵磁電流、管道尺寸和流體密度..確定的情況下,流體的質量流量M僅取決于對兩電極間的感應電勢E的檢測。電磁流量計的數學模型為:
M=Coeρ(E-E0)x
其中:Coe為儀表系數;E0為儀表零點修正;x為多段非線性修正。
2.AT91RM9200及核心板
AT91RM9200是Atmel公司推出的針對嵌入式應用的工業級32位ARM9嵌入式處理器,最高工作頻率達180MHz,其功能強大、性能穩定,非常適合高端儀表的應用,由它構建的核心板形成了具有豐富接口資源的基本系統,只要擴展應用模塊和接口即可實現系統應用。介紹AT91RM9200的文獻很多,這里僅給出其主要資源和特性:
內置的10/100M以太網MAC控制器
5個UART通道
2個主USB口,1個從USB口,全速12Mbps
1個MCI接口,支持MCI卡或SD卡
3個同步串行控制器
6個16位定時器,一個32位實時鐘
4個SPI接口
PWM輸出
I2C接口
支持SDRAM,SRAM。Flash等
JTAG邏輯測試部件,支持軟/硬件開發
由AT91RM9200構建的核心板集成了32M的SDRAM、2M的并行Flash、8M的串行DateFlash、以太網電路和復位電路,構成了一個基本系統,為用戶的軟件研發提供了充足的空間。處理器的大多數管腳和其它信號都通過兩個排針對外引出,為用戶提供了非常豐富的擴展資源。
由于在核心板上移植了嵌入式Linux操作系統,其豐富的軟件資源、開放性和軟件低成本使得系統應用變得方便可行。
3.智能電磁流量計硬件設計
3.1電磁流量計總體結構
電磁流量計由測量裝置和電路兩部分組成,電路部分主要由檢測輸入模塊、勵磁輸出模塊、流量輸出模塊、圖形顯示模塊、鍵盤模塊、通信及調試接口、電源模塊、以及最重要的基于ARM9嵌入式系統[2]的核心板組成。圖2給出了嵌入式電磁流量計的系統框圖。圖2嵌入式電磁流量計系統框圖。
系統經過初始化之后,核心板向勵磁模塊輸出一數字量的勵磁信號,經過D/A轉換和電流放大,驅動傳感器的勵磁線圈產生一定強度的磁場。傳感器的流速感應電極送出微弱的感應信號經過輸入模塊的放大濾波處理,經過A/D轉換成數字量輸入ARM9處理器,進一步進行數字分析處理。通過顯示模塊直接顯示瞬時流量、累積流量和動態流量圖形。另外由流量輸出模塊輸出4~20mA的標準儀用瞬時流量信號。
3.2.輸入及A/D轉換電路
檢測輸入模塊包括差分測量放大器、低通和高通濾波器、增益放大器以及A/D轉換電路,如圖3所示。圖3輸入及A/D轉換框圖。
由于電磁流量計的電極輸出信號非常微弱,一般只有10-4V數量級,而且,工業環境非常大。因此,為了保證測量精度,送入A/D轉換的輸入信號應達到-2.5~+2.5V的范圍,其模擬部分電壓增益應該在60dB以上。其中,前置放大器采用差分輸入的儀用放大器AD620,高通濾波和低通濾波采用二階有源濾波器形成帶通濾波器濾除工頻及雜波,放大器采用運放CA3240A完成。A/D轉換單元采用MAX1297AEEG[4]實現12位并行模數轉換,直接與核心板的I/O線連接如圖3所示,引腳說明和接法如下:
D0~D1112位數據,接B口的PB4~PB15;
INT.中斷線,接核心板的IRQ0/PB29;
CS片選線,接核心板B口的PB22;
RD讀控制線,接核心板B口的PB16;
WR寫控制線,接核心板B口的PB17;
模擬信號輸入CH0通道。
3.3.勵磁輸出電路
智能電磁流量計的勵磁電路的任務是向勵磁線圈提供一穩定的驅動電流。電流波形為方波、三值方波和梯形波[11]等形式,波形變化的目的是結合信號處理電路,分析在不同勵磁方式下電磁流量計的精度、零點穩定性和抗能力等多項指標。該電路由核心板的SPI2口輸出數字量,經過D/A轉換形成模擬信號,經V/I轉換激勵和帶有電流負反饋的電流放大器輸出,適合各種勵磁波形的變化。結構框圖如圖4。D/A轉換電路采用AD7243芯片[5],實現12位的SPI同步串行輸入,-5~+5V的雙極性輸出。與ARM9核心板的SPI2口對接,如圖4所示。
其中引腳說明和接法如下:
SDIN串行數據輸入,接核心板的MOSI;
SCLK同步時鐘,接核心板的SPCK;
SYNC串行選擇,接核心板的NPCS2;
CLR轉換清除,接核心板I/O口的PC14;
LDAC數據鎖入啟動,接I/O口的PC15。
激勵放大器采用CA3240A運放,其特點是電源電壓高,能獲得較大的輸出動態范圍。電流放大利用兩對復合管實現,要求管子盡可能配對。接入勵磁線圈后,引入大環路的電流負反饋,穩定輸出勵磁電流。
3.4.流量輸出模塊
電磁流量計在實現測量、分析和處理的時候,除了現場顯示瞬時流量和累積流量以外,通常還會輸出一個標準的4~20mA電流信號。因此,該電路利用AD421轉換電路實現了流量輸出的功能。
AD421芯片[6]是一款低電壓、SPI串行輸入、16位Σ-Δ轉換的D/A轉換電路,具備4~20mA環路電流輸出,支持HART通信協議,非常適合該電路應用。SPI串行輸入接核心板的SPI3口,如圖5所示。其中引腳說明和接法如下:
?
DATA串行數據輸入,接核心板的MOSI;
CLOCK同步時鐘,接核心板的SPCK;
LATCH鎖入控制,接核心板的NPCS3。
D/A轉換的電壓基準REFIN選用芯片提供的REFOUT2(2.5V)。電路中LV與VCC之間接0.01μF的電容,決定了由+24V的環路電源LOOPPOWER產生3.3V電源,+24V的環路電源LOOPPOWER經內部控制電流由LOOPRTN返回,形成4~20mA的電流環路。
3.5.圖形顯示模塊
由于AT91RM9200處理器未集成圖形顯示,核心板上也未提供,所以,要實現圖形顯示,必須構建圖形顯示模塊。電路采用LCD控制器SID13506顯示芯片[7]實現彩色液晶點陣顯示和VGA標準接口。系統框圖如圖6所示。
SID13506是EPSON公司較新的大規模顯示控制器[8],主要應用于嵌入式系統,最高支持64K真彩色。系統配置了1M的16位內存、LCD接口和VGA接口。3個系統時鐘BUSCLK、CLKI和CLKI2受PA7和兩組可控震蕩器控制,核心板通過PA7輸出50M時鐘經過驅動接BUSCLK,核心板通過TWI管理兩組可控震蕩器PCLK1和PCLK2。ARM9核心板與SID13506芯片引腳相連的信號如表1所列。
3.6.鍵盤、通信及調試部分電路
電磁流量計的鍵盤、通信和調試部分電路屬于嵌入式系統的典型應用電路,系統利用ZLG7289A構建了8×2小型鍵盤,由I/O模擬串行口建立系統連接,實現流量計的系統設置和按鍵數據輸入。
調試功能主要由串行調試口DCOM和JTAC標準調試口構成。其中串行調試口DCOM是由AT91RM9200處理器的DBGU單元通過SP3232E建立的,JTAG標準調試口直接由核心板引出。
通信功能的建立主要是直接由核心板引出了10/100M的TCP/IP網絡接口,將處理器的USART1單元通過SP3243建立了RS232標準串行通信口COM1,將處理器的USART2單元通過SP3481建立了RS485標準串行通信口。
另外,引出處理器的HDMA和HDPA線建立USBHOST接口,可外接USB存儲器,作為電磁流量計歷史數據記錄設備。相應連接和功能框圖如圖7所示。
3.7.電源電路
由ARM9核心板構建的電磁流量計的電源部分還是比較復雜的,一般由開關電源模塊實現,其主電源為+5V穩壓電源,經過2組穩壓器LT1085分別產生3.3V和1.8V供給核心板使用,3.3V和+5V供給大部分數字電路使用,數字電源與模擬電源分開且不共地,副電源主要有供給D/A轉換及放大用的±15V,供給勵磁輸出的±24V電源等。電磁流量計的功率消耗還是比較大的。
4.應用系統軟件簡介
ARM9電磁流量計的軟件系統主要考慮的是核心板及各個硬件模塊的初始化設置,系統在啟動之后,通過調用底層的驅動程序完成核心板與各個硬件模塊之間的命令控制和數據傳送,建立相應的中斷服務子程序及中斷向量表。采用模塊化結構建立系統程序,電磁流量計應用系統主要由定時器中斷進行管理,勵磁信號的輸出和轉換保持、感應信號的多次數據采集、流量的顯示和對外輸出等均由定時器的中斷服務來完成。
5.結束語
該系統作為高端電磁流量計的應用研究,在硬件上采用了模塊化設計方法,提高了電磁流量計的應用和研究水平,降低了設計難度,已被列入重大科技攻關項目..嵌入式系統智能儀表開發平臺的研究及其在流量儀表設計中的應用之中,目前正在作進一步的完善和提高。
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