摘要:介紹一種基于以太網(wǎng)的新型智能金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用磁阻傳感器測(cè)量金屬浮子角位移,結(jié)合精度高A/D轉(zhuǎn)換器和低功耗MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采集和智能控制。系統(tǒng)提供了電流變送器XTR115輸出的電流環(huán)接口和基于TCP/P工業(yè)簡化協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口。結(jié)合相應(yīng)的固件系統(tǒng),成功實(shí)現(xiàn)了精度高、低功耗的數(shù)字化流量計(jì)。
金屬管浮子流量計(jì)具有其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于中小流速流量的工業(yè)計(jì)量。當(dāng)前一般利用霍爾元件感測(cè)浮子位置變化或利用電容式角位移傳感器測(cè)量機(jī)械連桿的旋轉(zhuǎn)角度等原理進(jìn)行設(shè)計(jì)“。電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、功耗較大、精度不高。一種使用各向異性磁阻(AMR)傳感原理,應(yīng)用低功耗單片機(jī),并擁有工業(yè)以太網(wǎng)通信接口的新型智能金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案。該流量計(jì)具有精度高、功耗低、易于構(gòu)造測(cè)控網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn),能廣泛應(yīng)用于工業(yè)計(jì)量,適合日益興起的工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展需求。
1總體設(shè)計(jì)
金屬管浮子流量計(jì)由錐形管、內(nèi)置磁鋼的浮子以及外置的嵌有磁鋼的機(jī)械連桿組成。當(dāng)流量變化時(shí),浮子將在錐形管內(nèi).上下移動(dòng),并由磁鋼耦合帶動(dòng)機(jī)械連桿旋轉(zhuǎn)一定角度θ。流量Q和浮子移動(dòng)的距離h以及連桿角度θ存在著相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,即:
Q=f(h)=g(θ)(1)
所以,對(duì)θ值的測(cè)量精度直接關(guān)系到流量的測(cè)量精度,本設(shè)計(jì)選用磁阻傳感器HMC1501測(cè)量θ值,可保證模擬量測(cè)量部分的高精度要求。前端模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理和控制部分,選用內(nèi)部集成高精度A/D轉(zhuǎn)換器和16位硬件乘法器的低功耗單片機(jī)MSP430F449。接口設(shè)計(jì)分為兩部分:(1)由電流變送器XTR115提供標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流環(huán)信號(hào);(2)應(yīng)用CiruLogic公司的10BASE-T以太網(wǎng)控制器CS8900A實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)接口�？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2模擬量測(cè)量及磁阻傳感器的應(yīng)用
2.1磁阻傳感器測(cè)量原理和特性
含鐵材料的各向異性原理可感測(cè)周圍磁場(chǎng)的變化,運(yùn)用特殊工藝可制成薄膜狀磁阻元件。HMC150就是以此原理為基礎(chǔ),將四個(gè)磁阻元件構(gòu)成一個(gè)金剛石狀的惠斯登電橋(如圖2所示)。在外加磁場(chǎng)的作用下,使得通過磁阻的電流發(fā)生變化，從而在輸出端形成差分電壓△V。
HMC1501傳感器是一種工作在磁飽和狀態(tài)的變換器件,此時(shí)傳感器對(duì)磁場(chǎng)大小不再敏感,其輸出值僅和磁場(chǎng)方向有關(guān),利用此原理就可以感測(cè)周圍磁場(chǎng)相對(duì)于傳感器的角度變化。HMC1501角度測(cè)量范圍為±45˳，分辨度小于0.07°,傳感器和磁鐵之間的有效線性距離為8mm。典型電壓應(yīng)用時(shí)(橋路激勵(lì)電壓3.3V),橋路電阻和輸出電壓分別為4.51Ω和-55mV~+55mV,其輸入輸出特性為:
式中各變量分別為
V˳橋路輸出電壓;Kt與溫度相關(guān)的增益;
Vs橋路激勵(lì)電壓;S材料常數(shù);
θ磁場(chǎng)參考角度;C˳制造公差引起的偏置電壓;
kt偏置電壓的溫敏系數(shù)(-0.01%/℃)。
以上說明當(dāng)溫度變化較小時(shí),橋路輸出電壓與θ角成正弦函數(shù)關(guān)系。而當(dāng)溫度變化較大時(shí),測(cè)量精度會(huì)受到影響,其中橋路電阻溫度系數(shù)為0.28%/℃,靈敏度溫度系數(shù)為-3.2%/℃。所以在該設(shè)計(jì)中引入了溫度補(bǔ)償手段。
圖3表示θ角和輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系。另一方面該傳感器的功耗很低,由式P=Vs2/R(R為橋路電阻)可知,當(dāng)3.3V供橋時(shí)功耗僅為2.42mw,滿足低功耗設(shè)計(jì)的要求。
2.2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)和數(shù)字濾波
HMC1501輸出的橋路信號(hào)較小,接入A/D之前,需要進(jìn)行信號(hào)的放大和調(diào)理。設(shè)計(jì)選用典型差分式放大電路,如圖4所示。
放大器的選擇需要滿足兩點(diǎn):第--,能夠單電源工作,可簡化系統(tǒng)電源設(shè)計(jì);第二,較低的溫度漂移。設(shè)計(jì)中使用了TI的低溫漂高運(yùn)放ILC27L2。由于采用了單電源供電,所以要求A點(diǎn)電位始終大于B點(diǎn),否則放大器的輸出就會(huì)失真,為了抬升A點(diǎn)的電位,可以在含Out+的支路中,對(duì)模擬地之間串接一個(gè)電阻,適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)下電阻阻值取300Ω。硬件采用RC濾波,在運(yùn)放正負(fù)輸入腳之間，以及負(fù)反，饋回路_上加入濾波電容,通過計(jì)算和試驗(yàn)選擇了容值,提高系統(tǒng)的EMC性能。
放大后的信號(hào),經(jīng)過一-級(jí)電壓跟隨器,送入MSP430F449單片機(jī)內(nèi)部12位SAR型ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。高速采樣和16個(gè)AD值寄存器,為數(shù)字濾波提供了方便。運(yùn)用積分算法取得了很好的效果。算法中設(shè)置--定長度的時(shí)間窗口,采樣值按時(shí)間順序先入先出(FIFO),然后取平均值計(jì)算。系統(tǒng)可以通過軟件設(shè)置窗口長度,以在濾波效果和測(cè)控時(shí)延之間取得平衡。
3系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)
3.1電流環(huán)信號(hào)(4~20mA)輸出
經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)值處理后的流量數(shù)據(jù)或控制數(shù)據(jù),由系統(tǒng)接口提供給外部設(shè)備。工控環(huán)境下,經(jīng)常使用4~20mA電流環(huán)輸出,設(shè)計(jì)中采用的XTR115是TI公司的二線制電流變送器。轉(zhuǎn)換精度高達(dá)±0.05%非線性誤差±0.003%。
圖5是實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)到電流環(huán)的DA轉(zhuǎn)換過程。MSP430單片機(jī)輸出PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào),由RC積分電路將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電壓信號(hào)。--級(jí)放大后送入XTR115電流變送器,弱電壓或電流信號(hào)經(jīng)電流變送器XTR115放大,獲得4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)輸出。流量或控制量值與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由軟件標(biāo)定程序?qū)崿F(xiàn)。
3.2工業(yè)以太網(wǎng)通信
(1)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用前景
以太網(wǎng)使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交換技術(shù)的全雙工通信方式,基本消除了由介質(zhì)訪問控制方式(沖突檢測(cè)載波多點(diǎn)訪問CSMA/CD)導(dǎo)致的通信不.確定性,滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的基本要求。同時(shí)以太網(wǎng)豐富的資源和低廉的成本必將促進(jìn)其在工控領(lǐng)域的進(jìn)一-步普及,面向工業(yè)應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議也將成為現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)協(xié)議。
(2)面向應(yīng)用裁減TCP/IP協(xié)議
TCP/IP協(xié)議族非常豐富,但由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限,在保證實(shí)時(shí)、低誤碼率前提下對(duì)TCP/P協(xié)議進(jìn)行裁減以適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用成為-一個(gè)研究熱點(diǎn),目前尚無統(tǒng)--標(biāo)準(zhǔn)公布[4]。本設(shè)計(jì)中以實(shí)際應(yīng)用為背景、采用夠用即可”原則,對(duì)協(xié)議簇進(jìn)行.了裁減,各層分別實(shí)現(xiàn)的協(xié)議見表1。
表1中鏈路層為其上層協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀,實(shí)現(xiàn)了IEEE802.3所規(guī)定的CSMA/CD協(xié)議,構(gòu)成以太網(wǎng)基本物理傳輸介質(zhì)訪問方式,實(shí)現(xiàn)該協(xié)議采用通用的網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片CS8900A。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)MAC地址到P地址的轉(zhuǎn)換功能,加入了ARP地址解析協(xié)議。IP協(xié)議則是TCP/P協(xié)議族的核心協(xié)議,使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信成為可能。而CMP協(xié)議只是IP協(xié)議的附屬協(xié)議,設(shè)計(jì)中只需測(cè)試網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通情況,故只保留了PNG協(xié)議。TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)是兩種傳輸層協(xié)議,二者建立于IP協(xié)議之，上,為兩臺(tái)主機(jī).上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)了基于.HTIP協(xié)議的WEB瀏覽服務(wù)。
TCP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)最為困難。受資源限制，只實(shí)現(xiàn)了簡化的有限狀態(tài)機(jī)和滑動(dòng)窗口機(jī)制以及單TCP連接。
(3)以太網(wǎng)控制器CS8900A
CS8900A內(nèi)部含有802.3介質(zhì)訪問控制塊(MAC),支持全雙工操作,自動(dòng)處理沖突檢測(cè)、報(bào)頭生成、CRC校驗(yàn)碼生成和驗(yàn)證功能。通過對(duì)發(fā)送控制寄存器(TQMD)配置,MAC可以完成幀的自動(dòng)重傳功能[5]’。
圖6所示的MSP430F449與CS8900A的連接采用簡單的IO模式。該模式占用內(nèi)存資源少,相應(yīng)管腳MBMW和MEMR需被置高。單片機(jī)通過/SBHE、/DW和/DR等控制信號(hào)線實(shí)現(xiàn)對(duì)CS8900A的工作方式控制和讀寫操作'6]。芯片使用中比較重要的是初始化操作,包括:軟件復(fù)位并檢查標(biāo)志位、設(shè)定工作模式、設(shè)定臨時(shí)以太網(wǎng)物理地址、設(shè)定接收幀類型、確定數(shù)據(jù)傳送方向、中斷使能以及數(shù)據(jù)收發(fā)使能等。
(4)以太網(wǎng)通信測(cè)試
網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境如表2,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7。各設(shè)備上電初始化后,都設(shè)定了MAC地址和IP地址,所有IP地址均為C類地址。這樣即可以接收以太網(wǎng)單播或廣播包。首先,在主機(jī).上PC機(jī)測(cè)試終端流量計(jì)的ARP工作機(jī)制和實(shí)現(xiàn)情況。結(jié)果如圖8所示。
用ARP命令測(cè)試主機(jī)ARP高速緩存中的IP和MAC地址,此時(shí)只有本地IP:210.29.104.1對(duì)應(yīng)的MAC地址00-30-85-88-8b-02;然后,用ping.程序測(cè)試網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)流量計(jì)終端,圖中顯示對(duì)象IP:210.29.104.41的測(cè)試結(jié)果,報(bào)文數(shù)據(jù)的往返時(shí)間是lmS;最后，再次測(cè)試主機(jī)的ARP高速緩存,結(jié)果顯示已添加了對(duì)象終端的IP和MAC地址。測(cè)試主機(jī)和終端流量計(jì)之間UDP數(shù)據(jù)的傳輸效果。UDP協(xié)議提供簡單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議。一個(gè)簡單的UDP應(yīng)用程序如圖9所示。主機(jī)對(duì)終端流量計(jì)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)命令,當(dāng)流量計(jì)收到"DataCollection!”命令就回送采集到的兩路ADC的電壓信號(hào)值。測(cè)試結(jié)果表明接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包正確率高,丟包極少，實(shí)現(xiàn)了UDP數(shù)據(jù)處理功能。
通過TCP簡化協(xié)議實(shí)現(xiàn)了基于HTTP協(xié)議的終端流量計(jì)WEB服務(wù),簡化的HTML網(wǎng)頁數(shù)據(jù)保存在MCU的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器中。HTTP服務(wù)器可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。在瀏覽器的URL地址中鍵入:htp://210.29.104.41,就可以瀏覽如圖10所示的頁面,網(wǎng)頁動(dòng)態(tài)顯示出采集到的流量值。
4結(jié)論
(1)通過以_上方案成功實(shí)現(xiàn)了低功耗、較低成本智能金屬管浮子流量計(jì)的硬件和固件程序設(shè)計(jì);
(2)簡化TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信,易于構(gòu)造實(shí)時(shí)、可靠的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng),并在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證,同時(shí)也為主機(jī)(PC)軟件開發(fā)提供了廣闊的空間。
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