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的設計方案。應用磁阻傳感器測量金屬浮子角位移,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)合相應的固件系統(tǒng),成功實現(xiàn)了精度高、低功耗的數(shù)字化流量計。
金屬管浮子流量計具有其耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點而廣泛應用于中小流速流量的工業(yè)計量。當前一般利用霍爾元件感測浮子位置變化或利用電容式角位移傳感器測量機械連桿的旋轉(zhuǎn)角度等原理進行設計“。電路設計復雜、功耗較大、精度不高。一種使用各向異性磁阻(AMR)傳感原理,應用低功耗單片機,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的設計方案。該流量計具有精度高、功耗低、易于構(gòu)造測控網(wǎng)絡等特點,能廣泛應用于工業(yè)計量,適合日益興起的工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展需求。
1總體設計
金屬管浮子流量計由錐形管、內(nèi)置磁鋼的浮子以及外置的嵌有磁鋼的機械連桿組成。當流量變化時,浮子將在錐形管內(nèi).上下移動,并由磁鋼耦合帶動機械連桿旋轉(zhuǎn)一定角度θ。流量Q和浮子移動的距離h以及連桿角度θ存在著相應的函數(shù)關(guān)系,即:
Q=f(h)=g(θ)(1)
所以,對θ值的測量精度直接關(guān)系到流量的測量精度,本設計選用磁阻傳感器HMC1501測量θ值,可保證模擬量測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MSP430F449。接口設計分為兩部分:(1)由電流變送器XTR115提供標準的4~20mA電流環(huán)信號;(2)應用CiruLogic公司的10BASE-T以太網(wǎng)控制器CS8900A實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)接口。總體設計框圖如圖1所示。
2模擬量測量及磁阻傳感器的應用
2.1磁阻傳感器測量原理和特性
含鐵材料的各向異性原理可感測周圍磁場的變化,運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),將四個磁阻元件構(gòu)成一個金剛石狀的惠斯登電橋(如圖2所示)。在外加磁場的作用下,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,此時傳感器對磁場大小不再敏感,其輸出值僅和磁場方向有關(guān),利用此原理就可以感測周圍磁場相對于傳感器的角度變化。HMC1501角度測量范圍為±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。典型電壓應用時(橋路激勵電壓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橋路激勵電壓;S材料常數(shù);
θ磁場參考角度;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%/℃)。
以上說明當溫度變化較小時,橋路輸出電壓與θ角成正弦函數(shù)關(guān)系。而當溫度變化較大時,測量精度會受到影響,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%/℃。所以在該設計中引入了溫度補償手段。
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3.3V供橋時功耗僅為2.42mw,滿足低功耗設計的要求。
2.2檢測電路設計和數(shù)字濾波
HMC1501輸出的橋路信號較小,接入A/D之前,需要進行信號的放大和調(diào)理。設計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:第--,能夠單電源工作,可簡化系統(tǒng)電源設計;第二,較低的溫度漂移。設計中使用了TI的低溫漂高運放ILC27L2。由于采用了單電源供電,所以要求A點電位始終大于B點,否則放大器的輸出就會失真,為了抬升A點的電位,可以在含Out+的支路中,對模擬地之間串接一個電阻,適當?shù)姆糯蟊稊?shù)下電阻阻值取300Ω。硬件采用RC濾波,在運放正負輸入腳之間，以及負反，饋回路_上加入濾波電容,通過計算和試驗選擇了容值,提高系統(tǒng)的EMC性能。
放大后的信號,經(jīng)過一-級電壓跟隨器,送入MSP430F449單片機內(nèi)部12位SAR型ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。高速采樣和16個AD值寄存器,為數(shù)字濾波提供了方便。運用積分算法取得了很好的效果。算法中設置--定長度的時間窗口,采樣值按時間順序先入先出(FIFO),然后取平均值計算。系統(tǒng)可以通過軟件設置窗口長度,以在濾波效果和測控時延之間取得平衡。
3系統(tǒng)接口設計
3.1電流環(huán)信號(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)接口提供給外部設備。工控環(huán)境下,經(jīng)常使用4~20mA電流環(huán)輸出,設計中采用的XTR115是TI公司的二線制電流變送器。轉(zhuǎn)換精度高達±0.05%非線性誤差±0.003%。
圖5是實現(xiàn)流量數(shù)據(jù)到電流環(huán)的DA轉(zhuǎn)換過程。MSP430單片機輸出PWM(脈寬調(diào)制)信號,由RC積分電路將脈沖信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電壓信號。--級放大后送入XTR115電流變送器,弱電壓或電流信號經(jīng)電流變送器XTR115放大,獲得4~20mA的標準電流環(huán)輸出。流量或控制量值與電流的對應關(guān)系,由軟件標定程序?qū)崿F(xiàn)。
3.2工業(yè)以太網(wǎng)通信
(1)工業(yè)以太網(wǎng)應用前景
以太網(wǎng)使用星型拓撲結(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(沖突檢測載波多點訪問CSMA/CD)導致的通信不.確定性,滿足工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)崟r性的基本要求。同時以太網(wǎng)豐富的資源和低廉的成本必將促進其在工控領(lǐng)域的進一-步普及,面向工業(yè)應用的TCP/IP協(xié)議也將成為現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)協(xié)議。
(2)面向應用裁減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,在保證實時、低誤碼率前提下對TCP/P協(xié)議進行裁減以適應工業(yè)以太網(wǎng)應用成為-一個研究熱點,目前尚無統(tǒng)--標準公布[4]。本設計中以實際應用為背景、采用夠用即可”原則,對協(xié)議簇進行.了裁減,各層分別實現(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,實現(xiàn)該協(xié)議采用通用的網(wǎng)絡接口控制芯片CS8900A。為實現(xiàn)網(wǎng)絡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,設計中只需測試網(wǎng)絡聯(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,為兩臺主機.上的應用程序提供端到端的通信。應用層上實現(xiàn)了基于.HTIP協(xié)議的WEB瀏覽服務。
TCP協(xié)議的實現(xiàn)最為困難。受資源限制，只實現(xiàn)了簡化的有限狀態(tài)機和滑動窗口機制以及單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,自動處理沖突檢測、報頭生成、CRC校驗碼生成和驗證功能。通過對發(fā)送控制寄存器(TQMD)配置,MAC可以完成幀的自動重傳功能[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,相應管腳MBMW和MEMR需被置高。單片機通過/SBHE、/DW和/DR等控制信號線實現(xiàn)對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:軟件復位并檢查標志位、設定工作模式、設定臨時以太網(wǎng)物理地址、設定接收幀類型、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)通信測試
網(wǎng)絡測試環(huán)境如表2,網(wǎng)絡架構(gòu)如圖7。各設備上電初始化后,都設定了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.上PC機測試終端流量計的ARP工作機制和實現(xiàn)情況。結(jié)果如圖8所示。
用ARP命令測試主機ARP高速緩存中的IP和MAC地址,此時只有本地IP:210.29.104.1對應的MAC地址00-30-85-88-8b-02;然后,用ping.程序測試網(wǎng)絡上的任何一臺流量計終端,圖中顯示對象IP:210.29.104.41的測試結(jié)果,報文數(shù)據(jù)的往返時間是lmS;最后，再次測試主機的ARP高速緩存,結(jié)果顯示已添加了對象終端的IP和MAC地址。測試主機和終端流量計之間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)報的傳輸層協(xié)議。一個簡單的UDP應用程序如圖9所示。主機對終端流量計發(fā)送UDP數(shù)據(jù)命令,當流量計收到"DataCollection!”命令就回送采集到的兩路ADC的電壓信號值。測試結(jié)果表明接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包正確率高,丟包極少，實現(xiàn)了UDP數(shù)據(jù)處理功能。
通過TCP簡化協(xié)議實現(xiàn)了基于HTTP協(xié)議的終端流量計WEB服務,簡化的HTML網(wǎng)頁數(shù)據(jù)保存在MCU的片內(nèi)FLASH存儲器中。HTTP服務器可以動態(tài)實時更新數(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_上方案成功實現(xiàn)了低功耗、較低成本智能金屬管浮子流量計的硬件和固件程序設計;
(2)簡化TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信,易于構(gòu)造實時、可靠的網(wǎng)絡測控系統(tǒng),并在實際應用中得到驗證,同時也為主機(PC)軟件開發(fā)提供了廣闊的空間。
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