摘(zhai)要:根(gen)據磁(ci)阻傳(chuan)感器(qi)的角(jiao)位移(yi)測量(liang)原理(li),提出(chu)智能(neng)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji) 的設(she)計方(fang)案.該(gai)方案(an)采用(yong)低功(gong)耗MCU和(he)精度(du)高ADC實(shi)現對(dui)流量(liang)的數(shu)字化(hua)采集(ji)和智(zhi)能控(kong)制,應(ying)用LMBP算(suan)法實(shi)現精(jing)度高(gao)的靜(jing)㊙️态特(te)征曲(qu)㊙️線拟(ni)合;通(tong)過裁(cai)減TCP1IP協(xie)議,在(zai)以太(tai)網上(shang)實現(xian)了流(liu)量計(ji)與用(yong)戶的(de)數據(ju)通信(xin).實際(ji)運行(hang)表明(ming)，設計(ji)👄的流(liu)量計(ji)👨‍❤️‍👨系統(tong)運行(hang)穩定(ding)可靠(kao)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼.
　　金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji)具有(you)耐高(gao)溫耐(nai)高壓(ya)、耐腐(fu)蝕等(deng)特點(dian),在中(zhong)低流(liu)速、流(liu)量的(de)工業(ye)計量(liang)中得(de)到了(le)廣泛(fan)應用(yong).目前(qian)采用(yong)電遠(yuan)傳方(fang)式的(de)流量(liang)計多(duo)以霍(huo)爾元(yuan)件或(huo)電♈容(rong)式角(jiao)⚽位移(yi)作👄爲(wei)傳感(gan)器,不(bu)但結(jie)構複(fu)雜、精(jing)🌈度較(jiao)低，而(er)且不(bu)具備(bei)💰以太(tai)網接(jie)💋口功(gong)能.本(ben)文中(zhong)作者(zhe)應用(yong)各向(xiang)異💛性(xing)磁阻(zu)的傳(chuan)感原(yuan)理設(she)計🤩了(le)一種(zhong)能與(yu)以太(tai)網通(tong)信的(de)智能(neng)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji).該流(liu)🐕量計(ji)具有(you)精度(du)高、功(gong)耗低(di)、設計(ji)簡單(dan)等特(te)點,可(ke)廣泛(fan)應用(yong)于工(gong)業計(ji)量,特(te)别是(shi)🔆适應(ying)了工(gong)業以(yi)太📞網(wang)的發(fa)展需(xu)求.
1總(zong)體設(she)計
　　金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計由(you)錐形(xing)管、内(nei)置磁(ci)鋼的(de)浮子(zi)以及(ji)外置(zhi)嵌有(you)磁鋼(gang)的機(ji)械連(lian)杆等(deng)構件(jian)組成(cheng).當流(liu)量變(bian)化時(shi)，浮子(zi)在錐(zhui)形管(guan)内上(shang)下移(yi)動,并(bing)由磁(ci)鋼耦(ou)合帶(dai)動機(ji)械連(lian)杆旋(xuan)轉-定(ding)☁️角度(du).此角(jiao)度與(yu)流量(liang)的大(da)小存(cun)在着(zhe)一對(dui)應的(de)關系(xi),隻要(yao)測⛱️出(chu)角度(du)便可(ke)通過(guo)對應(ying)關系(xi)求出(chu)流量(liang),因此(ci)對⚽角(jiao)度的(de)正确(que)測量(liang)是流(liu)量🔴計(ji)設計(ji)的關(guan)👄鍵.具(ju)體設(she)計時(shi)采用(yong)Honeywell公司(si)生産(chan)的磁(ci)阻傳(chuan)感器(qi)HMC1501實現(xian)對機(ji)械連(lian)杆👈角(jiao)位移(yi)的正(zheng)确測(ce)量,選(xuan)擇MSP430F449單(dan)♍片機(ji)作爲(wei)MCU,采用(yong)CirrusLogic公✊司(si)生産(chan)的以(yi)太網(wang)控制(zhi)芯片(pian)CS8900A實現(xian)網絡(luo)互聯(lian).系統(tong)的總(zong)體設(she)計框(kuang)圖如(ru)圖1所(suo)示.
 
2HMC1501磁(ci)阻傳(chuan)感器(qi)的應(ying)用
2.1磁(ci)阻傳(chuan)感器(qi)的測(ce)量原(yuan)理和(he)工作(zuo)特性(xing)
　　鐵磁(ci)性材(cai)料通(tong)常爲(wei)各向(xiang)異性(xing)材料(liao),當采(cai)用特(te)殊工(gong)藝将(jiang)其制(zhi)成薄(bao)膜狀(zhuang)的電(dian)阻元(yuan)件後(hou),便可(ke)用于(yu)感測(ce)周圍(wei)磁場(chang)的變(bian)化.HMC1501傳(chuan)感器(qi)是一(yi)種工(gong)作在(zai)磁飽(bao)和狀(zhuang)❗态下(xia)的🔴變(bian)換器(qi)件,在(zai)此狀(zhuang)态下(xia)電阻(zu)對磁(ci)場的(de)大小(xiao)不敏(min)感,僅(jin)與磁(ci)場的(de)方向(xiang)有關(guan)，利用(yong)此原(yuan)🔞理就(jiu)可以(yi)🔞感測(ce)周圍(wei)磁場(chang)相對(dui)于傳(chuan)感器(qi)的角(jiao)度變(bian)化4.圖(tu)2顯示(shi)了HMC1501的(de)磁場(chang)角度(du)和輸(shu)出電(dian)壓之(zhi)間的(de)對應(ying)關系(xi)，當磁(ci)場角(jiao)度爲(wei)-45°~+45°時輸(shu)出電(dian)壓遞(di)減且(qie)單調(diao)性好(hao)，因此(ci)将HMC1501的(de)有效(xiao)角度(du)範圍(wei)定義(yi)爲±45°,在(zai)此範(fan)圍内(nei)分辨(bian)率小(xiao)于0.07°.典(dian)型橋(qiao)路的(de)電阻(zu)和輸(shu)出電(dian)壓分(fen)🌈别爲(wei)33kQ和-60~60mV,橋(qiao)路供(gong)電電(dian)壓較(jiao)寬(1~24V),當(dang)以5V供(gong)電時(shi)功耗(hao)僅爲(wei)0.76mW,由此(ci)可見(jian)功耗(hao)低是(shi)該傳(chuan)感器(qi)的✊優(you)勢之(zhi)一.該(gai)傳感(gan)器存(cun)在零(ling)點偏(pian)置電(dian)壓,需(xu)🔞進行(hang)補償(chang).一般(ban)補償(chang)的方(fang)法可(ke)分爲(wei)硬件(jian)補償(chang)和軟(ruan)件補(bu)償,但(dan)硬件(jian)補償(chang)需設(she)計複(fu)雜🈲的(de)電路(lu),成本(ben)✨較高(gao),而軟(ruan)件補(bu)償随(sui)着MCU處(chu)理能(neng)力的(de)😘提高(gao)得到(dao)了廣(guang)泛應(ying)用,本(ben)設計(ji)中采(cai)用軟(ruan)件補(bu)償.
 
2.2傳(chuan)感器(qi)檢測(ce)電路(lu)設計(ji)
　　爲簡(jian)化傳(chuan)感器(qi)檢測(ce)電路(lu)設計(ji)，采用(yong)了依(yi)靠單(dan)電源(yuan)供電(dian)的放(fang)大🔱器(qi)TLC27L2,這就(jiu)要求(qiu)OUT+點的(de)電位(wei)大于(yu)OUT-點的(de)電位(wei),否則(ze)放大(da)✍️器的(de)輸出(chu)就會(hui)失真(zhen).但HMC1501的(de)典型(xing)輸出(chu)信号(hao)在.60~60mV之(zhi)間,因(yin)此必(bi)須在(zai)含OUT+的(de)支路(lu)的節(jie)點2和(he)模拟(ni)地之(zhi)間串(chuan)接一(yi)阻值(zhi)大于(yu)243Ω的電(dian)阻，爲(wei)保證(zheng)一定(ding)‼️的冗(rong)餘度(du),該電(dian)阻取(qu)300Ω,圖3爲(wei)簡化(hua)後的(de)傳感(gan)器檢(jian)測電(dian)路.
 
2.3LMBP算(suan)法及(ji)應用(yong)
　　智能(neng)金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji)采用(yong)2個HMC1501傳(chuan)感器(qi)和1個(ge)溫度(du)☁️傳⭕感(gan)器,其(qi)中💘2個(ge)HMC1501一個(ge)用于(yu)感測(ce)連杆(gan)磁鋼(gang)的方(fang)向變(bian)😍化,另(ling)💘一個(ge)用于(yu)補償(chang)浮子(zi)磁鋼(gang)上下(xia)移動(dong)所形(xing)成的(de)複合(he)磁場(chang)的影(ying)響,溫(wen)度🌏傳(chuan)感器(qi)感測(ce)HMC1501周圍(wei)的溫(wen)度并(bing)予以(yi)溫度(du)補償(chang).溫度(du)傳感(gan)器的(de)⛱️數學(xue)模型(xing)很難(nan)用解(jie)析式(shi)描述(shu),傳統(tong)的做(zuo)法是(shi)在不(bu)同溫(wen)度下(xia)進行(hang)标定(ding)，這種(zhong)做法(fa)不🛀🏻但(dan)計算(suan)量大(da)、占用(yong)存儲(chu)空間(jian)多,而(er)且計(ji)算精(jing)度不(bu)高.鑒(jian)于人(ren)工神(shen)經網(wang)絡能(neng)夠完(wan)成任(ren)意的(de)非線(xian)性映(ying)射,其(qi)中BP算(suan)法(BackPropagation)具(ju)有以(yi)任意(yi)精度(du)逼近(jin)任何(he)非線(xian)性函(han)數的(de)能力(li)，而且(qie)無需(xu)🚶‍♀️事先(xian)确定(ding)函數(shu)形式(shi)，因此(ci)利用(yong)BP神經(jing)網絡(luo)處理(li)傳感(gan)器靜(jing)态特(te)性的(de)非線(xian)性是(shi)一種(zhong)較好(hao)的方(fang)法網(wang).但實(shi)際應(ying)用時(shi)BP算法(fa)存在(zai)📧收斂(lian)速度(du)慢和(he)目标(biao)函數(shu)存在(zai)局部(bu)極小(xiao)等不(bu)足之(zhi)處.爲(wei)此采(cai)用基(ji)于誤(wu)差平(ping)方和(he)最小(xiao)化的(de)權值(zhi)調整(zheng)算法(fa)即Levenberg-Marquart算(suan)法作(zuo)爲對(dui)BP算法(fa)的改(gai)進，稱(cheng)之爲(wei)LMBP算法(fa).BP算法(fa)以均(jun)方誤(wu)差作(zuo)爲性(xing)能函(han)數,其(qi)表達(da)式爲(wei)
 
　　式中(zhong)，w爲網(wang)絡的(de)權值(zhi)向量(liang),t爲期(qi)望輸(shu)出向(xiang)量(标(biao)定值(zhi)),y爲實(shi)際輸(shu)☀️出向(xiang)量,e爲(wei)誤差(cha)向量(liang).LM算法(fa)結合(he)了梯(ti)度法(fa)和高(gao)斯-牛(niu)頓法(fa)的優(you)點，具(ju)有全(quan)局性(xing)和收(shou)斂速(su)度快(kuai)的優(you)勢,并(bing)可通(tong)過對(dui)BP算法(fa)的修(xiu)正，避(bi)免👅高(gao)斯-牛(niu)頓法(fa)中求(qiu)解Hessian矩(ju)陣的(de)問題(ti),減少(shao)了網(wang)絡訓(xun)練中(zhong)的計(ji)算量(liang)和内(nei)存需(xu)求❤️量(liang).權值(zhi)的調(diao)整公(gong)式爲(wei)
 
　　式中(zhong)，μ爲正(zheng)常數(shu),I爲單(dan)位矩(ju)陣,e。爲(wei)網絡(luo)的誤(wu)差向(xiang)量,J爲(wei)以網(wang)👨‍❤️‍👨絡誤(wu)差對(dui)權值(zhi)的一(yi)階導(dao)數爲(wei)元素(su)的Jacobian矩(ju)陣.△w每(mei)次叠(die)代時(shi)都對(dui)μ進行(hang)自适(shi)應調(diao)整,當(dang)網絡(luo)誤差(cha)減小(xiao)時減(jian)小μ的(de)值,反(fan)👅之增(zeng)加μ的(de)值.-般(ban)㊙️情況(kuang)下Jacobian矩(ju)陣的(de)計算(suan)量較(jiao)大，因(yin)此該(gai)算法(fa)比較(jiao)适合(he)網絡(luo)規模(mo)不大(da)、網絡(luo)參數(shu)較少(shao)的💰應(ying)用場(chang)合，本(ben)設計(ji)中使(shi)用的(de)是典(dian)型的(de)3層網(wang)絡結(jie)構,如(ru)🐉圖4所(suo)示.從(cong)圖中(zhong)可以(yi)看出(chu)該網(wang)絡輸(shu)入層(ceng)、輸出(chu)層、隐(yin)層的(de)節點(dian)分别(bie)爲3個(ge)💚、1個、4個(ge),網絡(luo)規模(mo)較小(xiao)，因此(ci)使用(yong)LM算法(fa)可以(yi)取得(de)較好(hao)的效(xiao)果.
 
3以(yi)太網(wang)結構(gou)的實(shi)現
3.1TCP/IP協(xie)議的(de)裁減(jian)
　　以太(tai)網中(zhong)的TCP/IP協(xie)議數(shu)以百(bai)計，而(er)嵌入(ru)式系(xi)統的(de)資源(yuan)有限(xian),沒有(you)必要(yao)實現(xian)全部(bu)TCP/IP協議(yi).裁減(jian)TCP/IP協議(yi)以适(shi)應工(gong)業以(yi)太網(wang)應用(yong)的要(yao)求是(shi)當前(qian)的一(yi)個研(yan)究熱(re)點,但(dan)目前(qian)尚無(wu)統一(yi)的裁(cai)減标(biao)準4.在(zai)本應(ying)用中(zhong)由于(yu)網絡(luo)的連(lian)接數(shu)和數(shu)據的(de)傳輸(shu)量較(jiao)少，因(yin)此以(yi)夠用(yong)即可(ke)”爲原(yuan)則，對(dui)TCP/IP協議(yi)進行(hang)合理(li)裁減(jian).裁減(jian)後的(de)協議(yi)包括(kuo)鏈路(lu)層中(zhong)的CSMA/CD.ARP協(xie)議，網(wang)絡層(ceng)中的(de)IP協議(yi),ICMP中的(de)Ping協議(yi)，傳輸(shu)層中(zhong)的TCP、UDP協(xie)議以(yi)及應(ying)用層(ceng)中的(de)HTTP協議(yi).
　　數據(ju)鏈路(lu)層的(de)主要(yao)作用(yong)是爲(wei)其上(shang)層協(xie)議發(fa)送和(he)接收(shou)數據(ju)幀,采(cai)用IEEE802.3規(gui)定的(de)CSMA/CD協議(yi),可使(shi)同一(yi)局域(yu)網上(shang)的多(duo)台計(ji)算機(ji)共享(xiang)同一(yi)物理(li)傳輸(shu)介質(zhi)，隻要(yao)采用(yong)通用(yong)的網(wang)絡接(jie)口控(kong)制芯(xin)片CS8900A就(jiu)可實(shi)現該(gai)協議(yi).以太(tai)網.上(shang)數據(ju)的傳(chuan)輸是(shi)通過(guo)網絡(luo)的MAC地(di)址進(jin)行識(shi)别的(de)，這就(jiu)要求(qiu)系統(tong)具有(you)從IP地(di)址轉(zhuan)換到(dao)MAC地址(zhi)的功(gong)能,即(ji)ARP(地址(zhi)解析(xi))協議(yi).網絡(luo)層中(zhong)的IP協(xie)議是(shi)TCP/IP協議(yi)族的(de)核心(xin)協議(yi),它使(shi)異構(gou)網絡(luo)之間(jian)的通(tong)信成(cheng)爲可(ke)能.ICMP實(shi)現與(yu)其他(ta)主機(ji)或路(lu)由器(qi)交換(huan)錯誤(wu)報文(wen)和其(qi)他重(zhong)要信(xin)息，由(you)于本(ben)設計(ji)隻需(xu)測試(shi)網絡(luo)聯通(tong)情況(kuang)，因此(ci)隻保(bao)留了(le)其中(zhong)的Ping協(xie)議.傳(chuan)輸層(ceng)中的(de)TCP協議(yi)和UDP協(xie)議爲(wei)2台主(zhu)機上(shang)的應(ying)用程(cheng)序提(ti)供端(duan)到端(duan)的通(tong)信.應(ying)用層(ceng)中的(de)HTTP協議(yi)實現(xian)以浏(liu)覽器(qi)訪問(wen)的方(fang)式.在(zai)以，上(shang)諸多(duo)協議(yi)中以(yi)實現(xian)TCP協議(yi)最爲(wei)困難(nan),受運(yun)算資(zi)源限(xian)制，隻(zhi)能實(shi)現簡(jian)化的(de)有限(xian)狀态(tai)機和(he)滑動(dong)窗口(kou)确認(ren)機制(zhi)以及(ji)單TCP連(lian)接.另(ling)外,爲(wei)過濾(lü)來訪(fang)信息(xi)，确保(bao)數據(ju)安全(quan)還實(shi)現了(le)簡易(yi)網絡(luo)防火(huo)牆功(gong)能,隻(zhi)允許(xu)某些(xie)事先(xian)設置(zhi)好的(de)IP地址(zhi)對流(liu)量計(ji)進行(hang)訪問(wen)，有效(xiao)減輕(qing)了流(liu)量計(ji)的工(gong)作負(fu)荷.
3.2以(yi)太網(wang)控制(zhi)芯片(pian)CS8900A的應(ying)用
　　CS8900A是(shi)一款(kuan)性能(neng)好、低(di)功耗(hao)的以(yi)太網(wang)控制(zhi)芯片(pian),内部(bu)含有(you)802.3介質(zhi)訪問(wen)控制(zhi)塊(MAC),支(zhi)持全(quan)雙工(gong)操作(zuo),具有(you)自動(dong)處🌍理(li)沖‼️突(tu)檢測(ce)、報頭(tou)生成(cheng)、CRC校驗(yan)碼生(sheng)成及(ji)其驗(yan)證等(deng)功能(neng);同時(shi)🈚通過(guo)對發(fa)送控(kong)制寄(ji)存器(qi)(TCMD)的配(pei)置,MAC可(ke)以完(wan)成幀(zhen)的自(zi)動重(zhong)傳51.設(she)計時(shi)選擇(ze)3V供電(dian)的CS8900A-CQ3,同(tong)時🌈爲(wei)了便(bian)于和(he)MSP430F449之間(jian)的電(dian)平匹(pi)配,在(zai)MSP430F449與CS8900A之(zhi)間采(cai)用圖(tu)5所示(shi)的硬(ying)件接(jie)口0.通(tong)過将(jiang)管腳(jiao)/MEMW和/MEMR置(zhi)高,使(shi)CS8900A工作(zuo)在簡(jian)單的(de)1/0模式(shi),該模(mo)式占(zhan)用⁉️端(duan)口資(zi)源較(jiao)少.MSP430F449通(tong)過對(dui)/SBHE、/IOW和/IOR等(deng)控制(zhi)信号(hao)線實(shi)現對(dui)CS8900A工作(zuo)方式(shi)的控(kong)制和(he)讀寫(xie)操作(zuo).
 
　　在設(she)計中(zhong)考慮(lü)到CS8900A芯(xin)片采(cai)用的(de)是16位(wei)數據(ju)傳輸(shu)模式(shi)，因此(ci)🔞在訪(fang)問之(zhi)前必(bi)須爲(wei)總線(xian)的高(gao)位使(shi)能管(guan)腳(1SBHE)提(ti)供--個(ge)由高(gao)到低(di)，再由(you)低到(dao)高變(bian)化的(de)電平(ping)信号(hao).CS8900A通過(guo)網絡(luo)隔離(li)變壓(ya)器TRC2023以(yi)12.5的電(dian)壓比(bi)将數(shu)據發(fa)送到(dao)網絡(luo),以11的(de)電壓(ya)比從(cong)網絡(luo)🔴接收(shou)數據(ju).CS8900A芯片(pian)的初(chu)始化(hua)操作(zuo)主要(yao)包括(kuo):軟✔️件(jian)複位(wei)并檢(jian)查标(biao)志位(wei)、設定(ding)16位工(gong)作模(mo)式、設(she)定臨(lin)時以(yi)太網(wang)物理(li)地址(zhi)、設定(ding)接收(shou)幀類(lei)型、确(que)定數(shu)據傳(chuan)送方(fang)向、中(zhong)斷使(shi)❗能以(yi)及數(shu)據收(shou)發使(shi)能等(deng).
4結束(shu)語
　　利(li)用磁(ci)阻傳(chuan)感器(qi)HMC1501實現(xian)了流(liu)量計(ji)機械(xie)連杆(gan)在士(shi)45°範圍(wei)内角(jiao)度🛀的(de)正确(que)測量(liang),并将(jiang)流量(liang)計接(jie)入以(yi)太網(wang)，實現(xian)了流(liu)量測(ce)量的(de)智能(neng)化和(he)網絡(luo)化,實(shi)際運(yun)行表(biao)明該(gai)系統(tong)工作(zuo)穩定(ding)、可靠(kao).

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