摘要:介(jie)紹一種(zhong)基于以(yi)太網的(de)新型智(zhi)能金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji) 的設計(ji)方案。應(ying)用磁阻(zu)傳感器(qi)測量金(jin)屬浮子(zi)角位💚移(yi),結合精(jing)度高A/D轉(zhuan)換器和(he)低功耗(hao)MCU實現數(shu)字化采(cai)集和智(zhi)☂️能控✔️制(zhi)。系統提(ti)供了電(dian)流變送(song)器XTR115輸出(chu)的電流(liu)環接口(kou)和基于(yu)TCP/P工業簡(jian)化協議(yi)的以太(tai)網數據(ju)通信接(jie)口。結合(he)😘相應的(de)固件系(xi)統,成♉功(gong)實現了(le)精度高(gao)、低功耗(hao)的數字(zi)化流量(liang)計。
　　金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)具有其(qi)耐高溫(wen)、耐高壓(ya)、耐腐蝕(shi)💯等特💋點(dian)而🚶廣泛(fan)應用于(yu)中小流(liu)速流量(liang)的工業(ye)計量。當(dang)前一般(ban)利用霍(huo)爾元件(jian)感測浮(fu)子位置(zhi)變化或(huo)利用電(dian)容式角(jiao)位移傳(chuan)感器測(ce)量💰機械(xie)連🥰杆的(de)旋轉角(jiao)度等原(yuan)理進行(hang)設計“。電(dian)路設計(ji)複雜、功(gong)耗較大(da)、精度不(bu)高。一種(zhong)使用各(ge)向異性(xing)磁阻(AMR)傳(chuan)感原理(li),應用低(di)功㊙️耗單(dan)片機,并(bing)擁有工(gong)業以太(tai)網通信(xin)接口的(de)新型智(zhi)能金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)的設計(ji)方案。該(gai)流量計(ji)具有精(jing)度高、功(gong)耗低、易(yi)于構造(zao)測控網(wang)絡等特(te)點,能廣(guang)泛🌍應用(yong)于工業(ye)計量,适(shi)合日益(yi)興起的(de)工業以(yi)太🔞網的(de)💜發展需(xu)求。
1總體(ti)設計
　　金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計由錐(zhui)形管、内(nei)置磁鋼(gang)的浮子(zi)以及外(wai)置的嵌(qian)有磁鋼(gang)的機械(xie)連杆組(zu)成。當流(liu)量變化(hua)時,浮子(zi)将在錐(zhui)形管内(nei).上下移(yi)動,并由(you)磁鋼耦(ou)合帶動(dong)機械連(lian)杆旋轉(zhuan)一定角(jiao)度θ。流量(liang)Q和浮子(zi)移動的(de)距離h以(yi)及連杆(gan)角度θ存(cun)在着相(xiang)應的函(han)數關系(xi),即:
Q=f(h)=g(θ)(1)
　　所以(yi),對θ值的(de)測量精(jing)度直接(jie)關系到(dao)流量的(de)測量精(jing)度,本設(she)計選用(yong)磁阻傳(chuan)感器HMC1501測(ce)量θ值,可(ke)保證模(mo)拟量測(ce)量部分(fen)的高精(jing)度要求(qiu)🍉。前端模(mo)數轉換(huan)數據處(chu)理❓和控(kong)制部分(fen),選用内(nei)部集成(cheng)高精度(du)A/D轉換器(qi)和16位硬(ying)❤️件乘法(fa)器的低(di)功耗單(dan)片機MSP430F449。接(jie)口設計(ji)分爲兩(liang)部分:(1)由(you)電流變(bian)送器XTR115提(ti)供标準(zhun)的4~20mA電流(liu)環信☀️号(hao);(2)應用CiruLogic公(gong)司🈚的10BASE-T以(yi)太網控(kong)制器CS8900A實(shi)現工業(ye)以太網(wang)接口。總(zong)體設計(ji)框圖如(ru)圖1所示(shi)。
 
2模拟量(liang)測量及(ji)磁阻傳(chuan)感器的(de)應用
2.1磁(ci)阻傳感(gan)器測量(liang)原理和(he)特性
　　含(han)鐵材料(liao)的各向(xiang)異性原(yuan)理可感(gan)測周圍(wei)磁場的(de)變♍化✏️,運(yun)🔴用😍特殊(shu)工藝可(ke)制成薄(bao)膜狀磁(ci)阻元件(jian)。HMC150就是以(yi)此原理(li)爲基礎(chu),将四個(ge)磁阻元(yuan)件構成(cheng)一個金(jin)剛石狀(zhuang)的惠斯(si)登電橋(qiao)(如圖♉2所(suo)示)。在🚩外(wai)加磁場(chang)的作用(yong)下⭐,使得(de)通過磁(ci)阻的電(dian)流發生(sheng)變化，從(cong)而在㊙️輸(shu)出端形(xing)🥵成差分(fen)電壓△V。
 
　　HMC1501傳(chuan)感器是(shi)一種工(gong)作在磁(ci)飽和狀(zhuang)态的變(bian)換器件(jian),此時傳(chuan)感器對(dui)磁場大(da)小不再(zai)敏感,其(qi)輸出值(zhi)僅和磁(ci)場方向(xiang)有⭐關,利(li)🔅用此🐆原(yuan)理💘就可(ke)以感測(ce)周圍磁(ci)場相對(dui)于傳感(gan)器的角(jiao)度變化(hua)。HMC1501角度測(ce)量範圍(wei)爲±45˳，分辨(bian)度小于(yu)0.07°,傳感器(qi)和磁鐵(tie)之間的(de)有效線(xian)性距🐆離(li)爲8mm。典型(xing)電壓應(ying)用時(橋(qiao)路激勵(li)電🏃🏻‍♂️壓3.3V),橋(qiao)路電阻(zu)🙇‍♀️和輸出(chu)電壓💚分(fen)别爲4.51Ω和(he)-55mV~+55mV,其輸入(ru)輸出特(te)性爲:
 
式(shi)中各變(bian)量分别(bie)爲
V˳橋路(lu)輸出電(dian)壓;Kt與溫(wen)度相關(guan)的增益(yi);
Vs橋路激(ji)勵電壓(ya);S材料常(chang)數;
θ磁場(chang)參考角(jiao)度;C˳制造(zao)公差引(yin)起的偏(pian)置電壓(ya);
kt偏置電(dian)壓的溫(wen)敏系數(shu)(-0.01%/℃)。
　　以上說(shuo)明當溫(wen)度變化(hua)較小時(shi),橋路輸(shu)出電壓(ya)與θ角成(cheng)正弦函(han)🐪數💜關系(xi)。而當溫(wen)度變化(hua)較大時(shi),測量精(jing)度會受(shou)到影⛹🏻‍♀️響(xiang),其👨‍❤️‍👨中橋(qiao)路電阻(zu)溫度系(xi)數爲0.28%/℃,靈(ling)敏度溫(wen)度系數(shu)✔️爲-3.2%/℃。所以(yi)在該設(she)🔅計中引(yin)🚩入了溫(wen)度補償(chang)手段。
 
　　圖(tu)3表示θ角(jiao)和輸出(chu)電壓之(zhi)間的函(han)數關系(xi)。另一方(fang)面該傳(chuan)感器的(de)功耗很(hen)低,由式(shi)P=Vs2/R(R爲橋路(lu)電阻)可(ke)知,當3.3V供(gong)橋時功(gong)耗僅爲(wei)2.42mw,滿足低(di)功耗設(she)計的要(yao)求。
2.2檢測(ce)電路設(she)計和數(shu)字濾波(bo)
　　HMC1501輸出的(de)橋路信(xin)号較小(xiao),接入A/D之(zhi)前,需要(yao)進行信(xin)号的放(fang)大和調(diao)✏️理♻️。設計(ji)選用典(dian)型差分(fen)式放大(da)電路,如(ru)圖4所示(shi)。
 
　　放大器(qi)的選擇(ze)需要滿(man)足兩點(dian):第--,能夠(gou)單電源(yuan)工作,可(ke)簡化❤️系(xi)🔞統電源(yuan)設計;第(di)二,較低(di)的溫度(du)漂移。設(she)計中使(shi)用了TI的(de)低溫漂(piao)高運放(fang)ILC27L2。由于采(cai)用了單(dan)電源供(gong)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電,所以(yi)要求A點(dian)❄️電位始(shi)終大于(yu)B點,否則(ze)放大器(qi)的輸出(chu)就會失(shi)真,爲了(le)擡🛀🏻升A點(dian)的電位(wei),可以在(zai)👈含Out+的支(zhi)路中,對(dui)模拟地(di)之間串(chuan)接一個(ge)電阻,适(shi)當☂️的放(fang)大倍數(shu)🏃🏻下電阻(zu)阻值❄️取(qu)300Ω。硬件采(cai)用RC濾波(bo),在運放(fang)正負輸(shu)入腳之(zhi)間，以及(ji)負反，饋(kui)回路_上(shang)加入濾(lü)波🍓電容(rong),通過計(ji)算和✏️試(shi)驗選擇(ze)了容值(zhi),提高系(xi)統的EMC性(xing)能。
　　放大(da)後的信(xin)号,經過(guo)一-級電(dian)壓跟随(sui)器,送入(ru)MSP430F449單片機(ji)内部12位(wei)SAR型ADC進行(hang)模數轉(zhuan)換。高速(su)采樣和(he)16個AD值寄(ji)存器,爲(wei)數字濾(lü)波提供(gong)了方便(bian)。運用積(ji)分算法(fa)取得了(le)很好的(de)效果。算(suan)法中設(she)置--定長(zhang)度🈲的時(shi)間㊙️窗口(kou),采樣值(zhi)按時間(jian)順序先(xian)入先出(chu)(FIFO),然後取(qu)平均值(zhi)計算。系(xi)統可⛷️以(yi)通過軟(ruan)件設置(zhi)窗口長(zhang)🏃‍♂️度,以在(zai)濾波效(xiao)果和測(ce)控✊時延(yan)之間取(qu)得平衡(heng)。
3系統接(jie)口設計(ji)
3.1電流環(huan)信号(4~20mA)輸(shu)出
　　經過(guo)模數轉(zhuan)換和數(shu)值處理(li)後的流(liu)量數據(ju)或控制(zhi)數據,由(you)系統接(jie)口提供(gong)給外部(bu)設備。工(gong)控環境(jing)下,經常(chang)使用4~20mA電(dian)流環輸(shu)出,設計(ji)中采用(yong)的XTR115是TI公(gong)司的二(er)線制電(dian)流⭐變送(song)器。轉換(huan)精度高(gao)達±0.05%非線(xian)性🔞誤差(cha)±0.003%。
 
　　圖5是實(shi)現流量(liang)數據到(dao)電流環(huan)的DA轉換(huan)過程。MSP430單(dan)片機輸(shu)出PWM(脈🤩寬(kuan)調制)信(xin)号,由RC積(ji)分電路(lu)将脈沖(chong)信号轉(zhuan)換成連(lian)續的🏃🏻‍♂️電(dian)壓信号(hao)。--級放大(da)後送入(ru)XTR115電流變(bian)送器,弱(ruo)電壓或(huo)電流信(xin)号經電(dian)流變送(song)器XTR115放大(da),獲得4~20mA的(de)标準電(dian)流環輸(shu)出。流量(liang)或控制(zhi)量值與(yu)電流的(de)對應關(guan)系,由軟(ruan)件标定(ding)程序實(shi)現。
3.2工業(ye)以太網(wang)通信
(1)工(gong)業以太(tai)網應用(yong)前景
　　以(yi)太網使(shi)用星型(xing)拓撲結(jie)構交換(huan)技術的(de)全雙工(gong)通🏃‍♀️信方(fang)式,基本(ben)消除了(le)由介質(zhi)訪問控(kong)制方式(shi)(沖突檢(jian)測載波(bo)多😄點訪(fang)問CSMA/CD)導緻(zhi)的通信(xin)不.确定(ding)性,滿足(zu)工業控(kong)制領💰域(yu)對實🎯時(shi)性的基(ji)本要求(qiu)。同時以(yi)太網豐(feng)富的資(zi)源和低(di)廉的成(cheng)本必将(jiang)促☔進其(qi)在工控(kong)領域的(de)❓進一-步(bu)普及,面(mian)向工業(ye)應用的(de)TCP/IP協議也(ye)将成爲(wei)現場總(zong)線的基(ji)礎協議(yi)。
(2)面向應(ying)用裁減(jian)TCP/IP協議
　　TCP/IP協(xie)議族非(fei)常豐富(fu),但由于(yu)嵌入式(shi)系統的(de)資源有(you)限🤞,在保(bao)證實時(shi)、低誤碼(ma)率前提(ti)下對TCP/P協(xie)議進行(hang)裁減以(yi)适應工(gong)業以太(tai)網應👅用(yong)成爲-一(yi)個研究(jiu)熱點,目(mu)前尚🈚無(wu)統--标✊準(zhun)公布[4]。本(ben)設計中(zhong)以實際(ji)應用爲(wei)背景、采(cai)用夠用(yong)即可😍”原(yuan)則,對協(xie)議簇進(jin)行.了裁(cai)減,各層(ceng)分别實(shi)現的協(xie)議見表(biao)1。
 
　　表1中鏈(lian)路層爲(wei)其上層(ceng)協議發(fa)送和接(jie)收數據(ju)幀,實現(xian)了IEEE802.3所規(gui)定的CSMA/CD協(xie)議,構成(cheng)以太網(wang)基本物(wu)理傳輸(shu)介質訪(fang)問方式(shi),實現該(gai)協議采(cai)用通用(yong)的網絡(luo)接口控(kong)制芯片(pian)CS8900A。爲實現(xian)網絡MAC地(di)址到P地(di)址的轉(zhuan)換功能(neng),加入了(le)ARP地址解(jie)析協議(yi)。IP協議則(ze)是TCP/P協議(yi)族的核(he)心協議(yi),使異構(gou)網絡之(zhi)間的通(tong)信成爲(wei)可能。而(er)CMP協議隻(zhi)是IP協議(yi)的附屬(shu)協議,設(she)計中隻(zhi)需測試(shi)網絡聯(lian)通情況(kuang),故隻保(bao)留了PNG協(xie)議。TCP(傳輸(shu)控制協(xie)議)和UDP(用(yong)戶數據(ju)報協議(yi))是兩種(zhong)傳輸層(ceng)協議,二(er)者建立(li)于IP協議(yi)之，上,爲(wei)兩台主(zhu)機.上的(de)應用程(cheng)序提供(gong)端到端(duan)的通信(xin)。應用層(ceng)上實現(xian)了基于(yu).HTIP協議的(de)WEB浏覽服(fu)務。
TCP協議(yi)的實現(xian)最爲困(kun)難。受資(zi)源限制(zhi)，隻實現(xian)了簡化(hua)的有限(xian)👄狀态㊙️機(ji)和滑動(dong)窗口機(ji)制以及(ji)單TCP連接(jie)。
(3)以太網(wang)控制器(qi)CS8900A
　　CS8900A内部含(han)有802.3介質(zhi)訪問控(kong)制塊(MAC),支(zhi)持全雙(shuang)工操作(zuo),自動處(chu)理沖突(tu)檢測、報(bao)頭生成(cheng)、CRC校驗碼(ma)生成和(he)驗證功(gong)能。通過(guo)對發送(song)控制寄(ji)存器(TQMD)配(pei)置,MAC可以(yi)完成幀(zhen)的自動(dong)重傳功(gong)能[5]’。
　　圖6所(suo)示的MSP430F449與(yu)CS8900A的連接(jie)采用簡(jian)單的IO模(mo)式。該模(mo)式占用(yong)内👄存資(zi)源少,相(xiang)應管腳(jiao)MBMW和MEMR需被(bei)置高。單(dan)片機通(tong)過/SBHE、/DW和/DR等(deng)控制信(xin)号線實(shi)現對CS8900A的(de)工作方(fang)式控制(zhi)和讀寫(xie)操作'6]。芯(xin)片使用(yong)中比較(jiao)重要的(de)是初始(shi)化✊操作(zuo),包括:軟(ruan)♍件複位(wei)并🈲檢查(cha)标志位(wei)、設定工(gong)🌈作模式(shi)、設定臨(lin)時以太(tai)網物理(li)地址、設(she)定接收(shou)幀類型(xing)、确定☂️數(shu)據傳送(song)方👈向、中(zhong)斷使能(neng)以及數(shu)據收發(fa)使💁能等(deng)。
 
(4)以太網(wang)通信測(ce)試
 
　　網絡(luo)測試環(huan)境如表(biao)2,網絡架(jia)構如圖(tu)7。各設備(bei)上電初(chu)始化🙇🏻後(hou),都設定(ding)了MAC地址(zhi)和IP地址(zhi),所有IP地(di)址均爲(wei)C類地址(zhi)。這🤟樣即(ji)可以接(jie)收🛀🏻以太(tai)🔅網單播(bo)或廣播(bo)包。首先(xian),在主機(ji).上PC機測(ce)試終端(duan)流量計(ji)的ARP工作(zuo)機制和(he)實現情(qing)況。結果(guo)如圖8所(suo)示。
 
　　用ARP命(ming)令測試(shi)主機ARP高(gao)速緩存(cun)中的IP和(he)MAC地址,此(ci)時隻有(you)本地IP:210.29.104.1對(dui)應的MAC地(di)址00-30-85-88-8b-02;然後(hou),用ping.程序(xu)測試網(wang)絡上的(de)任何一(yi)台流量(liang)計終端(duan),圖中顯(xian)💘示對象(xiang)IP:210.29.104.41的測試(shi)結果,報(bao)文數據(ju)的往返(fan)時間是(shi)lmS;最後，再(zai)次☎️測試(shi)主機的(de)ARP高速緩(huan)☀️存,結果(guo)顯示已(yi)添加了(le)對象終(zhong)💃端的IP和(he)MAC地址。測(ce)試主機(ji)和終端(duan)流量計(ji)之間UDP數(shu)據的傳(chuan)輸效果(guo)。UDP協議提(ti)供💘簡單(dan)的面向(xiang)數據報(bao)的傳輸(shu)層協議(yi)。一個簡(jian)單的UDP應(ying)用程序(xu)如圖9所(suo)示。主機(ji)對終端(duan)流量計(ji)發送UDP數(shu)據命令(ling),當流量(liang)計收到(dao)"DataCollection!”命令就(jiu)回送采(cai)集到🐪的(de)兩路ADC的(de)電壓信(xin)号值。測(ce)試結果(guo)表明接(jie)收和發(fa)送數據(ju)包正确(que)😍率高,丢(diu)包極少(shao)，實現了(le)UDP數💔據處(chu)理功能(neng)。
 
　　通過TCP簡(jian)化協議(yi)實現了(le)基于HTTP協(xie)議的終(zhong)端流量(liang)計WEB服務(wu),簡化的(de)HTML網頁數(shu)據保存(cun)在MCU的片(pian)内FLASH存儲(chu)器中。HTTP服(fu)務器可(ke)以動态(tai)實時更(geng)新數據(ju)。在浏覽(lan)器的URL地(di)址中鍵(jian)入:htp://210.29.104.41,就可(ke)以浏覽(lan)如圖10所(suo)示的頁(ye)面,網頁(ye)動态顯(xian)示出采(cai)集到的(de)流量值(zhi)。
 
4結論
(1)通(tong)過以_上(shang)方案成(cheng)功實現(xian)了低功(gong)耗、較低(di)成本智(zhi)能金屬(shu)管浮子(zi)流量計(ji)的硬件(jian)和固件(jian)程序設(she)計;
(2)簡化(hua)TCP/IP協議的(de)以太網(wang)通信,易(yi)于構造(zao)實時、可(ke)靠的網(wang)絡測控(kong)系統,并(bing)在實際(ji)應用中(zhong)得到驗(yan)證,同時(shi)也爲主(zhu)機(PC)軟件(jian)🤟開發提(ti)供了廣(guang)✌️闊的空(kong)間。

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