基于ARM9 內核的嵌入式電磁流量計

基于ARM9 內核的嵌入式電磁流量計
   摘要: 針對用戶對電磁流量計的需求, 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。文中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。
   關鍵詞: 嵌入式系統;ARM9 核心板; 電磁流量計
   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、高精度、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] 。采用基于ARM9 內核的處理器AT91RM9200[ 3] 構建的核心板實現的電磁流量計目前國內未見文獻資料, 該文重點介紹與之相關的硬件設計。
   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= V....D2/ 4= ..D..E/ 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= Coe......( 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, 工作頻率達180 MHz, 其功能強大、性能穩定, 非常適合儀表的應用, 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12 Mbps .. 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~ 20 mA 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, 工業環境干擾非常大。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..5 V 的范圍, 其模擬部分電壓增益應該在60 dB 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干擾及雜波, 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~ D11 .. 12 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確度、零點穩定性和抗力等多項指標。為研制高精度電磁流量計作探索性研究。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~ + 5 V 的雙極性輸出。與ARM9 核心板的SPI2 口對接, 如圖4 所示。圖4.. 勵磁電路框圖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~ 20 mA 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.. - .. 轉換的D/A 轉換電路, 具備4~ 20 mA 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: 圖5.. 流量輸出電路圖.. .. 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REF IN 選用芯片提供的REF OUT2( 2..5 V) 。電路中LV 與VCC 之間接0..01 ..F 的電容, 決定了由+ 24 V 的環路電源LOOP POWER 產生3..3 V 電源, + 24 V 的環路電源LOOP POWER 經內部控制電流由LOOP RTN 返回, 形成4~ 20 mA 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。圖6.. 圖形顯示模塊框圖.. .. 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, 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。
表1.. 核心板與芯片引腳相連信號表核心板芯片引腳引腳說明D[ 0....15] DB[ 0....15] 雙向數據線A[ 1....20] AB[ 1....20] 20 位地址線A21 M/ R 讀寫顯存/ 內部寄存器選擇NRST RESET 鍵控復位線NCS2 CS 片選信號NBS1 WE1 高位讀寫控制NRD RD/WR 低位讀寫控制NRD RD 輸出讀使能信號NWRO WE0 輸出寫使能信號NWEIT WEIT 等待信號
   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USB HOST 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。圖7.. 鍵盤、通信、調試接口框圖
   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+ 5 V 穩壓電源, 經過2 組穩壓器LT1085 分別產生3..3 V 和1..8 V 供給核心板使用, 3..3 V 和+ 5 V 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.. 15 V, 供給勵磁輸出的.. 24 V 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, 已被列入浙江省重大科技攻關項目..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。
 參考文獻: [ 1] .. 張宏建, 蒙建波. 自動檢測技術與裝置[M] . 北京: 化學工業出版社. 2004. [ 2] .. Jean J. Labrosse[ 美] 著, 袁勤勇譯. 嵌入式系統構件( 第二版) [M] . 北京: 機械工業出版社, 2002. --擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：