基于ARM9的網絡儀表電磁流量計

基于ARM9的網絡儀表電磁流量計
   摘要: 傳統的流量檢測儀器一般只具有較為簡單的信息分析處理能力, 其測量精度、功能擴展等方面都存在著一定的局限性, 已不能滿足實際工業生產中的測量與控制的需要。以ARM 嵌入式微處理器為核心, 定制嵌入式Linux 操作系統, 實現了一個采用以太網技術支持TCP / IP協議的網絡控制電磁流量計, 實現電磁流量計的智能化、網絡化, 有利于工業現場及時準確的液體流量檢測與控制。
   關鍵詞: 電磁流量計; 嵌入式系統; 網絡儀表
   1.. 電磁流量計測量原理
   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, 如圖1所示。當流體在管道內流過一個橫向磁場B 的時候, 相當于有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 vD ( 1) 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= ..DE /( 4B ) ( 2) 在勵磁電流、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 = Co e..(E - E0 ) x ( 3) 式中: C oe為儀表系數; E 0 為儀表零點修正; x 為多段非線性修正。
   2.. 網絡儀表電磁流量計硬件系統的設計
   網絡儀表智能電磁流量計硬件系統主要由檢測輸入模塊、勵磁輸出模塊、圖形顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊、信號輸出模塊、通信模塊、以及ARM 9嵌入式系統及存儲模塊組成。圖2為嵌入式電磁流量計的系統框圖。ARM 嵌入式系統經過初始化之后, 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ARM 9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。由通信模塊進行網絡數據交互和控制。另外, 由信號輸出模塊輸出4 ~ 20 mA 的標準儀用瞬時流量信號。
   2. 1.. 微控制器3SC2410及存儲模塊
   系統的核心部分采用ARM9 微控制器3SC2410設計。采用了3C2410芯片作為硬件平臺的處理器, 該芯片采用ARM 920T微處理器作為控制器內核, 其在高性能和低功耗方面表現良好, 它采用5級流水線, 支持協處理器、片上調試和MMU 等技術。內核運行速度高達203M, 并集成了LCD、USB 、NAND F1ash、SD H ost、MMC、觸摸屏等接口控制器, 對嵌入式Linux 操作系統良好的支持等, 可大大簡化設計復雜度。S3C2410支持包括ROM /SRAM /Flash、DRAM /SDRAM 和外部I /O 3類存儲空間, 可支持8位/16位/32位的存儲器系統。系統采用2 片HY29LV I60 芯片并聯構建32 位的ROM / Flash存儲器系統。HY29LV160 是2MB 容量的Flash芯片, 有16位數據線, 可以8位或16位方式工作。系統采用2 片8MB 容量的SDRAM 芯片K4S641632F, 構建32 位的DROM /SDRAM 存儲器系統。另外, 系統還配置了1 片具有512 字節存儲容量的EEPROM X504, 通過串行方式與S3C2410 進行數據傳輸, 用以存儲控制電磁流量計的實時參數。
   2. 2.. 勵磁輸出電路
   勵磁電路的任務是向勵磁線圈提供穩定的驅動電流, 包括圖2所示的D /A轉換電路、V / I轉換激勵和電流放大器。電流波形為方波、三值方波和梯形波等形式, 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。該電路由S3C2410 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。D /A轉換電路采用AD7243 芯片, 得到- 5、+ 5 V 的雙極性輸出。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, 引人大環路的電流負反饋, 穩定輸出勵磁電流。
   2. 3.. 檢測信號輸入模塊
   檢測輸入模塊包括信號放大濾波及A /D轉換電路, 信號放大濾波包括差分測量放大器、低通和高通濾波器、增益放大器。由于電磁流量計的電極輸出信號非常微弱, 一般只有幾個mV, 而且工業環境干擾非常大。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, 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 實現12 位并行模數轉換。
   2. 4.. 顯示和鍵盤輸入
   圖形顯示模塊用來實現檢測結果的實時圖形顯示。SID13506是大規模顯示控制器, 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。電路采用LCD 控制器SID13506顯示芯片實現彩色液晶點陣顯示和VGA標準接口。系統具有鍵盤輸入功能, 提供6 個操作鍵: 啟動/停止鍵、復位鍵、功能鍵、確認鍵、增一鍵、減一鍵, 實現儀表的設置、操作等功能。系統用3SC2410的通用I /O 口P10、P11、P12 作為鍵盤的行掃描線, P13、P14、P15作為列值輸入線, 構成一個3 .. 3的矩陣式鍵盤。
   2. 5.. 以太網接口電路
   網絡儀表電磁流量計的通信功能主要采用以太網的形式。3SC2410內嵌一個以太網控制器, 支持CSMA /CD協議, 全雙工模式下支持IEEE802. 3MAC控制層協議。系統采用一片物理層接口器件RTL8201組成以太網的接口電路, 該器件主要包括物理編碼子層、物理媒體附件、雙絞線物理媒體子層、10NBASETX 編碼/等。3SC2410和RTL8201都提供M.. 接口, 信號定義明確, 連接較簡單。3SC2410的MAC 控制器通過MDC /MDIO管理接口可控制多達31 個RTL8201。RTL8201 的信號發送和接收端通過網絡隔離變壓器和RJ45接口可接入傳輸媒體。
   2. 6.. 信號輸出模塊
   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, 還會輸出一個標準的4 ~ 20 mA 電流信號。該電路利用AD421轉換電路實現了流量輸出的功能。AD421芯片是一款低電壓、SPI串行輸入、16位.. - .. 轉換的D /A 轉換電路, 具備4~ 20mA環路電流輸出, 支持HART通信協議, 非常適合該電路應用。
   2. 7.. 電源電路
   由ARM 9構建的電源部分比較復雜, 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供給微控制器模塊使用, 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。
   3.. 網絡控制儀表的軟件系統設計
   對嵌入式Linux 系統的開發, 采用宿主機和開發板結合, 在交叉編譯環境下進行的方法。首先在運行L inux操作系統的宿主機上搭建交叉編譯環境, 接下來將引導加載程序、L inux 內核、文件系統的可執行映像依次存放在系統的存儲設備上。該系統采用的存儲設備是64M 的NAND F lash, 所用到的所有開發工具和源碼包含在M IZI軟件開發套件中, 它是專為S3C2410 芯片開發的配套軟件。
   3. 1.. 系統應用程序開發網絡儀表電磁流量計的應用軟件主要包括數據采集、數據處理、數據顯示、鍵盤處理、以太網通信等程序, 主程序流程圖如圖3所示。系統對數據進行處理并且可以根據需要實現各種控制算法程序使用于不同的對象控制。
圖3.. 主程序流程圖
   3. 2.. 以太網通信
   網絡控制智能電磁流量計的一個重要功能是實現以太網的通信。Linux 提供了強大的網絡支持, 用一系列相互連接層的軟件來實現In ternet協議地址族。它由專門處理BSD socket的通用套接字管理軟件來處理, 受INET socket層支持, 為基于IP的協議TCP和UDP提供端到端傳輸管理。系統采用客戶機/服務器的模式, 利用套接字socket實現通信。網絡通信的程序分為客戶程序和服務器程序, 這里客戶指的是控制儀表系統, 服務器指上位PC機。客戶機數據流通信過程如圖4 所示。采用網絡通信, 系統實現了網絡存儲, 大量數據由服務器( PC機)端進行統一存儲和管理, 更多的工作由服務器完成, 大大簡化控制儀表的軟硬件設備, 使資源的配置得到更合理的利用。
   4.. 結束語
   傳統的流量檢測儀器在處理能力、測量精度、誤差修正、功能擴展等方面都存在著局限性。文中采用ARM 9嵌入式系統芯片S3C2140, 對網絡儀表電磁流量計的硬件、軟件進行設計和圖4.. 以太網通信流程圖開發, 所研發的儀表不再是功能單一的控制儀表, 而是融合網絡通信、智能控制、人機交互、圖形顯示等技術, 實現了智能化的網絡儀表, 提高了電磁流量計的應用和研究水平。
   參考文獻: [ 1 ] .. 丁紀凱, 陳環. 基于ARM 的網絡控制儀表的設計和實現. 機電一體化, 2007 ( 2) : 57- 61. [ 2 ] .. 王天軍, 鄒偉華, 張宏建. 基于ARM 9內核的嵌入式電磁流量計. 工業儀表與自動化裝置, 2006( 1) : 58 - 62. [ 3 ] .. 徐辰, 張宏建. 基于M SP430單片機的電磁流量計設計. 工業控制計算機, 2005 ( 6) : 66 - 67. [ 4 ] .. 張宏建, 蒙建波. 自動檢測技術與裝置. 北京: 化學工業出版社, 2004. [ 5 ] .. 凌志浩. 智能儀表原理與設計技術. 上海: 華東理工大學出版社, --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：