基于LPC2106 的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器

基于LPC2106 的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器
   摘.. 要.. 介紹一種基于LPC2106 單片機(jī)的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器, 詳細(xì)介紹了模擬信號(hào)處理放大電路、勵(lì)磁模塊和智能處理單元。采用標(biāo)準(zhǔn)表比較法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn), 結(jié)果表明在0. 3m/ s 以上的流速只需單直線線性校正, 精度即可達(dá)0. 5%。
   關(guān)鍵詞.. 電磁流量計(jì); 轉(zhuǎn)換器; LPC2106 應(yīng)用
   0 .. 引言
   電磁流量計(jì)因其在使用中無(wú)壓力損失而被廣泛應(yīng)用于眾多的工業(yè)場(chǎng)合, 電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器是其重要組成部分, 直接決定了電磁流量計(jì)的精度。轉(zhuǎn)換器功能包括數(shù)據(jù)采集、顯示、積算、輸出、報(bào)警、故障診斷、自檢定及多段非線性補(bǔ)償、數(shù)據(jù)通訊功能等。現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換器大多使用8 位或16 位的單片機(jī), 較為復(fù)雜的算法就難以實(shí)現(xiàn)或響應(yīng)時(shí)間過(guò)慢。我們基于32 位的ARM 處理器( LPC2106) 設(shè)計(jì)的一款智能電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器, 數(shù)據(jù)處理能力顯著提高, 可以采用更復(fù)雜算法提高精度, 并且在低流速測(cè)量性能獲得較大改善亦成為可能, 較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)有明顯的改進(jìn)。此外, 32 位ARM 單片機(jī)集成度高, 外設(shè)豐富, 而且即使進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算也能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性大的要求, 使得軟件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單。
   1 .. 硬件設(shè)計(jì)
   電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng), 硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示, 圖中虛線框內(nèi)為智能處理單元。
   1. 1 勵(lì)磁模塊
   為克服現(xiàn)行的勵(lì)磁模塊工作中的模擬恒流源器件壓降高、功耗較大的缺點(diǎn), 本轉(zhuǎn)換器采用基于開(kāi)關(guān)原理的勵(lì)磁模塊, 可以根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出, 適用范圍大、功耗低、體積小, 提高了可靠性。勵(lì)磁信號(hào)頻率由CPU 輸出的控制信號(hào)頻率決定, 可以很容易地通過(guò)軟件編程加以修改, 可適應(yīng)各種實(shí)際應(yīng)用的需要。圖1 .. 電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)示意圖
   1. 2 信號(hào)采集與處理模塊
   信號(hào)采集與處理模塊包括模擬信號(hào)前端處理與A/ D 轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)處理是高精度電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。通過(guò)電極采集到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)微弱的交變信號(hào), 通常只有幾十微伏至幾毫伏, 且信號(hào)內(nèi)阻高, 噪聲信號(hào)頻率與50Hz 工頻相近, 幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于待測(cè)信號(hào), 放大電路設(shè)計(jì)需要高質(zhì)量的信號(hào)處理電路將干擾濾除, 才能提高儀表的測(cè)量精度。我們采用了如圖2 所示的信號(hào)處理電路。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大處理之前需首先經(jīng)過(guò)濾波預(yù)處理單元消除高頻干擾。一級(jí)放大電路選用的是高精度增益可調(diào)儀表放大器AD620, 其輸入阻抗高, 外接元件只需一個(gè)增益電阻。由于一級(jí)放大電路的輸入端直接與測(cè)量電極相聯(lián), 而電極在導(dǎo)電液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí), 由于液體中的各種帶電離子和外界電磁場(chǎng)對(duì)液體及管壁的干擾引起兩電極間的噪聲電動(dòng)勢(shì)變化時(shí)大時(shí)小, 為了不讓儀表放大器以
圖2 .. 信號(hào)處理電路原理圖及二級(jí)信號(hào)放大中的運(yùn)放進(jìn)入飽和區(qū), 一級(jí)信號(hào)放大倍數(shù)要稍小一些。然后再通過(guò)隔直電容將直流信號(hào)隔離, 余下的有用交流信號(hào)送入放大倍數(shù)高的后級(jí)放大器, 使信號(hào)達(dá)到A/ D 轉(zhuǎn)換器的工作范圍要求。經(jīng)過(guò)前面的處理, 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)仍然有可能存在一定的高頻尖峰噪聲, 這對(duì)后續(xù)的二級(jí)信號(hào)放大以及電平提升電路會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此這里進(jìn)一步設(shè)計(jì)了單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器。最后再將信號(hào)放大, 并提升為單極性信號(hào), 送入增益可調(diào)的16 位..- ..型A/ D 轉(zhuǎn)換器AD7715 完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。
   1. 3 智能處理單元
   本系統(tǒng)采用了LPC2106 作為主CPU, 附加LCD 顯示模塊、鍵盤輸入模塊、輸入輸出和通訊模塊等共同構(gòu)成智能處理單元。LPC2106 是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI- S 微處理器, 自帶128kB 高速Flash 存儲(chǔ)器, 采用3 級(jí)流水線技術(shù), 取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行, 能夠并行處理指令, 提高CPU 運(yùn)行速度。由于內(nèi)含多個(gè)32 位定時(shí)器、PWM 輸出和32 個(gè)GPI0, 且無(wú)需外擴(kuò)RAM, 具有很小的尺寸和極低的功耗, 非常適用于本系統(tǒng)的小型化要求。CPU 通過(guò)SPI 總線和A/ D、D/ A 以及LCD 控制芯片相互通訊, 只需3 根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展所有外圍器件, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性, 減少了尺寸, 降低了成本。此外, LPC2106 還自帶PWM 輸出, 可直接用于輸出頻率信號(hào)和脈沖當(dāng)量。系統(tǒng)的通訊模塊包含RS - 232 接口和RS - 485 接口, 用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的通訊方式, 方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊, 并可組成多機(jī)總線, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。4 ~ 20mA 的輸出模塊選用了AD421 芯片, 可直接將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出, 并預(yù)留HART 協(xié)議通訊接口。
   2 .. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
   系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)方法, 由主程序、時(shí)基中斷程序、菜單處理程序、勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生、A/ D、D/ A、通訊、顯示、脈沖頻率輸出等部分組成。主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化, 通過(guò)對(duì)各模塊的應(yīng)答響應(yīng), 判斷各模塊是否正常運(yùn)行。通過(guò)設(shè)定用戶級(jí)別, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表參數(shù)設(shè)定的分級(jí)控制, 分屬不同級(jí)別的生產(chǎn)廠家、售后服務(wù)和用戶均只能訪問(wèn)相應(yīng)級(jí)別允許訪問(wèn)和修改的儀表參數(shù)。在工況測(cè)量狀態(tài)下,
儀表將實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量、累積流量、流速和報(bào)警信息等。在參數(shù)設(shè)定狀態(tài), 可對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置, 比如傳感器系數(shù)、轉(zhuǎn)換器系數(shù)、儀表系數(shù)、測(cè)量管口徑等。系統(tǒng)將把改變的系數(shù)和累計(jì)流量等相關(guān)信息在線保存, 并可記錄多次上電和復(fù)位時(shí)間信息, 以備現(xiàn)場(chǎng)工作人員查閱。系統(tǒng)的主程序流程圖和定時(shí)器中斷響應(yīng)處理程序分別如圖3、圖4 所示。圖3 主程序流程圖圖4 定時(shí)器中斷響應(yīng)處理程序
   3 .. 試驗(yàn)結(jié)果
    使用研制的智能電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器配合某廠傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn), 采用標(biāo)準(zhǔn)表比較法來(lái)標(biāo)定所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器。此處與標(biāo)準(zhǔn)值比較的方法為總量法, 是比較樣機(jī)累積體積流量值和標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)體積, 以確定儀表表示值或誤差。雖然校準(zhǔn)是在的流量下進(jìn)行, 但由于比較的是總量, 所以對(duì)流量穩(wěn)定性的要求稍低。實(shí)驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為25mm, 標(biāo)準(zhǔn)表為0. 2 級(jí), 被測(cè)表為設(shè)計(jì)的樣機(jī), 采用兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出直線, 用其余各組數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證線性校正后樣機(jī)的誤差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 在0. 3~ 1m/ s 流速段用一條直線擬合, 示值誤差為0. 4%, 精度可以達(dá)到0. 5%。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。表1 部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表流速( m/ s) 校正后樣機(jī)瞬時(shí)流速( m/ s) 標(biāo)準(zhǔn)表累計(jì)流量( L) 校正后樣機(jī)累計(jì)流量( L) 校正后樣機(jī)累積流量*. 2065 0. 2078 48. 38 48. 3763 - 0. 0077% 0. 3022 0. 3026 73. 10 73. 1650 0. 0889% 0. 4040 0. 4117 98. 97 99. 0654 0. 0964% 0. 4991 0. 4944 117. 66 117. 6140 - 0. 0391% 0. 5981 0. 5990 156. 88 157. 0739 0. 1236% 0. 6983 0. 7030 159. 54 159. 7013 0. 1011% 0. 8024 0. 8038 191. 96 192. 2644 0. 1586% 0. 8975 0. 9008 217. 022 216. 8440 - 0. 0811% 1. 0010 1. 0035 226. 13 225. 8998 - 0. 1018%
    4 .. 結(jié)束語(yǔ)
   本設(shè)計(jì)采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法, 具有較高的智能性和多場(chǎng)合適應(yīng)能力, 集成化程度高、功能多、操作方便、體積小、功耗較低, 具備一定的自診斷能力和多機(jī)通訊功能, 可測(cè)量正反向流量和脈動(dòng)流量, 抗電磁干擾和溫度性能較好, 適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用或遠(yuǎn)程測(cè)量, 測(cè)量范圍大, 準(zhǔn)確度高, 流速在0. 3m/ s 以上時(shí), 精度達(dá)到0. 5%。
   參考文獻(xiàn)[ 1] 蔡武昌, 馬中元, 等. 電磁流量計(jì)[ M ] . 北京: 中國(guó)石化出版社, 2004 [ 2] 周立功, 等. ARM 微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[ M ] . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003 [ 3] 李斌, 包海燕. 電磁流量計(jì)的信號(hào)處理方法探討[ J] . 上海理工大--擴(kuò)展閱讀：開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站：