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面向以太网金属管浮子流量计设计
 发(fa)布(bu)的时段:2022-1-20 08:35:09

摘要:介绍一种基于以太网的新型智能金属管浮子流量计的设计方案。应用磁阻传感器测量金属浮子角位移,结合高精度A/D转换器和低功耗MCU实现数字化采集和智能控制。系统提供了电流变送器XTR115输出的电流环接口和基于TCP/P工业简化协议的以太网数据通信接口。结合相应的固件系统,成功实现了高精度、低功耗的数字化流量计。
  金属管浮子流量计具有其耐高温、耐高压、耐腐蚀等特点而广泛应用于中小流速流量的工业计量。当前一般利用霍尔元件感测浮子位置变化或利用电容式角位移传感器测量机械连杆的旋转角度等原理进行设计“。电路设计复杂、功耗较大、精度不高。本文作者提出一种使用各向异性磁阻(AMR)传感原理,应用低功耗单片机,并拥有工业以太网通信接口的新型智能金属管浮子流量计的设计方案。该流量计具有精度高、功耗低、易于构造测控网络等特点,能广泛应用于工业计量,适合日益兴起的工业以太网的发展需求。
1总体设计
  金属管浮子流量计由锥形管、内置磁钢的浮子以及外置的嵌有磁钢的机械连杆组成。当流量变化时,浮子将在锥形管内.上下移动,并由磁钢耦合带动机械连杆旋转一定角度θ。流量Q和浮子移动的距离h以及连杆角度θ存在着相应的函数关系,即:
Q=f(h)=g(θ)(1)
  所以,对θ值的测量精度直接关系到流量的测量精度,本设计选用磁阻传感器HMC1501测量θ值,可保证模拟量测量部分的高精度要求。前端模数转换数据处理和控制部分,选用内部集成高精度A/D转换器和16位硬件乘法器的低功耗单片机MSP430F449。接口设计分为两部分:(1)由电流变送器XTR115提供标准的4~20mA电流环信号;(2)应用CiruLogic公司的10BASE-T以太网控制器CS8900A实现工业以太网接口。总体设计框图如图1所示。
 
2模拟量测量及磁阻传感器的应用
2.1磁阻传感器测量原理和特性
  含铁材料的各向异性原理可感测周围磁场的变化,运用特殊工艺可制成薄膜状磁阻元件。HMC150就是以此原理为基础,将四个磁阻元件构成一个金刚石状的惠斯登电桥(如图2所示)。在外加磁场的作用下,使得通过磁阻的电流发生变化,从而在输出端形成差分电压△V。
 
  HMC1501传感器是一种工作在磁饱和状态的变换器件,此时传感器对磁场大小不再敏感,其输出值仅和磁场方向有关,利用此原理就可以感测周围磁场相对于传感器的角度变化。HMC1501角度测量范围为±45˳,分辨度小于0.07°,传感器和磁铁之间的有效线性距离为8mm。典型电压应用时(桥路激励电压3.3V),桥路电阻和输出电压分别为4.51Ω和-55mV~+55mV,其输入输出特性为:
 
式中各变量分别为
V˳桥路输出电压;Kt与温度相关的增益;
Vs桥路激励电压;S材料常数;
θ磁场参考角度;C˳制造公差引起的偏置电压;
kt偏置电压的温敏系数(-0.01%/℃)。
  以上说明当温度变化较小时,桥路输出电压与θ角成正弦函数关系。而当温度变化较大时,测量精度会受到影响,其中桥路电阻温度系数为0.28%/℃,灵敏度温度系数为-3.2%/℃。所以在该设计中引入了温度补偿手段。
 
  图3表示θ角和输出电压之间的函数关系。另一方面该传感器的功耗很低,由式P=Vs2/R(R为桥路电阻)可知,当3.3V供桥时功耗仅为2.42mw,满足低功耗设计的要求。
2.2检测电路设计和数字滤波
  HMC1501输出的桥路信号较小,接入A/D之前,需要进行信号的放大和调理。设计选用典型差分式放大电路,如图4所示。
 
  放大器的选择需要满足两点:第--,能够单电源工作,可简化系统电源设计;第二,较低的温度漂移。设计中使用了TI的低温漂高运放ILC27L2。由于采用了单电源供电,所以要求A点电位始终大于B点,否则放大器的输出就会失真,为了抬升A点的电位,可以在含Out+的支路中,对模拟地之间串接一个电阻,适当的放大倍数下电阻阻值取300Ω。硬件采用RC滤波,在运放正负输入脚之间,以及负反,馈回路_上加入滤波电容,通过计算和试验选择了最佳的容值,提高系统的EMC性能。
  放大后的信号,经过一-级电压跟随器,送入MSP430F449单片机内部12位SAR型ADC进行模数转换。高速采样和16个AD值寄存器,为数字滤波提供了方便。运用积分算法取得了很好的效果。算法中设置--定长度的时间窗口,采样值按时间顺序先入先出(FIFO),然后取平均值计算。系统可以通过软件设置窗口长度,以在滤波效果和测控时延之间取得平衡。
3系统接口设计
3.1电流环信号(4~20mA)输出
  经过模数转换和数值处理后的流量数据或控制数据,由系统接口提供给外部设备。工控环境下,经常使用4~20mA电流环输出,设计中采用的XTR115是TI公司的二线制电流变送器。转换精度高达±0.05%非线性误差±0.003%。
 
  图5是实现流量数据到电流环的DA转换过程。MSP430单片机输出PWM(脉宽调制)信号,由RC积分电路将脉冲信号转换成连续的电压信号。--级放大后送入XTR115电流变送器,弱电压或电流信号经电流变送器XTR115放大,获得4~20mA的标准电流环输出。流量或控制量值与电流的对应关系,由软件标定程序实现。
3.2工业以太网通信
(1)工业以太网应用前景
  以太网使用星型拓扑结构和最新交换技术的全双工通信方式,基本消除了由介质访问控制方式(冲突检测载波多点访问CSMA/CD)导致的通信不.确定性,满足工业控制领域对实时性的基本要求。同时以太网丰富的资源和低廉的成本必将促进其在工控领域的进一-步普及,面向工业应用的TCP/IP协议也将成为现场总线的基础协议。
(2)面向应用裁减TCP/IP协议
  TCP/IP协议族非常丰富,但由于嵌入式系统的资源有限,在保证实时、低误码率前提下对TCP/P协议进行裁减以适应工业以太网应用成为-一个研究热点,目前尚无统--标准公布[4]。本设计中以实际应用为背景、采用够用即可”原则,对协议簇进行.了裁减,各层分别实现的协议见表1。
 
  表1中链路层为其上层协议发送和接收数据帧,实现了IEEE802.3所规定的CSMA/CD协议,构成以太网基本物理传输介质访问方式,实现该协议采用通用的网络接口控制芯片CS8900A。为实现网络MAC地址到P地址的转换功能,加入了ARP地址解析协议。IP协议则是TCP/P协议族的核心协议,使异构网络之间的通信成为可能。而CMP协议只是IP协议的附属协议,设计中只需测试网络联通情况,故只保留了PNG协议。TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)是两种最著名的传输层协议,二者建立于IP协议之,上,为两台主机.上的应用程序提供端到端的通信。应用层上实现了基于.HTIP协议的WEB浏览服务。
TCP协议的实现最为困难。受资源限制,只实现了简化的有限状态机和滑动窗口机制以及单TCP连接。
(3)以太网控制器CS8900A
  CS8900A内部含有802.3介质访问控制块(MAC),支持全双工操作,自动处理冲突检测、报头生成、CRC校验码生成和验证功能。通过对发送控制寄存器(TQMD)配置,MAC可以完成帧的自动重传功能[5]’。
  图6所示的MSP430F449与CS8900A的连接采用简单的IO模式。该模式占用内存资源少,相应管脚MBMW和MEMR需被置高。单片机通过/SBHE、/DW和/DR等控制信号线实现对CS8900A的工作方式控制和读写操作'6]。芯片使用中比较重要的是初始化操作,包括:软件复位并检查标志位、设定工作模式、设定临时以太网物理地址、设定接收帧类型、确定数据传送方向、中断使能以及数据收发使能等。
 
(4)以太网通信测试
 
  网络测试环境如表2,网络架构如图7。各设备上电初始化后,都设定了MAC地址和IP地址,所有IP地址均为C类地址。这样即可以接收以太网单播或广播包。首先,在主机.上PC机测试终端流量计的ARP工作机制和实现情况。结果如图8所示。
 
  用ARP命令测试主机ARP高速缓存中的IP和MAC地址,此时只有本地IP:210.29.104.1对应的MAC地址00-30-85-88-8b-02;然后,用ping.程序测试网络上的任何一台流量计终端,图中显示对象IP:210.29.104.41的测试结果,报文数据的往返时间是lmS;最后,再次测试主机的ARP高速缓存,结果显示已添加了对象终端的IP和MAC地址。测试主机和终端流量计之间UDP数据的传输效果。UDP协议提供简单的面向数据报的传输层协议。一个简单的UDP应用程序如图9所示。主机对终端流量计发送UDP数据命令,当流量计收到"DataCollection!”命令就回送采集到的两路ADC的电压信号值。测试结果表明接收和发送数据包准确率高,丢包极少,实现了UDP数据处理功能。
 
  通过TCP简化协议实现了基于HTTP协议的终端流量计WEB服务,简化的HTML网页数据保存在MCU的片内FLASH存储器中。HTTP服务器可以动态实时更新数据。在浏览器的URL地址中键入:htp://210.29.104.41,就可以浏览如图10所示的页面,网页动态显示出采集到的流量值。
 
4结论
(1)通过以_上方案成功实现了低功耗、较低成本智能金属管浮子流量计的硬件和固件程序设计;
(2)简化TCP/IP协议的以(yi)太网通信,易于构造实时、可(ke)靠的网络(luo)测控系统(tong),并(bing)在实际(ji)应用中得到(dao)验证,同时也为主机(PC)软件(jian)开发提供了广阔的空间。

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