基于ARM9內(nèi)核的嵌入式電磁流量計(jì)

0 引言

      隨著流量檢測儀器的技術(shù)發(fā)展，對(duì)流量的測量儀器提出了更高的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的流量檢測儀器一般依據(jù)各自的測量機(jī)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(kuò)展等方面都存在著局限性。新一代流量檢測儀器將以更優(yōu)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(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，一旦應(yīng)用到電磁流量計(jì)[1] 中，使得電磁流量計(jì)的輸入信號(hào)數(shù)字濾波、歷史數(shù)據(jù)保存、輸出多種勵(lì)磁信號(hào)的變化、測量信息的特殊處理、測量結(jié)果的動(dòng)態(tài)圖形顯示、人性化的管理和控制等多方面應(yīng)用，都將成為可能。尤其是新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展會(huì)使得更多基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的儀器設(shè)備得到應(yīng)用，針對(duì)電磁流量計(jì)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換傳送，基于典型的以太網(wǎng)通訊接口也應(yīng)運(yùn)而生[10]。

      采用基于ARM9內(nèi)核的處理器AT91RM9200[3] 構(gòu)建的核心板實(shí)現(xiàn)的電磁流量計(jì)目前國內(nèi)未見文獻(xiàn)資料，該文重點(diǎn)介紹與之相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。

1 電磁流量計(jì)基本原理

      電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量管內(nèi)流體流量的測量裝置[9]，如圖1所示。當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)經(jīng)過一橫向磁場B的時(shí)候，相當(dāng)于有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁線，形成動(dòng)生電動(dòng)勢，通過管道徑向兩電極可以引出該電動(dòng)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(nèi)截面成正比，只要測量出兩電極之間的電動(dòng)勢E，即可確定流量Q。

Q＝V·π D2/4＝π D·E/4B

      當(dāng)勵(lì)磁電流、管道尺寸和流體密度ρ 確定的情況下，流體的質(zhì)量流量M僅取決于對(duì)兩電極間的感應(yīng)電勢E的檢測。電磁流量計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

M=Coe·ρ  ·（E－Eo）·x

      其中：Coe為儀表系數(shù)；Eo為儀表零點(diǎn)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(duì)嵌入式應(yīng)用的工業(yè)級(jí)32位ARM9嵌入式處理器，最高工作頻率達(dá)180MHz，其功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定，非常適合高端儀表的應(yīng)用，由它構(gòu)建的核心板形成了具有豐富接口資源的基本系統(tǒng)，只要擴(kuò)展應(yīng)用模塊和接口即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。介紹AT91RM9200的文獻(xiàn)很多，這里僅給出其主要資源和特性：

      ·內(nèi)置的10/100M以太網(wǎng)MAC控制器
      ·5個(gè)UART通道
      ·2個(gè)主USB口，1個(gè)從USB口，全速12MbpS
      ·1個(gè)MCI接口，支持MCI卡或SD卡
      ·3個(gè)同步串行控制器
      ·6個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)32位實(shí)時(shí)鐘
      ·4個(gè)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(fā)

      由AT91RM9200構(gòu)建的核心板集成了32M的SDRAM、2M的并行Flash、8M的串行DateFlash、以太網(wǎng)電路和復(fù)位電路，構(gòu)成了一個(gè)基本系統(tǒng)，為用戶的軟件研發(fā)提供了充足的空間。處理器的大多數(shù)管腳和其它信號(hào)都通過兩個(gè)排針對(duì)外引出，為用戶提供了非常豐富的擴(kuò)展資源。

      由于在核心板上移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，其豐富的軟件資源、開放性和軟件低成本使得系統(tǒng)應(yīng)用變得方便可行。

3 電磁流量針硬件設(shè)計(jì)

      3.1 電磁流量計(jì)總體結(jié)構(gòu)

電磁流量計(jì)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(lì)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(diào)試接口、電源模塊、以及最重要的基于ARM9嵌入式系統(tǒng)[2]的核心板組成。圖2給出了嵌入式電磁流量計(jì)的系統(tǒng)框圖。

      系統(tǒng)經(jīng)過初始化之后，核心板向勵(lì)磁模塊輸出一數(shù)字量的勵(lì)磁信號(hào)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和電流放大，驅(qū)動(dòng)傳感器的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場。傳感器的流速感應(yīng)電極送出微弱的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過輸入模塊的放大濾波處理，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入ARM9處理器，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字分析處理。通過顯示模塊直接顯示瞬時(shí)流量、累積流量和動(dòng)態(tài)流量圖形。另外由流量輸出模塊輸出4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)儀用瞬時(shí)流量信號(hào)。

3.2 輸入及A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，如圖3所示。

      由于電磁流量計(jì)的電極輸出信號(hào)非常微弱，一般只有10-4V數(shù)量級(jí)，而且，工業(yè)環(huán)境干擾非常大。因此，為了保證測量精度，送入A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)應(yīng)達(dá)到-2.5~+2.5V的范圍，其模擬部分電壓增益應(yīng)該在60dB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(yùn)放CA3240A完成。A/D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG[4]實(shí)現(xiàn)12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，接B口的PB4~PB15；
      INT  中斷線，接核心極的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，按核心板B口的PB17；
      模擬信號(hào)輸入CH0通道。

3.3 勵(lì)磁輸出電路

      電磁流量計(jì)的勵(lì)磁電路的任務(wù)是向勵(lì)磁線圈提供一穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)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(jié)合信號(hào)處理電路，分析在不同勵(lì)磁方式下電磁流量計(jì)的精確度、零點(diǎn)穩(wěn)定性和抗干擾能力等多項(xiàng)指標(biāo)。為研制高精度電磁流量計(jì)作探索性研究。該電路由核心板的SPI2口輸出數(shù)字量，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換形成模擬信號(hào)，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換激勵(lì)和帶有電流負(fù)反饋的電流放大器輸出，適合各種勵(lì)磁波形的變化。結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

      D/A轉(zhuǎn)換電路采用AD7243芯片[5]，實(shí)現(xiàn)12位的SPI同步串行輸入，-5~+5V的雙極性輸出。與ARM9核心板的SPI2口對(duì)接，如圖4所示。

      其中引腳說明和接法如下：

      SDIN 串行數(shù)據(jù)輸入，接核心板的MOSI；
      SCLK 同步時(shí)鐘，按核心板的SPCK；
      SYNC 串行選擇，接核心板的NPCS2；
      CLR   轉(zhuǎn)換清除，接核心板I/O口的PC14；
      LDAC 數(shù)據(jù)鎖入啟動(dòng)，接I/O口的PC15。

      激勵(lì)放大器采用CA324OA運(yùn)放，其特點(diǎn)是電源電壓高，能獲得較大的輸出動(dòng)態(tài)范圍。電流放大利用兩對(duì)復(fù)合管實(shí)現(xiàn)，要求管子盡可能配對(duì)。接人勵(lì)磁線圈后，引入大環(huán)路的電流負(fù)反饋，穩(wěn)定輸出勵(lì)磁電流。

3.4 流量輸出模塊

      電磁流量計(jì)在實(shí)現(xiàn)測量、分析和處理的時(shí)候，除了現(xiàn)場顯示瞬時(shí)流量和累積流量以外，通常還會(huì)輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流信號(hào)。因此，該電路利用AD421轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換的D/A轉(zhuǎn)換電路，具備4~20mA環(huán)路電流輸出，支持HART通信協(xié)議，非常適合該電路應(yīng)用。SPI串行輸入按核心板的SPI3口，如圖5所示。其中引腳說明和接法如下：

      DATA 串行數(shù)據(jù)輸入，接核心板的MOSI；
      CLOCK 同步時(shí)鐘，按核心板的SPCK；
      LATCH  鎖人控制，接核心板的NPCS3。

      D/A轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)REF IN選用芯片提供的REF OUT2（2.5V）。電路中LV與VCC之間接0.01μ F的電容，決定了由+24V的環(huán)路電源LOOP Pow-ER產(chǎn)生3.3V電源，+24V的環(huán)路電源LOOP Pow-ER經(jīng)內(nèi)部控制電流由LOOP RTN返回，形成4~20mA的電流環(huán)路。

3.5 圖形顯示模塊

      由于AT9lRM9200處理器未集成圖形顯示，核心板上也未提供，所以，要實(shí)現(xiàn)圖形顯示，必須構(gòu)建圖形顯示模塊。電路采用LCD控制器SID13506顯示芯片[7]實(shí)現(xiàn)彩色液晶點(diǎn)陣顯示和VGA標(biāo)準(zhǔn)接口。系統(tǒng)框圖如圖6所示。

      SID13506是EPSON公司較新的大規(guī)模顯示控制器[8]，主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，最高支持64K真彩色。系統(tǒng)配置了1M的16位內(nèi)存、LCD接口和VGA接口。3個(gè)系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘經(jīng)過驅(qū)動(dòng)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(hào)如表1所列。

表1 核心板與芯片引腳相連信號(hào)表 

3.6 鍵盤、通信及調(diào)試部分電路

      電磁流量計(jì)的鍵盤、通信和調(diào)試部分電路屬于嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用電路，系統(tǒng)利用ZLG7289A構(gòu)建了8X2小型鍵盤，由I/O模擬串行口建立系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的系統(tǒng)設(shè)置和按鍵數(shù)據(jù)輸入。

      調(diào)試功能主要由串行調(diào)試口DCOM和JTAC標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試口構(gòu)成。其中串行調(diào)試口DCOM是由AT91RM9200處理器的DBGU單元通過SP3232E建立的，JTAG標(biāo)準(zhǔn)調(diào)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(wǎng)絡(luò)接口，將處理器的USART1單元通過SP3243建立了RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信口COM1，將處理器的USART2單元通過SP3481建立了RS485標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器，作為電磁流量計(jì)歷史數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。相應(yīng)連接和功能框圖如圖7所示。

3.7 電源電路

      由ARM9核心板構(gòu)建的電磁流量計(jì)的電源部分還是比較復(fù)雜的，一般由開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)，其主電源為+5V穩(wěn)壓電源，經(jīng)過2組穩(wěn)壓器LT1085分別產(chǎn)生3.3V和1.8V供給核心極使用，3.3V和+5V給大部分?jǐn)?shù)字電路使用，數(shù)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(zhuǎn)換及放大用的±15V，供給勵(lì)磁輸出的±24V電源等。電磁流量計(jì)的功率消耗還是比較大的。

4 應(yīng)用系統(tǒng)軟件簡介

      ARM9電磁流量計(jì)的軟件系統(tǒng)主要考慮的是核心板及各個(gè)硬件模塊的初始化設(shè)置，系統(tǒng)在啟動(dòng)之后，通過調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序完成核心板與各個(gè)硬件模塊之間的命令控制和數(shù)據(jù)傳送，建立相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序及中斷向量表。采用模塊化結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)程序，電磁流量計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)主要由定時(shí)器中斷進(jìn)行管理，勵(lì)磁信號(hào)的輸出和轉(zhuǎn)換保持、感應(yīng)信號(hào)的多次數(shù)據(jù)采集、流量的顯示和對(duì)外輸出等均由定時(shí)器的中斷服務(wù)來完成。

5 結(jié)束語

      該系統(tǒng)作為高端電磁流量計(jì)的應(yīng)用研究，在硬件上采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，提高了電磁流量計(jì)的應(yīng)用和研究水平，降低了設(shè)計(jì)難度，已被列入浙江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目《嵌入式系統(tǒng)智能儀表開發(fā)平臺(tái)的研究及其在流量儀表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》之中，目前正在作進(jìn)一步的完善和提高。