基於ARM920T核的電磁流量儀錶的開發

 

基於ARM920T核的電磁流量儀錶的開發時間：2009-03-05 15:27:22 來源：中國傳動網 作者：支麗平 劉文華　

0 引言

　
　隨著流量檢測儀器的技術發展，對流量的測量儀錶提出了更高的應用需求。傳統的流量檢測儀錶一般依據各自的測量機理，通過簡單的資訊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、功能擴充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效能取而代之。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。

1 電磁流量儀錶的基本原理

　　電磁流量儀錶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，現把電磁流量儀錶感應器原理說明，1 所示。

圖1 電磁流量儀錶感應器原理圖

　　當流體在管道內流動經過一橫向磁場B的時候，相當於有一定電導率的導體在切割磁力線，形成動生電動勢和感生電流，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 （1.1）

　　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·πD2/4 =πD·E/4B （1.2）

　　當勵磁電流、管道尺寸和流體密度ρ確定的情況下，流體的品質M 僅取決於對兩電極間的感應電勢 E 的檢測。電磁流量儀錶的數學模型為:

　　M = Coe·ρ （E-E0）·x （1.3）

　　其中: Coe 為儀錶係數;E0 為儀錶零點修正;x 為多段非線性修正。

2 系統組成結構

　　電磁流量儀錶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組、勵磁輸出模組、流量輸出模組、圖形顯示模組、鍵盤模組、通訊及調試介面、電源模組、以及最重要的基於 ARM9 嵌入式系統的核心板組成。圖2 給出了嵌入式電磁流量儀錶的系統框圖。

圖2 電磁流量儀錶系統結構框圖

　
　系統經過初始化之後，核心板向勵磁模組輸出一數字量的勵磁訊號，經過 D/A
轉換和電流放大，驅動感應器的勵磁線圈產生一定強度的磁場。感應器的流速感應電極送出微弱的感應訊號經過輸入模組的放大濾波處理，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。通過顯示模組直接顯示瞬時流量、累積流量和動態流量圖形。另外由流量輸出模組輸出
4～20 mA 的標準的智能儀錶瞬時流量訊號。

　　2.1檢測輸入及 A/ D 轉換電路

　　1. A/D訊號的轉換機理

　
　A/D轉換器是將類比量訊號轉換成數字量訊號的電路。類比量可以是電壓或電流訊號。對於聲、光、壓力、溫度、濕度等隨時間和狀態連續變化的非電訊號的物
理量，可通過合適的非電訊號的物理量感應器（如液位感應器、壓力感應器、溫度感應器、光電感應器）轉換成電訊號。類比量只有轉換成數字量才能被LED數位
顯示和自動化控制。或被電腦採集、分析、計算。目前，A/D轉換的種類很多，根據轉換原理可以分為逐次逼近式、雙積分式。常見的A/D轉換器的有效位元
有4、6、8、10、12、14、16位等多種。
A/D轉換過程包括取樣、保持、量化、編碼4個步驟，一般前2個步驟在取樣保持電路中1次性完成，後2個步驟在A/D轉換電路中1次性完成。

　　2. 檢測輸入模組

　　檢測輸入模組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，3所示。

圖3輸入及 A/ D 轉換電路框圖

　
　由於電磁流量儀錶的電極輸出訊號非常微弱，一般只0—10mV數量級，而且，工業環境幹擾非常大。因此，為了保證測量精度，送入 A/D
轉換的輸入訊號應達到- 215～+ 215V
的範圍，其類比部分電壓增益應該在60dB以上。其中，前置放大器採用差分輸入的儀錶用放大器AD620，高通濾波和低通濾波採用二階有源濾波器形成帶通
濾波器濾除工頻幹擾及雜波，放大器採用運放CA3240A完成。A/D 轉換單元採用
MAX1297AEEG實現12位並行模數轉換，直接與核心板的I/O線串連。

　　2.2勵磁輸出電路

　　電磁流量儀錶的勵
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、三值方波和梯形波等形式，波形變化的目的是結合訊號處理電路，分析在不同勵磁方式下電磁
流量儀錶的精確度、零點穩定性和抗幹擾能力等多項指標。為研製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
轉換形成類比訊號，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 4所示。D/ A 轉換電路採用
AD7243 晶片，實現 12 位的 SPI同步串列輸入 ， - 5～ + 5 V 的雙極性輸出。與 ARM9
核心板的SPI2口對接，4所示。

圖4 勵磁電路框圖

　　激勵放大器採用 CA3240A 運放，其特點是電源電壓高，能獲得較大的輸出動態範圍。電流放大利用兩對複合管實現，要求管子儘可能配對。接入勵磁線圈後，引入大環路的電流負反饋，穩定輸出勵磁電流。

　　2.3流量輸出模組

　
　電磁流量儀錶在實現測量、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電流訊號。因此，流量輸出電路利用AD421轉換電路實現了流量輸出的功能。AD421晶片是一款低電壓、串列輸入的D/A轉換電路，具備4～20
mA環路電流輸出，支援 HART通訊協定。

　　D/A轉換的電壓基準REFIN 選用晶片提供的REF OUT2（215
V）。流量輸出電路中LV與 VCC 之間接00.1μF的電容，決定了由+24V的環路電源LOOP POWER產生313
V電源，+24V的環路電源LOOP POW-ER經內部控制電流由 LOOP RTN返回，形成4～20mA的電流環路。

3 系統的軟體設計

　
　嵌入式處理器ARM9核心在電磁流量儀錶的軟體系統主要考慮的是核心板及各個硬體模組的初始化設定，系統在啟動之後，通過調用底層的驅動程式完成核心板
與各個硬體模組之間的命令控制和資料傳送，建立相應的中斷服務子程式及中斷向量表。採用模組化結構建立系統程式，電磁流量計應用系統主要由定時器中斷進行
管理，勵磁訊號的輸出和轉換保持、感應訊號的多次資料擷取、流量的顯示和對外輸出等均由定時器的中斷服務來完成。

　　本系統的軟體平台主要是以嵌入式Linux為作業系統來實現開發環境的建立。MiniGUI為圖形化使用者介面支援系統，在此基礎上進行功能的研發。SQLite為資料庫引擎，進行流量測量系統的資料庫設計。

　　系統的控制流程程完成參數設定、流量訊號檢測控制、警示等功能。系統啟動後，在介面中顯示目前狀態並接收使用者的輸入設定，同時產生另一條線程實現流量的檢測控制。

4 總結

　
　經過精心研究、開發、設計與實驗，本文研製的基於ARM920T核心的電磁流量測量儀錶有效地解決了液體流量的精確測量與控制問題，並能提高液體流量的
測量精度，同時可以實現遠程監控。該系統能夠廣泛地應用在石油化工、工礦等企業。該智能儀錶選用的嵌入式微處理器S3C2410A，可以實現多種勵磁方
式、資料的 USB
儲存、乙太網路絡通訊、彩屏顯示等功能。同時在該電磁流量儀錶的設計過程中，採用了先進的硬體與軟體協同設計方案。另外，S3C2410A在電磁流量儀錶系
統中作為高端的應用研究，在硬體上採用了模組化設計方法，提高了電磁流量儀錶的應用和研究水平，降低了設計難度。

　　通過系統測試，該智能儀錶能與工業中的自動化感應器串連，組成流量測量控制系統，能夠被廣泛地用於各種工業液體的流量測量與控制，比如化工廠試劑的流量測量，石油的流量測量，汽油煤油的流量測量等方面，並有很好的性價比，推廣應用前景良好。

　　本文作者創新點: 本文把ARM9核心應用在電磁流量儀錶中，使得電磁流量儀錶在輸入訊號數字濾波、曆史資料儲存、輸出多種勵磁訊號的變化、測量資訊的特殊處理、測量結果的動態圖形顯示、人性化的管理和控制等方面得到了應用。

　　該電磁流量儀錶能與工業中的自動化感應器串連，組成流量測量控制系統，並能夠被廣泛地用於各種工業液體的流量測量與控制，比如化工廠試劑的流量測量，石油的流量測量，汽油煤油的流量測量等方面，並有很好的性價比，推廣應用前景良好。