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基于ARM9 内核处理器AT91RM9200构建的嵌入式电磁流

时间:2018-07-13
 针对用户对高端电磁流量计的需求, 提出了基于ARM9 微处理器的电磁流量计硬件设计方案。ARM9 微处理器可以实现多种励磁方式、数据的USB 存储、以太网络通信、TFT 彩屏显示等一系列的功能。文中对电磁流量计的测量装置, 基于ARM9 核心板的模块化电路设计作了详细的介绍。
    随着流量检测仪器的技术发展, 对流量的测量仪器提出了更高的应用需求。传统的流量检测仪器一般依据各自的测量机理, 通过简单的信息分析处理来完成测量工作。因此, 在处理能力、测量精度、误差修正、功能扩展等方面都存在着局限性。新一代流量检测仪器将以更优良的性能取而代之。目前, 高速、高精度、大容量的嵌入式处理器在控制和测量领域的应用越来越普遍, 一旦应用到电磁流量计[ 1] 中, 使得电磁流量计的输入信号数字滤波、历史数据保存、输出多种励磁信号的变化、测量信息的特殊处理、测量结果的动态图形显示、人性化的管理和控制等多方面应用, 都将成为可能。尤其是新一代网络技术的发展会使得更多基于TCP/ IP 网络协议的仪器设备得到应用, 针对电磁流量计的远程数据交换传送, 基于典型的以太网通讯接口也应运而生[ 10] 。采用基于ARM9 内核的处理器AT91RM9200[ 3] 构建的核心板实现的电磁流量计目前国内未见文献资料, 该文重点介绍与之相关的硬件设计。
   1 .. 电磁流量计基本原理
    电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律来测量管内流体流量的测量装置[ 9] , 如图1 所示。当流体在管道内流动经过一横向磁场B 的时候, 相当于有图1.. 电磁流量计原理图一定电导率的导体在切割磁线, 形成动生电动势, 通过管道径向两电极可以引出该电动势E, 其大小与磁场B、流速V 和管径D 成正比, 即: E = B..V..D 
   流体的体积流量Q 与流速V 和管道内截面成正比, 只要测量出两电极之间的电动势E, 即可确定流量Q。Q= V....D2/ 4= ..D..E/ 4B 当励磁电流、管道尺寸和流体密度..确定的情况下, 流体的质量流量M 仅取决于对两电极间的感应电势E 的检测。电磁流量计的数学模型为: M= Coe......( E - E0)..x 其中: Coe 为仪表系数; E0 为仪表零点修正; x 为多段非线性修正。
   2 .. AT91RM9200 及核心板
    AT91RM9200 是Atmel 公司推出的针对嵌入式应用的工业级32 位ARM9 嵌入式处理器, 最高工作频率达180 MHz, 其功能强大、性能稳定, 非常适合高端仪表的应用, 由它构建的核心板形成了具有丰富接口资源的基本系统, 只要扩展应用模块和接口即可实现系统应用。介绍AT91RM9200 的文献很多, 这里仅给出其主要资源和特性: .. 内置的10/ 100M 以太网MAC 控制器.. 5 个UART 通道.. 2 个主USB 口, 1 个从USB 口, 全速12 Mbps .. 1 个MCI 接口, 支持MCI 卡或SD 卡.. 3 个同步串行控制器.. 6 个16 位定时器, 一个32 位实时钟.. 4 个SPI 接口.. PWM 输出.. I2C 接口.. 支持SDRAM, SRAM。Flash 等.. JTAG 逻辑测试部件, 支持软/ 硬件开发由AT91RM9200 构建的核心板集成了32M 的SDRAM、2M 的并行Flash、8M 的串行DateFlash、以太网电路和复位电路, 构成了一个基本系统, 为用户的软件研发提供了充足的空间。处理器的大多数管脚和其它信号都通过两个排针对外引出, 为用户提供了非常丰富的扩展资源。由于在核心板上移植了嵌入式Linux 操作系统, 其丰富的软件资源、开放性和软件低成本使得系统应用变得方便可行。
   3 .. 智能电磁流量计硬件设计
   3..1 电磁流量计总体结构
   电磁流量计由测量装置和电路两部分组成, 电路部分主要由检测输入模块、励磁输出模块、流量输出模块、图形显示模块、键盘模块、通信及调试接口、电源模块、以及最重要的基于ARM9 嵌入式系统[ 2] 的核心板组成。图2 给出了嵌入式电磁流量计的系统框图。图2嵌入式电磁流量计系统框图
    系统经过初始化之后, 核心板向励磁模块输出一数字量的励磁信号, 经过D/ A 转换和电流放大, 驱动传感器的励磁线圈产生一定强度的磁场。传感器的流速感应电极送出微弱的感应信号经过输入模块的放大滤波处理, 经过A/ D 转换成数字量输入ARM9 处理器, 进一步进行数字分析处理。通过显示模块直接显示瞬时流量、累积流量和动态流量图形。另外由流量输出模块输出4~ 20 mA 的标准仪用瞬时流量信号。
   3..2 .. 输入及A/ D 转换电路
   检测输入模块包括差分测量放大器、低通和高通滤波器、增益放大器以及A/ D 转换电路, 如图3 所示。图3 .. 输入及A/ D 转换框图
   由于电磁流量计的电极输出信号非常微弱, 一般只有10- 4V 数量级, 而且, 工业环境非常大。因此, 为了保证测量精度, 送入A/ D 转换的输入信号应达到- 2..5~ + 2..5 V 的范围, 其模拟部分电压增益应该在60 dB 以上。其中, 前置放大器采用差分输入的仪用放大器AD620, 高通滤波和低通滤波采用二阶有源滤波器形成带通滤波器滤除工频及杂波, 放大器采用运放CA3240A 完成。A/ D 转换单元采用MAX1297AEEG[ 4] 实现12 位并行模数转换, 直接与核心板的I/ O 线连接如图3 所示, 引脚说明和接法如下: D0~ D11 .. 12 位数据, 接B 口的PB4~ PB15; INT .. 中断线, 接核心板的IRQ0/ PB29; 
CS .. 片选线, 接核心板B 口的PB22; RD .. 读控制线, 接核心板B 口的PB16; WR .. 写控制线, 接核心板B 口的PB17; 模拟信号输入CH0 通道。
   3..3 .. 励磁输出电路
    智能电磁流量计的励磁电路的任务是向励磁线圈提供一稳定的驱动电流。电流波形为方波、三值方波和梯形波[ 11] 等形式, 波形变化的目的是结合信号处理电路, 分析在不同励磁方式下电磁流量计的精确度、零点稳定性和抗能力等多项指标。为研制高精度电磁流量计作探索性研究。该电路由核心板的SPI2 口输出数字量, 经过D/A 转换形成模拟信号, 经V/ I 转换激励和带有电流负反馈的电流放大器输出, 适合各种励磁波形的变化。结构框图如图4。D/ A 转换电路采用AD7243 芯片[ 5] , 实现12 位的SPI 同步串行输入, - 5~ + 5 V 的双极性输出。与ARM9 核心板的SPI2 口对接, 如图4 所示。图4.. 励磁电路框图其中引脚说明和接法如下: SDIN .. 串行数据输入, 接核心板的MOSI; SCLK .. 同步时钟, 接核心板的SPCK; SYNC .. 串行选择, 接核心板的NPCS2; CLR .. 转换清除, 接核心板I/ O 口的PC14; LDAC .. 数据锁入启动, 接I/ O 口的PC15。激励放大器采用CA3240A 运放, 其特点是电源电压高, 能获得较大的输出动态范围。电流放大利用两对复合管实现, 要求管子尽可能配对。接入励磁线圈后, 引入大环路的电流负反馈, 稳定输出励磁电流。
    3..4 .. 流量输出模块
   电磁流量计在实现测量、分析和处理的时候, 除了现场显示瞬时流量和累积流量以外, 通常还会输出一个标准的4~ 20 mA 电流信号。因此, 该电路利用AD421 转换电路实现了流量输出的功能。AD421 芯片[ 6] 是一款低电压、SPI 串行输入、16 位.. - .. 转换的D/A 转换电路, 具备4~ 20 mA 环路电流输出, 支持HART 通信协议, 非常适合该电路应用。SPI 串行输入接核心板的SPI3 口, 如图5 所示。其中引脚说明和接法如下: 图5.. 流量输出电路图.. .. DATA .. 串行数据输入, 接核心板的MOSI; CLOCK .. 同步时钟, 接核心板的SPCK; LATCH .. 锁入控制, 接核心板的NPCS3。D/A 转换的电压基准REF IN 选用芯片提供的REF OUT2( 2..5 V) 。电路中LV 与VCC 之间接0..01 ..F 的电容, 决定了由+ 24 V 的环路电源LOOP POWER 产生3..3 V 电源, + 24 V 的环路电源LOOP POWER 经内部控制电流由LOOP RTN 返回, 形成4~ 20 mA 的电流环路。
   3..5 .. 图形显示模块
    由于AT91RM9200 处理器未集成图形显示, 核心板上也未提供, 所以, 要实现图形显示, 必须构建图形显示模块。电路采用LCD 控制器SID13506 显示芯片[ 7] 实现彩色液晶点阵显示和VGA 标准接口。系统框图如图6 所示。图6.. 图形显示模块框图.. .. SID13506 是EPSON 公司较新的大规模显示控制器[ 8] , 主要应用于嵌入式系统, 最高支持64K 真彩色。系统配置了1M 的16 位内存、LCD 接口和VGA 接口。3 个系统时钟BUSCLK、CLKI 和CLKI2 受PA7 和两组可控震荡器控制, 核心板通过PA7 输出50M 时钟经过驱动接BUSCLK, 核心板通过TWI 管理两组可控震荡器PCLK1 和PCLK2。ARM9 核心板与SID13506 芯片引脚相连的信号如表1 所列。
表1.. 核心板与芯片引脚相连信号表核心板芯片引脚引脚说明D[ 0....15] DB[ 0....15] 双向数据线A[ 1....20] AB[ 1....20] 20 位地址线A21 M/ R 读写显存/ 内部寄存器选择NRST RESET 键控复位线NCS2 CS 片选信号NBS1 WE1 高位读写控制NRD RD/WR 低位读写控制NRD RD 输出读使能信号NWRO WE0 输出写使能信号NWEIT WEIT 等待信号
   3..6 .. 键盘、通信及调试部分电路
   电磁流量计的键盘、通信和调试部分电路属于嵌入式系统的典型应用电路, 系统利用ZLG7289A 构建了8 .. 2 小型键盘, 由I/ O 模拟串行口建立系统连接, 实现流量计的系统设置和按键数据输入。调试功能主要由串行调试口DCOM 和JTAC 标准调试口构成。其中串行调试口DCOM 是由AT91RM9200 处理器的DBGU 单元通过SP3232E 建立的, JTAG 标准调试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 网络接口, 将处理器的USART1 单元通过SP3243 建立了RS232 标准串行通信口COM1, 将处理器的USART2 单元通过SP3481 建立了RS485 标准串行通信口。另外, 引出处理器的HDMA 和HDPA 线建立USB HOST 接口, 可外接USB 存储器, 作为电磁流量计历史数据记录设备。相应连接和功能框图如图7 所示。图7 键盘、通信、调试接口框图
   3..7 .. 电源电路
    由ARM9 核心板构建的电磁流量计的电源部分还是比较复杂的, 一般由开关电源模块实现, 其主电源为+ 5 V 稳压电源, 经过2 组稳压器LT1085 分别产生3..3 V 和1..8 V 供给核心板使用, 3..3 V 和+ 5 V 供给大部分数字电路使用, 数字电源与模拟电源分开且不共地, 副电源主要有供给D/A 转换及放大用的.. 15 V, 供给励磁输出的.. 24 V 电源等。电磁流量计的功率消耗还是比较大的。
   4 .. 应用系统软件简介
    ARM9 电磁流量计的软件系统主要考虑的是核心板及各个硬件模块的初始化设置, 系统在启动之后, 通过调用底层的驱动程序完成核心板与各个硬件模块之间的命令控制和数据传送, 建立相应的中断服务子程序及中断向量表。采用模块化结构建立系统程序, 电磁流量计应用系统主要由定时器中断进行管理, 励磁信号的输出和转换保持、感应信号的多次数据采集、流量的显示和对外输出等均由定时器的中断服务来完成。
 该系统作为高端电磁流量计的应用研究, 在硬件上采用了模块化设计方法, 提高了电磁流量计的应用和研究水平, 降低了设计难度, 已被列入浙江省重大科技攻关项目..嵌入式系统智能仪表开发平台的研究及其在流量仪表设计中的应用之中, 目前正在作进一步的完善和提高。

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