基于ARM920T核的電磁流量儀表的開發

0 引言

　　隨著流量檢測儀器的技術發展，對流量的測量儀表提出了更高的應用需求。傳統的流量檢測儀表一般依據各自的測量機理，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、功能擴展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域的應用越來越普遍。

1 電磁流量儀表的基本原理

　　電磁流量儀表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，現把電磁流量儀表傳感器原理說明，如圖1 所示。

圖1 電磁流量儀表傳感器原理圖

　　當流體在管道內流動經過一橫向磁場B的時候，相當于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，流體的質量M 僅取決于對兩電極間的感應電勢 E 的檢測。電磁流量儀表的數學模型為:

　　M = Coe?ρ （E-E0）?x （1.3）

　　其中: Coe 為儀表系數;E0 為儀表零點修正;x 為多段非線性修正。

2 系統組成結構

　　電磁流量儀表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、通信及調試接口、電源模塊、以及最重要的基于 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表的系統框圖。

圖2 電磁流量儀表系統結構框圖

　　系統經過初始化之后，核心板向勵磁模塊輸出一數字量的勵磁信號，經過 D/A 轉換和電流放大，驅動傳感器的勵磁線圈產生一定強度的磁場。傳感器的流速感應電極送出微弱的感應信號經過輸入模塊的放大濾波處理，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。通過顯示模塊直接顯示瞬時流量、累積流量和動態流量圖形。另外由流量輸出模塊輸出 4～20 mA 的標準的智能儀表瞬時流量信號。

　　2.1檢測輸入及 A/ D 轉換電路

　　1. A/D信號的轉換機理

　　A/D轉換器是將模擬量信號轉換成數字量信號的電路。模擬量可以是電壓或電流信號。對于聲、光、壓力、溫度、濕度等隨時間和狀態連續變化的非電信號的物理量，可通過合適的非電信號的物理量傳感器（如液位傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、光電傳感器）轉換成電信號。模擬量只有轉換成數字量才能被LED數碼顯示和自動化控制。或被計算機采集、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轉換器的有效位數有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，后2個步驟在A/D轉換電路中1次性完成。

　　2. 檢測輸入模塊

　　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 轉換電路，如圖3所示。

圖3輸入及 A/ D 轉換電路框圖

　　由于電磁流量儀表的電極輸出信號非常微弱，一般只0―10mV數量級，而且，工業環境干擾非常大。因此，為了保證測量精度，送入 A/D 轉換的輸入信號應達到- 215～+ 215V 的范圍，其模擬部分電壓增益應該在60dB以上。其中，前置放大器采用差分輸入的儀表用放大器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，放大器采用運放CA3240A完成。A/D 轉換單元采用 MAX1297AEEG實現12位并行模數轉換，直接與核心板的I/O線連接。

　　2.2勵磁輸出電路

　　電磁流量儀表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信號處理電路，分析在不同勵磁方式下電磁流量儀表的精確度、零點穩定性和抗干擾能力等多項指標。為研制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 轉換形成模擬信號，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。結構框圖如圖 4所示。D/ A 轉換電路采用 AD7243 芯片，實現 12 位的 SPI同步串行輸入 ， - 5～ + 5 V 的雙極性輸出。與 ARM9 核心板的SPI2口對接，如圖4所示。

圖4 勵磁電路框圖

　　激勵放大器采用 CA3240A 運放，其特點是電源電壓高，能獲得較大的輸出動態范圍。電流放大利用兩對復合管實現，要求管子盡可能配對。接入勵磁線圈后，引入大環路的電流負反饋，穩定輸出勵磁電流。

　　2.3流量輸出模塊

　　電磁流量儀表在實現測量、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電流信號。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芯片是一款低電壓、串行輸入的D/A轉換電路，具備4～20 mA環路電流輸出，支持 HART通信協議。

　　D/A轉換的電壓基準REFIN 選用芯片提供的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 系統的軟件設計

　　嵌入式處理器ARM9內核在電磁流量儀表的軟件系統主要考慮的是核心板及各個硬件模塊的初始化設置，系統在啟動之后，通過調用底層的驅動程序完成核心板與各個硬件模塊之間的命令控制和數據傳送，建立相應的中斷服務子程序及中斷向量表。采用模塊化結構建立系統程序，電磁流量計應用系統主要由定時器中斷進行管理，勵磁信號的輸出和轉換保持、感應信號的多次數據采集、流量的顯示和對外輸出等均由定時器的中斷服務來完成。

　　本系統的軟件平臺主要是以嵌入式Linux為操作系統來實現開發環境的建立。MiniGUI為圖形用戶界面支持系統，在此基礎上進行功能的研發。SQLite為數據庫引擎，進行流量測量系統的數據庫設計。

　　系統的控制流程完成參數設置、流量信號檢測控制、報警等功能。系統啟動后，在界面中顯示當前狀態并接收用戶的輸入設置，同時生成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，本文研制的基于ARM920T內核的電磁流量測量儀表有效地解決了液體流量的精確測量與控制問題，并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。該智能儀表選用的嵌入式微處理器S3C2410A，可以實現多種勵磁方式、數據的 USB 存儲、以太網絡通信、彩屏顯示等功能。同時在該電磁流量儀表的設計過程中，采用了先進的硬件與軟件協同設計方案。另外，S3C2410A在電磁流量儀表系統中作為高端的應用研究，在硬件上采用了模塊化設計方法，提高了電磁流量儀表的應用和研究水平，降低了設計難度。

　　通過系統測試，該智能儀表能與工業中的自動化傳感器連接，組成流量測量控制系統，能夠被廣泛地用于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，并有很好的性價比，推廣應用前景良好。

　　本文作者創新點: 本文把ARM9內核應用在電磁流量儀表中，使得電磁流量儀表在輸入信號數字濾波、歷史數據保存、輸出多種勵磁信號的變化、測量信息的特殊處理、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。

　　該電磁流量儀表能與工業中的自動化傳感器連接，組成流量測量控制系統，并能夠被廣泛地用于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，并有很好的性價比，推廣應用前景良好。