0 引言
隨著流量檢測(cè)儀器的技術(shù)發(fā)展，對(duì)流量的測(cè)量?jī)x表提出了更高的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的流量檢測(cè)儀表一般依據(jù)各自的測(cè)量機(jī)理，通過簡(jiǎn)單的信息分析處理來完成測(cè)量工作。因此，在處理能力、測(cè)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(cè)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(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。
1 電磁流量儀表的基本原理
電磁流量?jī)x表是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測(cè)量管內(nèi)流體流量的測(cè)量裝置，現(xiàn)把電磁流量?jī)x表傳感器原理說明，如圖1 所示。
圖1 電磁流量?jī)x表傳感器原理圖
當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)經(jīng)過一橫向磁場(chǎng)B的時(shí)候，相當(dāng)于有一定電導(dǎo)率的導(dǎo)體在切割磁力線，形成動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)和感生電流，通過管道徑向兩電極可以引出該電動(dòng)勢(shì)E，其大小與磁場(chǎng)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(nèi)截面成正比，只要測(cè)量出兩電極之間的電動(dòng)勢(shì)E，即可確定流量Q。
Q = V·πD2/4 =πD·E/4B （1.2）
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M 僅取決于對(duì)兩電極間的感應(yīng)電勢(shì) E 的檢測(cè)。電磁流量?jī)x表的數(shù)學(xué)模型為:
M = Coe·ρ （E-E0）·x （1.3）
其中: Coe 為儀表系數(shù);E0 為儀表零點(diǎn)修正;x 為多段非線性修正。
2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
電磁流量?jī)x表由測(cè)量裝置和電路兩部分組成 ,電路部分主要由檢測(cè)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)的核心板組成。圖2 給出了嵌入式電磁流量?jī)x表的系統(tǒng)框圖。
圖2 電磁流量?jī)x表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎng)。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 4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)的智能儀表瞬時(shí)流量信號(hào)。
2.1檢測(cè)輸入及 A/ D 轉(zhuǎn)換電路
1. A/D信號(hào)的轉(zhuǎn)換機(jī)理
A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)的電路。模擬量可以是電壓或電流信號(hào)。對(duì)于聲、光、壓力、溫度、濕度等隨時(shí)間和狀態(tài)連續(xù)變化的非電信號(hào)的物理量，可通過合適的非電信號(hào)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(zhuǎn)換成電信號(hào)。模擬量只有轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能被LED數(shù)碼顯示和自動(dòng)化控制?；虮挥?jì)算機(jī)采集、分析、計(jì)算。目前，A/D轉(zhuǎn)換的種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可以分為逐次逼近式、雙積分式。常見的A/D轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)有4、6、8、10、12、14、16位等多種。 A/D轉(zhuǎn)換過程包括取樣、保持、量化、編碼4個(gè)步驟，一般前2個(gè)步驟在取樣保持電路中1次性完成，后2個(gè)步驟在A/D轉(zhuǎn)換電路中1次性完成。
2. 檢測(cè)輸入模塊
檢測(cè)輸入模塊包括差分測(cè)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。
圖3輸入及 A/ D 轉(zhuǎn)換電路框圖
由于電磁流量?jī)x表的電極輸出信號(hào)非常微弱，一般只0—10mV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(cè)量精度，送入 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)應(yīng)達(dá)到- 215～+ 215V 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(yùn)放CA3240A完成。A/D 轉(zhuǎn)換單元采用 MAX1297AEEG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。
2.2勵(lì)磁輸出電路
電磁流量?jī)x表的勵(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?jī)x表的精確度、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所示。D/ A 轉(zhuǎn)換電路采用 AD7243 芯片，實(shí)現(xiàn) 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(duì)接，如圖4所示。
圖4 勵(lì)磁電路框圖
激勵(lì)放大器采用 CA3240A 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)。接入勵(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。
2.3流量輸出模塊
電磁流量?jī)x表在實(shí)現(xiàn)測(cè)量、分析和處理的時(shí)候，除了現(xiàn)場(chǎng)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4～20 mA電流信號(hào)。因此，流量輸出電路利用AD421轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了流量輸出的功能。AD421芯片是一款低電壓、串行輸入的D/A轉(zhuǎn)換電路，具備4～20 mA環(huán)路電流輸出，支持 HART通信協(xié)議。
D/A轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)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(huán)路電源LOOP POWER產(chǎn)生313 V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 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
嵌入式處理器ARM9內(nèi)核在電磁流量?jī)x表的軟件系統(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。
本系統(tǒng)的軟件平臺(tái)主要是以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)開發(fā)環(huán)境的建立。MiniGUI為圖形用戶界面支持系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的研發(fā)。SQLite為數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，進(jìn)行流量測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)的控制流程完成參數(shù)設(shè)置、流量信號(hào)檢測(cè)控制、報(bào)警等功能。系統(tǒng)啟動(dòng)后，在界面中顯示當(dāng)前狀態(tài)并接收用戶的輸入設(shè)置，同時(shí)生成另一條線程實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)控制。
4 總結(jié)
經(jīng)過精心研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，本文研制的基于ARM920T內(nèi)核的電磁流量測(cè)量?jī)x表有效地解決了液體流量的精確測(cè)量與控制問題，并能提高液體流量的測(cè)量精度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠廣泛地應(yīng)用在石油化工、工礦等企業(yè)。該智能儀表選用的嵌入式微處理器S3C2410A，可以實(shí)現(xiàn)多種勵(lì)磁方式、數(shù)據(jù)的 USB 存儲(chǔ)、以太網(wǎng)絡(luò)通信、彩屏顯示等功能。同時(shí)在該電磁流量?jī)x表的設(shè)計(jì)過程中，采用了先進(jìn)的硬件與軟件協(xié)同設(shè)計(jì)方案。另外，S3C2410A在電磁流量?jī)x表系統(tǒng)中作為高端的應(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?jī)x表的應(yīng)用和研究水平，降低了設(shè)計(jì)難度。
通過系統(tǒng)測(cè)試，該智能儀表能與工業(yè)中的自動(dòng)化傳感器連接，組成流量測(cè)量控制系統(tǒng)，能夠被廣泛地用于各種工業(yè)液體的流量測(cè)量與控制，比如化工廠試劑的流量測(cè)量，石油的流量測(cè)量，汽油煤油的流量測(cè)量等方面，并有很好的性價(jià)比，推廣應(yīng)用前景良好。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 本文把ARM9內(nèi)核應(yīng)用在電磁流量?jī)x表中，使得電磁流量?jī)x表在輸入信號(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(cè)量信息的特殊處理、測(cè)量結(jié)果的動(dòng)態(tài)圖形顯示、人性化的管理和控制等方面得到了應(yīng)用。
該電磁流量?jī)x表能與工業(yè)中的自動(dòng)化傳感器連接，組成流量測(cè)量控制系統(tǒng)，并能夠被廣泛地用于各種工業(yè)液體的流量測(cè)量與控制，比如化工廠試劑的流量測(cè)量，石油的流量測(cè)量，汽油煤油的流量測(cè)量等方面，并有很好的性價(jià)比，推廣應(yīng)用前景良好。