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介紹一種優(yōu)化的電磁流量計的整體設(shè)計方案
電磁流量計作為一種精密的流量測量儀表,，是通過一整套系統(tǒng)的相互相作而進(jìn)行工作的，不僅要考慮到硬件因素,，也要對軟件部分的工作效果進(jìn)行評價與分析,，本文通過對于用戶的實際需求及國內(nèi)外電磁流量計勵磁技術(shù)分析研究的的基礎(chǔ)上，提出并實現(xiàn)了以交流勵磁作為電磁流量計的勵磁方式,、HART通信接口等功能,。特別是對于抗干擾的性能提出了更為理想的解決方法。通過分析了軟硬件各種抗干擾措施,、用戶的需求,，運用*的微處理器(ARM)與數(shù)字信號處理器(DSP)相結(jié)合的高性能、通用化的計算單元,，以軟件抗干擾與硬件抗干擾協(xié)同作業(yè)的方法,，比較好地克服了傳統(tǒng)工頻交流勵磁方式下的各項干擾，更在人性化,、智能化,、操作簡便性和維護(hù)方便性的方面融入了紅外遙控、WEB服務(wù)器接口等功能,，實現(xiàn)了電磁流量計的*化的設(shè)計方案,。
1.電磁流量計方案選擇
考慮到電磁流量計除滿足流量結(jié)算、累積流量,、空管檢測等一般功能需要,，還要有HART通信、WEB服務(wù)器等功能,，以及實現(xiàn)數(shù)字濾波算法的需要,，所以本系統(tǒng)在電磁流量計轉(zhuǎn)換器的核心結(jié)構(gòu)上采用ARM+DSP方式，組成一個高性能的計算平臺,。并由于雙處理器板間通信布線的限制以及通用性的要求,，進(jìn)而選擇了可編程邏輯器件，來實現(xiàn)ARM與DSP的串行轉(zhuǎn)并行通信,。
采用ARM+DSP的結(jié)構(gòu)可以完成多項并行任務(wù)和復(fù)雜算法這兩方面電磁流量計核心處理能力的需求,；在通信上，傳統(tǒng)的一般選用通用的邏輯器件,，這樣功耗大,，布線麻煩，抗干擾性差,，可實現(xiàn)的組合邏輯或時序邏輯功能簡單,，而采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)可以實現(xiàn)復(fù)雜的時序邏輯，和復(fù)在的脈沖聲稱功能,，器件本身還具有在線調(diào)試功能,，抗干擾性強(qiáng)的特點,，所以在ARM和DSP兩顆核心處理器上的通信上復(fù)雜可編程邏輯器件成為。
2. 電磁流量計硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過對電磁流量計的方案選擇,，并綜合國內(nèi)外電磁流量計產(chǎn)品的智能化,、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢,，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示,。
硬件系統(tǒng)框圖
電磁流量計的硬件子系統(tǒng)主要由雙處理器模塊、可編程邏輯器件模塊,、信號輸入模塊,、勵磁輸出模塊、信號輸出模塊,、HART接口模塊,、WEB服務(wù)器接口模塊、顯示模塊,、調(diào)試接口模塊,、電源模塊等組成。各模塊的功能描述如下：
雙處理器核心模塊：由ARM處理器,、DSP處理器,、Flash、SRAM,、FRAM以及相關(guān)電路構(gòu)成zui小系統(tǒng),，同時軟件系統(tǒng)的硬件平臺。
可編程邏輯器件模塊：利用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實現(xiàn)ARM與DSP的串行轉(zhuǎn)并行通信,，并產(chǎn)生4-20mA電流輸出脈沖,、流量積算脈沖。
信號輸入模塊：將傳感器輸出的電極弱信號,、參考信號以及反饋的勵磁信號進(jìn)行放大以及轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,，以便送入數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行軟件濾波處理。
勵磁輸出模塊：通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出低幅值產(chǎn)生勵磁信號,，并通過功率放大輸出給傳感器,，勵磁信號方式由DSP控制產(chǎn)生。
信號輸出模塊：由程序控制的4-20mA電流,、流量積算脈沖輸出,，模擬輸出電路得到簡化。
HART接口模塊：ARM的UART1接口作為與HART輸出板的接口,，以便實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的接口,。
WEB服務(wù)器接口模塊：由10M以太網(wǎng)控制芯片構(gòu)成，以便軟件上實現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程在線修改儀表參數(shù)等功能。
顯示模塊：由51單片機(jī),、紅外遙控接收器,、OLED顯示屏和按鍵組成,，方便用戶操作,、觀察流量信息。用戶可以通過按鍵或紅外遙控器進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定,，并有OLED顯示屏顯示瞬時流量,、累積流量，同時為了滿足不同語種的要求,，本系統(tǒng)還可以顯示英文界面,。
調(diào)試接口模塊：由JTAG接口和ISP接口組成。
電源模塊：為整個系統(tǒng)提供多種等級的穩(wěn)定可靠的電源,。
3.電磁流量計軟件功能設(shè)計
軟件系統(tǒng)主要包含如下模塊：信號采樣模塊,、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、系統(tǒng)算法實現(xiàn)模塊,、人際交互模塊,、芯片間的通訊程序模塊和數(shù)字濾波模塊。
3.1信號采集模塊
信號采集模塊完成對電極信號,、參考信號,、勵磁電壓信號、勵磁電流信號的采集功能,，在系統(tǒng)實現(xiàn)上,，它是通過數(shù)字信號處理器(DSP)的中斷來接受A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用了高精度的A/D轉(zhuǎn)換器復(fù)雜可編程邏輯器件,，此A/D芯片可以采集六路信息,，它與DSP芯片直接相連，相互間的接口為DSP的多通道緩沖串行接口(McBSP),，要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集,，必須先初始化A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)中是通過DSP中斷程序1來實現(xiàn)給A/D送控制字,，DSP中斷程序2來采集需要的六路數(shù)據(jù),。
3.2系統(tǒng)監(jiān)控模塊
系統(tǒng)監(jiān)控模塊主要包含系統(tǒng)自診斷模塊、系統(tǒng)功能檢測模塊,、系統(tǒng)錯誤報警模塊和系統(tǒng)日志模塊,。
系統(tǒng)自診斷模塊完成對系統(tǒng)工作狀態(tài)的診斷，判斷系統(tǒng)工作是否正常,，系統(tǒng)是否處于異常狀態(tài),，根據(jù)不同的現(xiàn)象給出對應(yīng)的出錯報警。
系統(tǒng)功能檢測模塊完成系統(tǒng)可實現(xiàn)功能檢測，檢測的功能包括系統(tǒng)的顯示,、系統(tǒng)瞬時流量的仿真輸出,、系統(tǒng)的電流輸出、系統(tǒng)的脈沖輸出,、被測流體的流向,、數(shù)據(jù)存儲器件FRAM、空管檢測,、絕緣檢測,、各參數(shù)的手動或自動調(diào)整，系統(tǒng)報警設(shè)置,、累計流量復(fù)位,。
系統(tǒng)錯誤報警模塊完成系統(tǒng)由于異常事件而引起系統(tǒng)工作不正常，流量超過規(guī)定范圍等給出出錯報警,。
系統(tǒng)日志模塊完成系統(tǒng)工作情況的記錄,，如系統(tǒng)掉電次數(shù)、DSP復(fù)位記錄,、出錯次數(shù)記錄和出錯內(nèi)容,、報警次數(shù)和報警內(nèi)容。系統(tǒng)工作的勵磁頻率,，系統(tǒng)的工作上下限,，系統(tǒng)已完成的累計流量歷史記錄。這是增加系統(tǒng)與用戶友好交互的一個功能,。
3.3系統(tǒng)算法實現(xiàn)模塊
系統(tǒng)算法實現(xiàn)模塊完成系統(tǒng)進(jìn)行的算法,，包括瞬時流量的計算、累計流量的計算,、勵磁系數(shù)的調(diào)整,、電流輸出的計算、脈沖輸出的計算,、系統(tǒng)工作零點調(diào)節(jié)算法,、系統(tǒng)電氣零點調(diào)節(jié)算法、系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)調(diào)節(jié)算法,、系統(tǒng)正負(fù)滿量程調(diào)節(jié)算法,、瞬時流量表示方式轉(zhuǎn)換算法等。
3.4人機(jī)交互模塊
人機(jī)交互模塊包括顯示模塊,、按鍵檢測模塊和外部觸發(fā)處理模塊,。
顯示模塊完成被測流體流向的顯示、瞬時流量多種表示方式的顯示,、累計流量多種表示方式的顯示,、勵磁系數(shù)放大增益的顯示,、電極數(shù)值的顯示、參考數(shù)值的顯示,、系統(tǒng)菜單的顯示,、系統(tǒng)錯誤報警的顯示等20多種顯示信息。
按鍵檢測模塊完成按鍵被按下后所代表的數(shù)值,，通知系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作,。
外部觸發(fā)處理模塊完成外部觸發(fā)按鈕的響應(yīng)任務(wù)，本系統(tǒng)設(shè)計的外部觸發(fā)按鈕主要是外部芯片復(fù)位,、外部調(diào)零,、外部累計流量復(fù)位,。
3.5芯片間數(shù)據(jù)通信模塊
數(shù)據(jù)通信模塊完成ARM微處理器將DSP程序下載到DSP芯片的內(nèi)部RAM中,，以及ARM微處理器和DSP數(shù)字信號處理器之間數(shù)據(jù)的交換。本通訊模塊是建立在DSP芯片內(nèi)部具有的主機(jī)接口部件之上的,，通過對它的編程設(shè)計來實現(xiàn)ARM微處理器和DSP實時數(shù)據(jù)傳輸,。
3.6數(shù)字濾波模塊
數(shù)字濾波模塊完成對由A/D采集過來數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波。本模塊十分重要,，它是在模擬濾波器無法消除各項干擾信號的基礎(chǔ)上提出來的,，它濾波效果的好壞直接影響到系統(tǒng)的零點穩(wěn)定性、系統(tǒng)的精度要求,。為了消除由于工頻正弦波勵磁而引起的系統(tǒng)零點不穩(wěn)定,，我們通過對大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的研究和分析，得出在某一頻段范圍內(nèi),，工業(yè)現(xiàn)場周圍環(huán)境對系統(tǒng)零點的影響幾乎不存在,，因此，我們提出了用本段頻率作為正弦波的勵磁頻率,，通過所設(shè)計的數(shù)字濾波器將其它干擾信號除去后,，系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)均以此為基準(zhǔn)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的零點穩(wěn)定,，高精度的要求,。
4.結(jié)論
實驗室和現(xiàn)場用戶級測試表明，該系統(tǒng)具備良好的抗干擾能力以及穩(wěn)定性,，對固液兩相難測流體如砂漿,、礦漿等具有良好的應(yīng)用效果，流量輸出晃動等主要技術(shù)指標(biāo)有明顯優(yōu)勢,。
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