（检测技术与自动化装置专业论文）网络化金属管浮子流量计的设计.pdf

摘要 金属管浮子流量计( 金属管转子流量计) ，是基于浮子在垂直锥形管中随流量变化 而升降的原理来进行测量的装置，本课题对目前浮子流量计的测量精度、智能化和通 信等方面存在的问题进行了研究，论文介绍了网络化金属管浮子流量计的设计。 网络化金属管浮子流量计由流量计传感系统和网络通信系统两部分组成。流量计 传感系统构建了基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器为核心的低功耗硬件系统，采用新型磁阻 传感器h m c l 5 0 1 实现了流量信号的高精度测量，具备现场显示、累积、参数设置等 功能，提供两线制电流信号输出、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信接口，实现了智能仪表的一体 化。网络通信系统中移植了皿，协议栈，具备w 曲服务器的功能，实现了基于a r m 7 核的l p c 2 1 1 4 微处理器的串口到以太网的通用转换模块，从而将金属管浮子流量计接 入以太网。 系统利用软件方法实现对金属管浮子流量计的标定和温度补偿，使之在不同的环 境温度下完成对流量信号的高精度测量；采用超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 和x t r l l 5 实现两线带l j 4 - - - 2 0 m a 电流环输出以及通过r s 2 3 2 ，4 8 5 传输信号，经精度为0 2 级的标准 流量计测试，该流量计的精度不低于1 0 级，温度漂移小；同时，系统采用l p c 2 1 1 4 及以太网控制器c s 8 9 0 0 实现了网络通信。本论文对嵌入式设备及其它仪表的以太网接 入研究和远程监控方面有一定的参考价值。 关键词：金属管浮子流量计；以太网；两线制电流信号；低功耗；温度补偿 a b s t r a c t m e t a lt u b er o t a m e t e ri saf l u xm e a s u r i n gd e v i c eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f f l o a t e r a s c e n d i n go rd e s c e n d i n gi nt h ev e r t i c a lc o n e s h a p e dt u b e 、】i ，i t ht h ef l u xc h a n g i n g t h e s u b j e c td o e sr e s e a r c ho nt h ep r o b l e m so f t h e c u r r e n tf l o w m e t e r sm e a s u r e m e n ta c c u r a c y ， i n t e l l i g e n c ea n d c o m m u n i c a t i o n 1 1 l ep a p e ri n t r o d u c e sad e s i g no f n e t w o r km e t a lt u b e r o t a m e t e r n e t w o r ki n t e l l i g e n tm e t a lt u b er o t a m e t e rc o n s i s t so ff l o w m e t e rs e n s o rs y s t e ma n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ef l o w m e t e rs e n s o rs y s t e mc o n s t r u c t sal o w - p o w e r h a r d w a r es y s t e mb a s e do nm s p 4 3 0 f 1 4 9m c u i ta d o p t san e wm a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r h m c l 5 0 1t oi m p l e m e n tm e a s u r i n gf l u xs i g n a l 晰t l lh i g ha c c u r a c y t h es y s t e mh a st h e f u n c t i o no fl o c a ld i s p l a y i n g ，e m u l a t i n ga n dp a r a m e t e rs e t t i n g a l s o ，i ts u p p l yt w o w i r e c u r r e n ts i g n a lo u t p u t , r s 2 3 2 & r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e st h a ta c h i e v e si n t e l l i g e n t i n s t r u m e n ti n t e g r a t i o n i nt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu l pp r o t o c o li st r a n s p l a n t e d a n dw e bs e r v e r sf u n c t i o ni sr e a l i z e d t h es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nl p c 2 l1 4m c u w i t ht h ec o r eo fa r m 7 i ti sau n i v e r s a lc o n v e r s i o nm o d u l eb e t w e e nu a r ta n de t h e m e t a c c o r d i n g l yc o n n e c t i n gt h em e t a lt u b er o t a m e t e rt oe t h e r n e t t h e s y s t e mi m p l e m e n t s m e t a lt u b er o t a m e t e r sc a l i b r a t i o na n d t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nb ys o f t w a r e ，s oh i g h - a c c u r a c ym e a s u r i n go ft h ef l u xs i g n a li sr e a l i z e di n v a r i o u se n v i r o n m e n t s u l t r a l o w - p o w e rc o n s u m p t i o ns c mm s p 4 3 0 f 1 4 9a n dx t r l1 5a r e a d o p t e dt or e a l i z et w o - w i r e4 2 0 m ac u r r e n tl o o po u t p u ta n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nb y r s 2 3 2 4 8 5 t h ep r e s i c i o ni sh i g h e rt h a n1 0 一l e v e l t e s t i n gb yt h es t a n d a r df l o w m e t e r 、i m o 2 - l e v e l ，a n dt h es y s t e mh a sl i t t l et e m p e r a t u r ed r i f t m e a n w h i l e ，l p c 2 11 4a n de t h e m e t c o n t r o l l e rc s 8 9 0 0a r ea d o p t e dt of i n i s he t h e m e tc o m m u n i c a t i o n o v e r a l lt h i sp a p e rh a s c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u eo ne t h e m e tc o n n e c t i o nr e s e a r c ha n dr e m o t em o n i t o r i n go ft h e e m b e d d e de q u i p m e n t s k e yw o r d s ：m e t a lt u b er o t a m e t e r ；e t h e m e t ；t w o w i r ec u r r e n ts i g n a l ；l o w - p o w e r c o n s u m p t i o n ；t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：薹丛知刁年：；月2 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：盔丛 k 7 年，月j 7 日 河海人学硕上论文嗣络化金属管浮于流量计的设计 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 流量计，由流量传感部分和指示变换部分组成。在i s a ( 美国仪器学会) 5 1 1 文件 中对它定义如下：流量计是在一个敞开或封闭的管道中测量流动流体的流量或总量的 仪表，它通常包括一个一次装置和一个二次仪表i l 】。 流量计的应用非常广泛，首先，由于空气、水、天然气等多种流体与人们的日常 生活有着密切的关系，使得在各种流动状态下对流体的测量成为生活的必需，最常见 的流量计为水表、气表、电表。其次，随着工业技术水平的提高，为了有效地进行生 产操作和控制，也需要测量各种流体的流量，而且对精度和控制要求也逐渐提高，所 以流量计是保证产品质量、提高生产效率的重要设备，为自动调节和控制流量参数以 及整个生产过程提供了精确的信息 2 - 3 。， 流量计的种类繁多，目前市场上出现的有一百多种。其分类方法也很多，按照目 前最流行、最广泛的分类法可分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡 轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量 计。由于工业环境的差异以及被测流体本身的特性，各种流量计有着不同的应用场合。 为了提高流量测量的准确度，要依据被测流体的种类、流动状况、测量场所以及结构 等条件来合理选择流量计【4 】。下面介绍一下几种流量计的特点及其适用范围 1 ) 差压式流量计 差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检 测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表，是由一次装置( 检测件) 和二次装置( 差压转 换和流量显示部分) 组成。常见的有孔板流量计和文氏流量计，既可用来测量流量参 数，也可用来测量其它参数，如压力、位移、密度掣5 】【6 】。 差压式流量计是应用最广泛的一类流量计，在封闭管道的流量测量中各种对象都 有应用，适用于单相、混相、洁净、脏污、粘性流、亚音速、音速、脉动流等流体以 及常压、高压、真空、常温、高温、低温等各种工作状态下。其适用管径为2 m m 到 l m 。在各工业部门的使用量约占流量计全部用量的1 4 1 3 。该种流量计结构牢固， 性能稳定可靠，使用寿命长，价格较低。但其缺点在于测量精度普遍偏低，误差约为 士2 r ，量程范围度窄，一般仅3 ：1 5 ：1 ，现场安装条件要求高且压损大( 指孔板、喷嘴 等) 【5 1 。 2 1 容积式流量计 容积式流量计，又称排量流量计，简称p d 流量计，属于流量计中是精度最高的 河海人学硕士论文 网络化金属管浮子流量计的设计 一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量 室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量【”。 容积式流量计按测量元件分类可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量 计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量 计及膜式气量计等。 容积式流量计计量精度高，误差一般为：c o 5 r ，安装管道条件对计量精度没有影 响，可用于高粘度液体的测量，特别是昂贵介质( 油品、天然气等) 的总量测量。其测 量范围度宽，直读式，清晰明了，无需外部能源可直接获得累计总量，操作简便。但 缺点为结构复杂，体积庞大，被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大，不适 用于高、低温场合，大部分只适用于洁净单相流体，且易产生噪声及振动1 7 j 。 3 1 涡轮流量计 涡轮流量计，在速度式流量计中占的比重较大，它是采用多叶片的转子( 涡轮) 感 受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。一般它由传感器和显示仪表两部 分组成，也可做成整体式。在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无 机液体、液化气、天然气和低温流体。在所有流量计中，属于最精确的流量计，误差 一般为士0 5 r ，量程范围多为1 0 ：1 ，适用于管径在l m m 到6 0 c m 之间1 8 j 【9 】，其特点在 于重复性好，无零点漂移，抗干扰能力好，范围度宽，结构紧凑。缺点为不能长期保 持校准特性和流体物性对流量特性有较大影响。 4 ) 电磁流量计 电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。在测 量对象为液体的应用领域广泛，其大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用 于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水的控制，造纸工业的纸浆液和黑液， 化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食 品工业、生物化学等有卫生要求的场所【l o j 【“】。 电磁流量计的特点在于其测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体 颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等：不会产生流量检测所造成的压力损失， 节能效果好，所测得的体积流量也不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的 明显影响，量程范围大，能达1 0 0 ：1 ，误差约为：c o 5 r ，且口径范围宽，可应用于腐 蚀性流体【1 0 】【1 1 】。其缺点为不能测量电导率很低的液体和气体、蒸汽和含有较大气泡的 液体，如石油制品等，也不能用于较高温度的测量，且价格较高。 5 1 涡街流量计 涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，流体在发生体两侧交替地 分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。它属于最年轻的类流量计，但其发 展迅速，目前已成为通用的一类流量计。结构简单牢固，适用流体种类多，精度较高， 误差约为士l r ，量程范围较宽，能达2 0 ：1 ，压损小。其缺点为不适用于低雷诺数测 河海人学硕士论文网络化金属管浮子流量计的设计 量，需较长直管段，仪表系数较低( 与涡轮流量计相比) ，在脉动流、多相流中尚缺乏 应用经验【1 2 10 3 。 6 ) 浮予流量计 浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大 的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥 管内自由地上升和下降。它是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，特 别是对中、小流量的流体测量有举足轻重的作用。测量的量程范围较宽，一般为1 0 ：1 ， 高的可达2 5 ：1 ，误差约为士2 r t ”。 浮子流量计按照其材质不同分为玻璃管浮子流量计、塑料管浮子流量计、金属管 浮子流量计。8 0 年代中期，日本、西欧、美国的浮子流量计的销售金额占流量计的 1 5 0 一2 0 。1 9 9 0 年我国的产量估计约为1 2 1 4 万台，其中9 5 以上为玻璃锥管浮子 流量计，结构简单，使用方便，压力损失较低。比较适用于小管径和低流速，但耐压 力低，有玻璃管易碎的较大风斛1 4 1 。 针对中小流速的测量领域，本文的研究对象为金属管浮子流量计。由于具有结构 简单、耐高温、耐高压、耐腐蚀和高强度的特点，金属管浮子流量传感器在近几年来 得到逐步广泛的应用。 1 2 金属管浮子流量计的研究现状 传统的金属浮子的测量是采用纯机械的接触式角度传感器，在测量过程中传感器 容易发生磨损，误差较大。 随着微电子的发展，计算机及通信技术的广泛应用，传统自动化的仪表正在发生 本质的改变。目前已有不少针对浮子位置的测量方式由传统的纯机械式向电子式改进 的研究，当前的研究重点主要侧重于以下几个方面：电远传、现场显示、测量精度和 流体的适用范围等。国内外研发、生产金属浮子流量传感器的厂家很多，参与研究的 公司规模大小差异也很大，下面就国内外的部分研究情况做简要介绍： 1 ) 德国的k r o h n e 公司代表产品为h 2 7 系列，在纯机械式的测量中加入了转角变 送器代替连杆结构，结构上较传统的纯机械式流量计有一定改进，并实现了差动变压 器信号的现场显示和远传。 2 ) 英国的p l a t o n 公司代表产品为c 2 0 7 6 ，建立在固态传感器的基础上，实现了 机械式测量到电子式测量的彻底过渡，且直接通过微处理器就地显示、流量累计和远 传，在仪表中首次实现了智能化。 3 ) 美国的b r o o k si n s t r u m e n t 公司代表产品为m t 3 8 1 0 系列的金属管转子流量计， 对浮子的测量方式采用了电子式，并可根据需要选择4 2 0 m a 模拟电流输出或h a r t 通讯接口。 河海大学硕士论文 网络化金届管浮子流量计的设计 国外的厂家还有美国的k i n g 公司、m e m 公司，德国的h o n s b e r g 公司以及俄罗斯 的数家公司。总的看来，国外厂家的生产的金属浮子流量传感器精度较高f 6 。1 2 1 。我国 开展近代流量测量技术的工作比较晚，早期的流量计均从国外进口，且前的生产厂商 主要有承德热和、开封仪表、沈阳沈拓、常州成丰流量仪表厂等，其产品一般是在引 进国外技术上生产的，测量精度稍差。 在通信控制技术上，传统的金属管浮子流量计中提供了4 , - - 2 0 m a 的电流环输出， 较高档的型号配备了基于h a r t 协议的通信接口i l 。 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机网络技术迅猛发展，其规模成以指数倍增长。网络 对整个社会产生了深远的影响。它已经渗入到科研、教育、商业、生产、生活等各个 领域和部门，在整个社会的发展中起着极其重要的作用。在当今社会中，许多企业、 部门都迫切地需要在多种智能设备中接入网络，并借助网络实现远端监测。例如电力 系统对各变电所运行状态的集中监测，水利系统对各水情监测站的远端控制、楼宇自 动控制系统各部门的安全监测等。 就流量计广泛的应用背景来看，在流量计中接入工业以太网将是新一代流量计的 发展趋势。所谓的工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作 性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要f l ”。对流量计引入工 业网络的研究具有多方面的意义，主要表现为： 1 ) 有利于监控部门对各结点流量计的瞬时流量进行监视或进行累积流量的统计， 方便计算机定时保存数据，建立数据库，根据数据分析规律。这样有效地节省了人力， 特别适用于恶劣的测量环境。 现场设备具自诊断功能，便于远程维护设备和及时排除故障，同时保证了设备 计量数据的准确性。 因此，流量计的网络化使得网络和流量计充分发挥了各自的优势，实现了远程监 控和大范围内的信息共享。 国内已有大学对仪表的网络化、智能化开展研究，主要有：东北大学、天津大学、 浙江大学、北京航空航天大学等，但目前还没有技术成熟的基于以太网接口的金属浮 子流量传感器面世。结合目前信息技术和网络的发展趋势，能否设计一种直接带以太 网接口的流量计呢? 本课题对此做出了一定的研究。 1 3 课题研究的主要内容 本课题在研究如何提高金属管浮子流量计精度的基础上，着重研究了如何通过三 种电远传方式来传输信号。具体分为以下几个方面的内容： 1 ) 流量计的测量方案 河海大学硕士论文网络化金属管浮子流量计的设计 采用h o n e y w e l l 公司的非接触磁阻式角位移传感器h m c l 5 0 1 进行测量，其工作 原理是通过该传感器来检测浮子位置形成磁场的变化的大小并将其转化为模拟电信 号，然后将该模拟信号滤波整形，再送入模数转换器a d c 转换为数字信号。 2 ) 两线制4 2 0 m a 电流输出 要实现两线制的电流输出，必须确保系统工作时的电流功耗总和低于4 m a ，否则 无法保证输出4 m a 的下限电流值，故在选取元器件时需要综合考虑各个器件的低功 耗性能及设计相应的电路。 本课题硬件设计中主要构建了两个系统，分别为传感系统和网络通信系统。 传感系统构建了以1 r i 公司基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器为核心的硬件系统， m s p 4 3 0 f 1 4 9 微处理器功耗极低，自带温度传感器，且精度较高，节约了硬件电路。 该系统还设计了传感器输入信号处理电路、4 2 0 m a 电流环输出电路、r s 2 3 2 和 r s 4 8 5 临1 9 1 通信模块以及按键、显示模块。 网络通信系统构建了以p h i l i p s 公司基于a r m 7 核的l p c 2 1 1 4 微处理器的硬件电 路。l p c 2 1 1 4 核主要用于接入了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信模块、以太网连接模块等。两 套系统通过串口进行通信。 。 构建两个系统的根本原因在于：如果仅采用m s p 4 3 0 单片机来实现整个系统的功 能，各模块的功耗之和比较大，整个系统的总电流将超过4 m a ，即无法实现两线制电 流变送，故将整个系统分解，采用了l p c 2 1 1 4 来实现以太网通信。这样，传感系统 的总电流被控制在4 m a 以内，用户可根据需要选择是否带网络接口的系统。 3 ) 软件设计 传感系统部分主要实现了在i a re m b e d d e dw o r k b e n c hi d e 下开发了流量计的控 制程序，显示模块的驱动程序，按键的控制程序和串口通信程序，同时，由于磁阻传 感器存在一定的温度漂移，所以为了保证测量精度，需要对不同温度下的传感器输出 值进行补偿，该功能也是在软件设计中完成。网络通信系统主要实现了在a d s l 2 下 开发了网络通信程序以及与传感系统之间的串口通信程序。 本课题要解决的关键问题体现在以下三个方面： 1 ) 利用软件方法实现对金属管浮子流量计的标定，设计时考虑进行温度补偿， 使之在不同的环境温度下完成对流量信号的高精度测量； 2 1 采用超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 和x t r i l 5 实现了两线制4 2 0 m a 电流环 输出，同时，还要考虑通过r s 2 3 2 4 8 5 传输信号； 3 ) 采用l p c 2 1 1 4 及以太网控制器c s 8 9 0 0 实现了以太网通信。 1 4 论文的组织 本文内容共分六章。 河海人学硕士论文 网络化金属管浮子流量计的设计 第一章绪论简要介绍了课题的研究背景、意义、现状及主要的研究内容等； 第二章先对网络化金属管浮子流量计做需求分析，再提出了硬件总体设计方案； 第三章介绍了网络化金属管浮子流量计传感系统的各个功能模块的硬件设计及其 软件实现； 第四章介绍网络化金属管浮子流量计的以太网接入问题，详细介绍了各模块的硬 件，并给出具体的实现方法； 第五章对网络化金属管浮子流量计进行性能测试； 第六章对本课题的研究进行了总结并展望了下一步的研究工作。 本章小结 本章主要介绍了网络化金属管浮子流量计的应用背景、研究现状以及本课题研究 的主要内容，并提出了研究的关键技术问题。 河海人学硕上论文两络化金属管浮子流量计的设计 第二章网络化金属管浮子流量计总体设计 设计一种稳定可靠、功能齐全、具有网络功能且经济实惠的流量计系统具有一定 的市场价值，对学术研究也有相当的意义。本章在详细分析市场需求后提出了网络化 金属管浮子流量计的总体设计方案，经过充分调研，该方案符合流量计网络化技术发 展的趋势，具有广阔的应用前景。 2 1 需求分析与性能指标 本课题的应用背景为金属管浮子流量计，其网络接口方面的相关技术可以推广到 涡街、涡轮、电磁流量计等领域。 2 1 1 系统需解决的主要问题 当前金属管浮子流量计在应用中主要存在如下几个方面的问题： 1 ) 温度误差大 环境温度的变化会引起传感器的零点温度漂移、灵敏度温度漂移等的变化，造成 温度误差。通常传统的金属管浮子流量计由于受温度变化的影响，精度会大大降低， 特别是对小量程流量计的影响更大。 2 ) 网络支持功能不强 传统的流量计都是通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通信方式组成控制网络，存在组网方式不 灵活、传输速率低、可扩展性差等缺点。目前先进的金属管浮子流量计仅提供基于 h a r t 协议通信方式组成的通信接口。 2 1 2 系统功能目标 1 ) 利用非接触式磁阻传感器，分辨率高，有温漂，将单片机技术溶入流量计中 的测量，软件中对测量值进行温度补偿，提高了流量计的测量精度，实现了流量计的 智能化。在不同温度条件下保证流量测量的精度高，系统受温度变化的影响小，且系 统在各种温度条件下运行稳定、可靠，并且具有两线制变送器4 2 0 m a 输出的功能。 2 ) 系统提供基于e t h e m e t 的以太网接口，具备w e b l 2 0 j 服务器的功能，使用户只 需通过浏览器即可实现远端计算机对现场流量计工作状态等信息的远程监控与控制。 2 2 网络化金属管浮子流量计的方案设计 根据以上系统的需求分析和功能目标，本文提出了网络化金属管浮子流量计的总 河海大学硕十论文 网络化金属管浮子流量计的设计 体设计方案，综合考虑了系统的可实现性、可靠性以及系统的可操作性等，总体设计 方案如图2 1 所示。 图2 1网络化金属管浮子流量计系统结构图 由系统的总体设计结构图可知本系统主要由三部分组成： 第一部分为远程主机，该部分通过浏览器监控流量计的工作状况，采集瞬时流量 及累积流量等数据。 第二部分为以太网接口，该部分设计了一个以太网到串口的转换模块，由基于 a r m 7 核的l p c 2 1 1 4 微处理器和c s 8 9 0 0 网络控制器组成，提供以太网的接口，完成 流量计的网络接入功能。各台流量计通过串口将数据传输到微处理器，再通过以太网 发送出去，外部网络通过控制器的以太网接口与网络控制器进行通信，把数据发送给 远程主机，同时，远程主机也可以通过网络向流量计串口发送数据或命令，达到对流 量计监控的目的。控制器里移植了一个协议栈u i p ，实现了控制器的网络访问功能的 核心部分。 第三部分为金属管浮子流量计，该部分完成对流量信号的高精度测量，主要功能 模块有：流量计电气信号的标定，温度设定，流量信号的采集及累积，按键设置，l c d 显示，4 2 0 m a 电流环输出以及串口通信等，所有功能由微控制器m s p 4 3 0 f 1 4 9 来 实现。 在下面章节中，将围绕这一总体设计，分两个系统详细地讨论各个功能模块的硬 件设计与软件实现过程。 河海大学硕上论文网络化金属管浮子流量计的设计 本章小结 本章对金属管浮子流量计的需求做出详细分析，提出了网络化金属管浮子流量计 系统的功能目标和总体设计方案。 河海大学硕士论文 网络化金属管浮子流量计的设计 第三章网络化金属管浮子流量计传感系统的设计 3 1 网络化金属管浮子流量计传感系统总体设计 3 1 1 系统设计原则 为了保证系统稳定可靠地运行，系统在设计时应该遵循以下几个方面的原则 1 ) 硬件电路应尽可能采取模块化和标准化进行设计； 2 ) 软件结构清晰，模块化强，通用性强，便于程序的移植和修改； 3 1 系统应具备一定的可扩展性，以方便进行系统的升级。 3 1 2 系统总体结构 根据课题的功能需求，设计了网络化金属管浮子流量计系统，构建了以 m s p 4 3 0 f 1 4 9 和l p c 2 1 1 4 为微控制器的双处理器系统，本章将具体介绍以 m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心的传感器信号处理系统的硬件设计及其相应的软件。金属管浮子 流量计传感系统硬件设计如图3 1 所示。 图3 i 网络化金属管浮子流量计传感系统结构图 考虑到系统中涉及到温度补偿、a d 转换、低功耗等性能需求，中央处理单元的 微控制器需具备三个方面的功能： 1 ) 内部自带温度传感器，以便于对传感器的输出信号进行温度补偿； 2 ) 自带高精度的a d 转换器，且a d 转换速度快； 河海大学硕士论文网络化金届管浮子流量计的设计 3 ) 功耗低，内部资源丰富。 经过调研，a v r 系列单片机带l o 位的a d 转换，精度偏低，不满足要求；m i c r o c h i p 公司也推出了低功耗的p i c 系列，但资源不满足本系统的需求。课题选择了n 公司 生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机，价格适中，它具有1 6 位的r i s c 结构，自带1 2 位的a d 转换，c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器使m s p 4 3 0 f 1 4 9 能达到最高的代码效率。 其最大的特点在于其灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗【2 卜2 2 1 。它的主要片 内外围功能模块有： 2 个u a r t 通道； 2 个带捕获i l l 较寄存器的1 6 位定时器； 内部温度传感器： 多达6 0 k b 的f l a s h r o m 和2 k b r a m 。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 支持基于j t a g 接口的调试方案，f l a s h 技术与f e t 开发工具组合的 开发方式，片内己集成了程序断点控制等逻辑功能，用户只需一个连接到计算机并口 的仿真器，仿真器与微m s p 4 3 0 f 1 4 9 之间通过j t a g 接口连接，即可进行程序的下载、 调试和修改。微处理器工作电压为3 3 v ，采用6 4 引脚封装形式。 微处理器时钟模块的应用使其实现了超低功耗的应用，这里做一简单介绍，图3 2 为基本时钟模块的输入输出关系。 u 爿滞删柳嗽n 似l o x 他c l kr 八 基本时钟模块 习眦舻鲥 h d c o c l k 卜一j l s m c l k ( 子系统时 i卜_ 1 钟) 图3 2m s p 4 3 0 的时钟 从图3 2 中可以看出，该微处理器有3 个时钟输入源： l f x t l c l k 由标准高频晶体或陶瓷振荡器产生或外接时钟信号源； x t 2 c l k 由标准晶体或陶瓷振荡器产生或外接4 5 0 k h z 8 m h z 时钟信号源； d c o c l k 片内可以数字控制的i 汜振荡器。 同时，它也提供3 种时钟信号： a c l k ( 辅助时钟) 由l f x t l c l k 信号经1 248 分频后得到，分频系数可选。 a c l k 可由软件选做各个外围模块的时钟信号： m c l k ( 主系统时钟) 可由软件选择来自l f x t l c l k ，x t 2 c l k ，d c o c l k 三者 之一，然后经l ，2 ，4 ，8 分频得到。m c l k 主要用于c p u 和系统。 s m c l k ( 子系统时钟) 可由软件选择来自l f x t l c l k , x t 2 c l k ，d c o c l k 三者 河海人学硕士论文 网络化金属管浮子流量计的设计 之一，然后经1 ，2 ，4 ，8 分频得到。s m c l k 主要用于各外围模块。 正是由于有3 种不同频率的时钟输出给不同的模块，整个系统的超低功耗才成为 可能 2 0 。2 1 】。系统时钟初始化如下： v o i d0 8 c 时钟初始化i n i t ( v o i d ) w d t c t l = w d t p ww d t h o l d ；停止看门狗 b c s c t l lf x t s + d w a _ 2 ； x t la sh i g h f 1 e q u e n c y ，a c l k = 2 m h z b c s c t l l & _ r s e l 2 ；r s e l 0 - - 0 ，r s e l l = 0 ，r s e l 2 = 0 ， 即选择最低标称频率d c o c l k l o o z m cs r _ r e g i s t e r ( o s c o f f ) ；t u r no nx t lo s c i l l a t o r d o i f g l & = - - o f i f g ； c l e a ro f i f t 3 ，振荡器失效中断标志 w h i l e ( i f g l & o f i f g ) ； t e s to s c i l l a t o rf a u l tf l a g b c s c t l 2 = s e l m _ 3 + d i v s _ 3 ；| | s e tx t l a sm c l k ， 对d c o 进行8 分频= 1 0 0 8 = 1 2 5 k h z ) 同时，本课题选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为金属管浮子流量计传感系统的微控制器还在 于该m c u 的f l a s h 存储器模块中有2 段信息段存储器，分别为信息存储器a 和b ， 每段各为1 2 8 字节。在对流量计进行标定时，每段的流量值及其对应的a d 值、温度 标定值需要保存下来；在流量计处于正常工作状态下，当前的总流量值也需要进行实 时保存，因此，在程序实现时将需要保存的信息都写入了信息段，实现了简易的掉电 保护，并减少了外挂e 2 p r o m 带来的额外电流损耗。 由图3 1 可以看出，整个系统的功能实现模块化较强，而对各个模块的功能实现要 综合考虑硬件的选取和相应的软件实现措施。结合本课题的具体实现过程，主流程图 如图3 - 3 所示。整个传感系统的软件程序分为：初始化模块、按键参数标定模块、l c d 显示模块、a d 转换模块、流量数值计算存储以及p w m 调制输出模块等。 由系统的主流程图可以看出，整个主程序采用查询法，系统有四种工作模式：正 常工作模式，流量标定模式、温度标定模式以及流量巡检模式。后三种模式均属于参 数设置，由按键和液晶模块完成，在3 5 节中将具体介绍。定时器和a d 采样程序采用 中断实现，在m s p 4 3 0 f 1 4 9 中有特定的各个模块的中断入口。a d 中断程序中完成对 磁阻传感器信号和温度信号的采样。定时器采用t o ，在定时器中设置了4 个计数值， 分别用于控制a d 值的更新时间、l c d 的闪烁显示时间、计算累积流量的时间和把总 流量写入信息段a 的间隔时间。主程序中，每隔5 m s 对a d 值更新一次，l c d 的闪烁显 示时间根据各个工作模式来决定，每隔5 s 计算一次累积流量，同时每隔1 0 s 把当前总 河海大学硕士论文网络化金属管浮子流量计的设计 流量写入m s p 4 3 0 f 1 4 9 中的信息段。 下面分别介绍传感系统的各个模块的设计，主要为传感器输入信号电路、4 2 0 m a 电流环输出电路、串口通信模块、流量计的参数设置及功能实现等。 3 2 数据采集单元 图3 3系统软件主流程图 3 2 1 流量传感器的设计 金属管浮子流量计结构原理图如图3 4 所示。它是由一个锥形管和一个置于锥形 管中可以上下自由移动的浮子构成。图3 4 中1 为锥形管，2 为浮子，3 为磁钢，锥管 垂直安装，浮子重心与锥管管轴相重合，磁钢内嵌在浮子中。当流体自下向上流入锥 管时，作用在浮子上的力有三个：流体作用在浮子上的动压力、浮子在流体中的浮力、 浮子的重力。当这些力平衡时，浮子就平稳地浮在锥管内某位置上。对于一台给定 的浮子流量计，浮子在锥管中的位置与流体流经锥管流量的大小成一一对应关系。而 浮子在锥管中的位置决定于浮子的高度，因此要实现对流量的测量取决于对浮子的高 度的测量j 。 由于浮子上下移动时，其内嵌磁钢也随之上下移动，与流量计外部磁钢形成内外 磁钢磁路耦合，带动机械连杆旋转一定角度目，将信号传递给现场显示器，指示流量 大小。故对流量大小的测量转换为求角位移目的大小。 河海人学硕士论文 网络化金属管浮子流星计的设计 本课题选用了h o n e y w e l l 公司生产的磁阻传感器h m c l 5 0 1 来实现对机械连杆角 位移目的测量。它是利用含铁材料的各向异性原理感测周围磁场的变化，运用特殊工 图3 4 流量计结构原理图 艺制成的薄膜状磁阻元件i ：z 4 。其原理为：将四个磁阻元件构成一个金刚石状的惠斯登 电桥，如图3 5 所示。当无外加磁场作用时，a r = 0 ，a v = 0 。若在外加磁场的作用下， 通过磁阻的电流发生变化，从而在输出端形成差分电压v 【2 5 】。 图3 5h m c l 5 0 1 惠斯通电桥 h m c l 5 0 1 传感器是一种工作在磁饱和状态的变换器件，即当磁场强度大于8 0 高 斯时，磁阻传感器对磁场大小不再敏感，其输出值仅和磁场方向有关，利用此原理就 可以感测周围磁场相对于传感器的角度变化。其角度测量范围为士4 5 0 ，分辨度小于 0 0 7 。，传感器和磁铁之间的有效线性距离为8 r a m 2 4 2 6 1 。 典型电压应用时( 桥路激励电压3 3 v ) ，h m c l 5 0 1 的输入输出特性为： g o = 墨以s s i n ( 2 功+ c o t( 3 1 ) ( 3 1 ) 式中各变量分别为： 圪桥路输出电压：五与温度相关的增益； 河海人学硕士论文同络化金属管浮子流量计的设计 以桥路激励电压；s 材料常数； 0 磁场参考角度； c d 制造公差引起的偏置电压： 岛偏置电压的温敏系数( 一o 0 1 c ) ； 从上式可以看出，当温度变化较小时，桥路输出电压与口角成正弦函数关系。而 当温度变化较大时，测量精度会受到影响，其中桥路电阻温度系数为o 2 8 1 2 ，灵敏 度温度系数为3 2 0 。所以在该设计中引入了必要的温度补偿手段。 图3 6 表示口角和输出电压之间的函数关系。该传感器的功耗很低，由式p = v 。2 r ( r 为桥路电阻) 可知，当3 3 v 供电时功耗仅为2 4 2 m w ，满足低功耗设计的要求。 趴舢舰 泸f v 喘 图3 6h m c l 5 0 1 输入输出关系 3 2 2 流量信号调理电路 由于h m c l 5 0 1 输出的桥路信号较小，故在送入a d 转换器之前，需要对信号进 行放大和调理。本设计选用典型差分式放大电路，如图3 7 所示。 图3 7h m c l 5 0 l 应用电路设计 iii一苫9；o矗口o 河海人学硕士论文网络化金属管浮子流量计的设计 放大器的选择需要满足两点：第一，能够单电源工作，以简化系统电源设计和满 足系统低功耗的要求；第二，具备较低的温度漂移。系统选用了t i 的运算放大器 t l c 2 7 l 2 。该芯片集宽范围输入失调电压等级、低失调电压漂移、高输入阻抗、极低 的功耗及高增益等特点于一体。常温时输入失调电压漂移典型值为每月o 1 p v ，单电 源工作。当供电电压为5 v 时仅为9 5 i _ t w ，电流约为o 0 1 7 m a l 2 7 j ，满足低功耗要求。 由于采用了单电源供电，所以要求a 点电位始终大于b 点，否则该放大器的输 出就会失真，为了抬升a 点的电位，系统在含o u t + 的支路中，对模拟地之间串接一 个电阻，电阻阻值取3 0 0 f 2 。经实验测试，a 、b 之间电压差约为o 1 5 8 v 。硬件采用 r c 滤波，在运放正负输入脚之间以及负反馈回路上加入滤波电容c 3 和c 4 ，提高了 系统的e m c 性能。 3 2 3 数据采集单元设计 由于传感器输出的信号为模拟电压信号，要获得该信号需进行a d 转换。选择合 适的a d 转换器可以提高测量数据的准确性，减小误差。m s p 4 3 0 系列单片机内部集 成的a d 转换模块具有1 2 位的分辨率，自带采样与保持电路，转换速度快，功耗低， 不需要c p u 额外的处理，满足系统的需要。 在本课题中，系统在各个工作模式下都会运用到a d 转换模块，主要是采集磁阻 传感器的输出电压和单片机内部的温度传感器的输出电压，并将它们数字化。在本设 计中，由于要进行2 个通道的数据采集，程序实现时选择了序列通道多次转换模式。 将传感器输出信号进行放大后，接到d 模块的一个外部通道，再配合软件设置，实 现对传感器信号的转换。同时，该a d 模块内置温度传感器，可在程序中直接读取相 对应的内部通道的值，以测量环境温度和实现温度补偿。 由于工业环境的差异，常见的干扰源如环境温度的变化、外部磁场、电网电压等 都会影响单片机的a d 采样值，如采用模拟r c 滤波器，将增加硬件成本和系统功耗， 在本系统中不易实现，故采用了数字滤波处理的办法i z 研。 在程序中，系统开辟了2 个缓冲区s e n s o r r e