基于ARM920T核的电磁流量仪表的开发

 引言 

  随着流量检测仪器的技术发展，对流量的测量仪表提出了更高的应用需求。传统的流量检测仪表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。 

1、电磁流量仪表的基本原理 

  电磁流量仪表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，现把电磁流量仪表传感器原理说明，如图1 所示。 

 
图1 电磁流量仪表传感器原理图

当流体在管道内流动经过一横向磁场B的时候，相当于有一定电导率的导体在切割磁力线，形成动生电动势和感生电流，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 （1.1） 

  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•πD2/4 =πD•E/4B （1.2） 

  当励磁电流、管道尺寸和流体密度ρ确定的情况下，流体的质量M 仅取决于对两电极间的感应电势 E 的检测。电磁流量仪表的数学模型为: 

M = Coe•ρ （E-E0）•x （1.3） 

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、系统组成结构 

电磁流量仪表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 嵌入式系统的核心板组成。图2 给出了嵌入式电磁流量仪表的系统框图。 

 
图2 电磁流量仪表系统结构框图

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 的标准的智能仪表瞬时流量信号。 

2.1 检测输入及 A/ D 转换电路 

1. A/D信号的转换机理 

  A/D转换器是将模拟量信号转换成数字量信号的电路。模拟量可以是电压或电流信号。对于声、光、压力、温度、湿度等随时间和状态连续变化的非电信号的物理量，可通过合适的非电信号的物理量传感器（如液位传感器、压力传感器、温度传感器、光电传感器）转换成电信号。模拟量只有转换成数字量才能被LED数码显示和自动化控制。或被计算机采集、分析、计算。目前，A/D转换的种类很多，根据转换原理可以分为逐次逼近式、双积分式。常见的A/D转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位等多种。 A/D转换过程包括取样、保持、量化、编码4个步骤，一般前2个步骤在取样保持电路中1次性完成，后2个步骤在A/D转换电路中1次性完成。 

2. 检测输入模块 

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 转换电路框图

由于电磁流量仪表的电极输出信号非常微弱，一般只0—10mV数量级，而且，工业环境干扰非常大。因此，为了保证测量精度，送入 A/D 转换的输入信号应达到- 215～+ 215V 的范围，其模拟部分电压增益应该在60dB以上。其中，前置放大器采用差分输入的仪表用放大器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干扰及杂波，放大器采用运放CA3240A完成。A/D 转换单元采用 MAX1297AEEG实现12位并行模数转换，直接与核心板的I/O线连接。 

2.2 励磁输出电路 

  电磁流量仪表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仪表的精确度、零点稳定性和抗*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所示。D/ A 转换电路采用 AD7243 芯片，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

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。 

2.3 流量输出模块 

  电磁流量仪表在实现测量、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，流量输出电路利用AD421转换电路实现了流量输出的功能。AD421芯片是一款低电压、串行输入的D/A转换电路，具备4～20 mA环路电流输出，支持 HART通信协议。 

D/A转换的电压基准REFIN 选用芯片提供的REF OUT2（215 V）。流量输出电路中LV与 VCC 之间接00.1μF的电容，决定了由+24V的环路电源LOOP POWER产生313 V电源，+24V的环路电源LOOP POW-ER经内部控制电流由 LOOP RTN返回，形成4～20mA的电流环路。 

3、系统的软件设计 

  嵌入式处理器ARM9内核在电磁流量仪表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。 
 
  本系统的软件平台主要是以嵌入式Linux为操作系统来实现开发环境的建立。MiniGUI为图形用户界面支持系统，在此基础上进行功能的研发。SQLite为数据库引擎，进行流量测量系统的数据库设计。 

系统的控制流程完成参数设置、流量信号检测控制、报警等功能。系统启动后，在界面中显示当前状态并接收用户的输入设置，同时生成另一条线程实现流量的检测控制。 

4、总结 

  经过精心研究、开发、设计与实验，本文研制的基于ARM920T内核的电磁流量测量仪表有效地解决了液体流量的精确测量与控制问题，并能提高液体流量的测量精度，同时可以实现远程监控。该系统能够广泛地应用在石油化工、工矿等企业。该智能仪表选用的嵌入式微处理器S3C2410A，可以实现多种励磁方式、数据的 USB 存储、以太网络通信、彩屏显示等功能。同时在该电磁流量仪表的设计过程中，采用了*的硬件与软件协同设计方案。另外，S3C2410A在电磁流量仪表系统中作为的应用研究，在硬件上采用了模块化设计方法，提高了电磁流量仪表的应用和研究水平，降低了设计难度。 

  通过系统测试，该智能仪表能与工业中的自动化传感器连接，组成流量测量控制系统，能够被广泛地用于各种工业液体的流量测量与控制，比如化工厂试剂的流量测量，石油的流量测量，汽油煤油的流量测量等方面，并有很好的性价比，推广应用前景良好。 

  本文作者创新点：本文把ARM9内核应用在电磁流量仪表中，使得电磁流量仪表在输入信号数字滤波、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方面得到了应用。 

  该电磁流量仪表能与工业中的自动化传感器连接，组成流量测量控制系统，并能够被广泛地用于各种工业液体的流量测量与控制，比如化工厂试剂的流量测量，石油的流量测量，汽油煤油的流量测量等方面，并有很好的性价比，推广应用前景良好。