摘 要：本文針對用戶對高端電磁流量儀(yi) 表的需求，提出了一種將ARM920T內(nei) 核應用在電磁流量測量儀(yi) 表的硬件與(yu) 軟件設計方案。係統選用S3C2410A微處理器作為(wei) 硬件核心，並圍繞其進行硬件係統的設計;以嵌入式Linux為(wei) 操作係統來實現開發環境的建立，在此基礎上進行應用程序的研發。

關(guan) 鍵字：測量控製;ARM920T;Linux

Abstract: According to the requirements of complicated intelligent instrument, the paper gives a design method of hardware and software in the application of intelligent electromagnetic flowmeter instrument based on ARM920T. The system adopts S3C2410A as the core of its hardware and will be focused on its hardware design; adopts Linux as its embedded operating system and sets up the development environment, and based on which the application software is developed.

Key words: Survey Control ; ARM920T; Linux

0 引言

　　隨著流量檢測儀(yi) 器的技術發展，對流量的測量儀(yi) 表提出了更高的應用需求。傳(chuan) 統的流量檢測儀(yi) 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、功能擴展等方麵都存在著局限性。新一代流量檢測儀(yi) 器將以更優(you) 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製和測量領域的應用越來越普遍。

1 電磁流量儀(yi) 表的基本原理

　　電磁流量儀(yi) 表是依據法拉第電磁感應定律來測量管內(nei) 流體(ti) 流量的測量裝置，現把電磁流量儀(yi) 表傳(chuan) 感器原理說明，如圖1 所示。

圖1 電磁流量儀(yi) 表傳(chuan) 感器原理圖

　　當流體(ti) 在管道內(nei) 流動經過一橫向磁場B的時候，相當於(yu) 有一定電導率的導體(ti) 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(liang) 電極可以引出該電動勢E，其大小與(yu) 磁場B、流速V和管徑D成正比,即：

　　E = B·V·D （1.1）

　　流體(ti) 的體(ti) 積流量Q與(yu) 流速V和管道內(nei) 截麵成正比，隻要測量出兩(liang) 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(ti) 密度ρ確定的情況下，流體(ti) 的質量M 僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 對兩(liang) 電極間的感應電勢 E 的檢測。電磁流量儀(yi) 表的數學模型為(wei) :

　　M = Coe·ρ （E-E0）·x （1.3）

　　其中: Coe 為(wei) 儀(yi) 表係數;E0 為(wei) 儀(yi) 表零點修正;x 為(wei) 多段非線性修正。

2 係統組成結構

　　電磁流量儀(yi) 表由測量裝置和電路兩(liang) 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、以及最重要的基於(yu) ARM9 嵌入式係統的核心板組成。圖2 給出了嵌入式電磁流量儀(yi) 表的係統框圖。

圖2 電磁流量儀(yi) 表係統結構框圖

　　係統經過初始化之後，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(chuan) 感器的勵磁線圈產(chan) 生一定強度的磁場。傳(chuan) 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(yi) 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。對於(yu) 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(chuan) 感器（如液位傳(chuan) 感器、壓力傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器、光電傳(chuan) 感器）轉換成電信號。模擬量隻有轉換成數字量才能被LED數碼顯示和自動化控製。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(wei) 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(ge) 步驟，一般前2個(ge) 步驟在取樣保持電路中1次性完成，後 2個(ge) 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

　　由於(yu) 電磁流量儀(yi) 表的電極輸出信號非常微弱，一般隻0—10mV數量級，而且，工業(ye) 環境幹擾非常大。因此，為(wei) 了保證測量精度，送入 A/D 轉換的輸入信號應達到- 215～+ 215V 的範圍，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(yi) 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幹擾及雜波，放大器采用運放CA3240A完成。A/D 轉換單元采用 MAX1297AEEG實現 12位並行模數轉換，直接與(yu) 核心板的I/O線連接。

　　2.2勵磁輸出電路

　　電磁流量儀(yi) 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(wei) 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(yi) 表的精確度、零點穩定性和抗幹擾能力等多項指標。為(wei) 研製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(yu) 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範圍。電流放大利用兩(liang) 對複合管實現，要求管子盡可能配對。接入勵磁線圈後，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(yi) 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(hui) 輸出一個(ge) 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(yu) VCC 之間接00.1μF的電容，決(jue) 定了由+24V的環路電源LOOP POWER產(chan) 生313 V電源，+24V的環路電源LOOP POW-ER經內(nei) 部控製電流由 LOOP RTN返回，形成 4～20mA的電流環路。

3 係統的軟件設計

　　嵌入式處理器ARM9內(nei) 核在電磁流量儀(yi) 表的軟件係統主要考慮的是核心板及各個(ge) 硬件模塊的初始化設置，係統在啟動之後，通過調用底層的驅動程序完成核心板與(yu) 各個(ge) 硬件模塊之間的命令控製和數據傳(chuan) 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係統程序，電磁流量計應用係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。#p#分頁標題#e#

　　本係統的軟件平台主要是以嵌入式Linux為(wei) 操作係統來實現開發環境的建立。MiniGUI為(wei) 圖形用戶界麵支持係統，在此基礎上進行功能的研發。SQLite為(wei) 數據庫引擎，進行流量測量係統的數據庫設計。

　　係統的控製流程完成參數設置、流量信號檢測控製、報警等功能。係統啟動後，在界麵中顯示當前狀態並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製。

4 總結

　　經過精心研究、開發、設計與(yu) 實驗，本文研製的基於(yu) ARM920T內(nei) 核的電磁流量測量儀(yi) 表有效地解決(jue) 了液體(ti) 流量的精確測量與(yu) 控製問題，並能提高液體(ti) 流量的測量精度，同時可以實現遠程監控。該係統能夠廣泛地應用在石油化工、工礦等企業(ye) 。該智能儀(yi) 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(chu) 、以太網絡通信、彩屏顯示等功能。同時在該電磁流量儀(yi) 表的設計過程中，采用了先進的硬件與(yu) 軟件協同設計方案。另外，S3C2410A在電磁流量儀(yi) 表係統中作為(wei) 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(yi) 表的應用和研究水平，降低了設計難度。

　　通過係統測試，該智能儀(yi) 表能與(yu) 工業(ye) 中的自動化傳(chuan) 感器連接，組成流量測量控製係統，能夠被廣泛地用於(yu) 各種工業(ye) 液體(ti) 的流量測量與(yu) 控製，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麵，並有很好的性價(jia) 比，推廣應用前景良好。

　　本文作者創新點: 本文把ARM9內(nei) 核應用在電磁流量儀(yi) 表中，使得電磁流量儀(yi) 表在輸入信號數字濾波、曆史數據保存、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、人性化的管理和控製等方麵得到了應用。

　　該電磁流量儀(yi) 表能與(yu) 工業(ye) 中的自動化傳(chuan) 感器連接，組成流量測量控製係統，並能夠被廣泛地用於(yu) 各種工業(ye) 液體(ti) 的流量測量與(yu) 控製，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麵，並有很好的性價(jia) 比，推廣應用前景良好。

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Development of Electromagnetic Flowmeter Instrument Based on ARM920T
Zhi Li-ping Liu Wen-hua