基于LPC2106 的電磁流量計轉換器
基于LPC2106 的電磁流量計轉換器
摘.. 要.. 介紹一種基于LPC2106 單片機的電磁流量計轉換器, 詳細介紹了模擬信號處理放大電路、勵磁模塊和智能處理單元。采用標準表比較法對樣機進行了標定試驗, 結果表明在0. 3m/ s 以上的流速只需單直線線性校正, 精度即可達0. 5%。
關鍵詞.. 電磁流量計; 轉換器; LPC2106 應用
0 .. 引言
電磁流量計因其在使用中無壓力損失而被廣泛應用于眾多的工業場合, 電磁流量計轉換器是其重要組成部分, 直接決定了電磁流量計的精度。轉換器功能包括數據采集、顯示、積算、輸出、報警、故障診斷、自檢定及多段非線性補償、數據通訊功能等。現有的轉換器大多使用8 位或16 位的單片機, 較為復雜的算法就難以實現或響應時間過慢。我們基于32 位的ARM 處理器( LPC2106) 設計的一款智能電磁流量計轉換器, 數據處理能力顯著提高, 可以采用更復雜算法提高精度, 并且在低流速測量性能獲得較大改善亦成為可能, 較傳統的轉換器設計有明顯的改進。此外, 32 位ARM 單片機集成度高, 外設豐富, 而且即使進行浮點運算也能滿足系統實時性大的要求, 使得軟件設計更為簡單。
1 .. 硬件設計
電磁流量計轉換器是一個復雜的數據采集和處理系統, 硬件電路結構示意圖如圖1 所示, 圖中虛線框內為智能處理單元。
1. 1 勵磁模塊
為克服現行的勵磁模塊工作中的模擬恒流源器件壓降高、功耗較大的缺點, 本轉換器采用基于開關原理的勵磁模塊, 可以根據負載自動調節輸出, 適用范圍大、功耗低、體積小, 提高了可靠性。勵磁信號頻率由CPU 輸出的控制信號頻率決定, 可以很容易地通過軟件編程加以修改, 可適應各種實際應用的需要。圖1 .. 電磁流量計轉換器硬件結構示意圖
1. 2 信號采集與處理模塊
信號采集與處理模塊包括模擬信號前端處理與A/ D 轉換。模擬信號處理是高精度電磁流量計轉換器的基礎和關鍵。通過電極采集到的感應電動勢是一個微弱的交變信號, 通常只有幾十微伏至幾毫伏, 且信號內阻高, 噪聲信號頻率與50Hz 工頻相近, 幅值遠遠大于待測信號, 放大電路設計需要高質量的信號處理電路將干擾濾除, 才能提高儀表的測量精度。我們采用了如圖2 所示的信號處理電路。感應電動勢信號進行放大處理之前需首先經過濾波預處理單元消除高頻干擾。一級放大電路選用的是高精度增益可調儀表放大器AD620, 其輸入阻抗高, 外接元件只需一個增益電阻。由于一級放大電路的輸入端直接與測量電極相聯, 而電極在導電液體處于靜止狀態時, 由于液體中的各種帶電離子和外界電磁場對液體及管壁的干擾引起兩電極間的噪聲電動勢變化時大時小, 為了不讓儀表放大器以
圖2 .. 信號處理電路原理圖及二級信號放大中的運放進入飽和區, 一級信號放大倍數要稍小一些。然后再通過隔直電容將直流信號隔離, 余下的有用交流信號送入放大倍數高的后級放大器, 使信號達到A/ D 轉換器的工作范圍要求。經過前面的處理, 感應電動勢信號仍然有可能存在一定的高頻尖峰噪聲, 這對后續的二級信號放大以及電平提升電路會產生不利影響。因此這里進一步設計了單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器。最后再將信號放大, 并提升為單極性信號, 送入增益可調的16 位..- ..型A/ D 轉換器AD7715 完成模數轉換。
1. 3 智能處理單元
本系統采用了LPC2106 作為主CPU, 附加LCD 顯示模塊、鍵盤輸入模塊、輸入輸出和通訊模塊等共同構成智能處理單元。LPC2106 是一款支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI- S 微處理器, 自帶128kB 高速Flash 存儲器, 采用3 級流水線技術, 取指、譯碼和執行同時進行, 能夠并行處理指令, 提高CPU 運行速度。由于內含多個32 位定時器、PWM 輸出和32 個GPI0, 且無需外擴RAM, 具有很小的尺寸和極低的功耗, 非常適用于本系統的小型化要求。CPU 通過SPI 總線和A/ D、D/ A 以及LCD 控制芯片相互通訊, 只需3 根數據線和控制線即可擴展所有外圍器件, 大大提高了系統的可靠性, 減少了尺寸, 降低了成本。此外, LPC2106 還自帶PWM 輸出, 可直接用于輸出頻率信號和脈沖當量。系統的通訊模塊包含RS - 232 接口和RS - 485 接口, 用戶可以根據需要選擇相應的通訊方式, 方便地與上位機進行通訊, 并可組成多機總線, 實現數據遠距離傳輸。4 ~ 20mA 的輸出模塊選用了AD421 芯片, 可直接將數字信號轉換成電流信號輸出, 并預留HART 協議通訊接口。
2 .. 系統軟件設計
系統軟件采用結構化、模塊化設計方法, 由主程序、時基中斷程序、菜單處理程序、勵磁信號產生、A/ D、D/ A、通訊、顯示、脈沖頻率輸出等部分組成。主程序對系統進行初始化, 通過對各模塊的應答響應, 判斷各模塊是否正常運行。通過設定用戶級別, 可實現對儀表參數設定的分級控制, 分屬不同級別的生產廠家、售后服務和用戶均只能訪問相應級別允許訪問和修改的儀表參數。在工況測量狀態下,
儀表將實時顯示瞬時流量、累積流量、流速和報警信息等。在參數設定狀態, 可對各種參數進行設置, 比如傳感器系數、轉換器系數、儀表系數、測量管口徑等。系統將把改變的系數和累計流量等相關信息在線保存, 并可記錄多次上電和復位時間信息, 以備現場工作人員查閱。系統的主程序流程圖和定時器中斷響應處理程序分別如圖3、圖4 所示。圖3 主程序流程圖圖4 定時器中斷響應處理程序
3 .. 試驗結果
使用研制的智能電磁流量計轉換器配合某廠傳感器進行標定試驗, 采用標準表比較法來標定所設計的轉換器。此處與標準值比較的方法為總量法, 是比較樣機累積體積流量值和標準裝置測得的標準體積, 以確定儀表表示值或誤差。雖然校準是在的流量下進行, 但由于比較的是總量, 所以對流量穩定性的要求稍低。實驗所用傳感器的內徑為25mm, 標準表為0. 2 級, 被測表為設計的樣機, 采用兩組試驗數據擬合出直線, 用其余各組數據來驗證線性校正后樣機的誤差。經實驗驗證, 在0. 3~ 1m/ s 流速段用一條直線擬合, 示值誤差為0. 4%, 精度可以達到0. 5%。部分試驗數據如表1 所示。表1 部分試驗數據標準表流速( m/ s) 校正后樣機瞬時流速( m/ s) 標準表累計流量( L) 校正后樣機累計流量( L) 校正后樣機累積流量*. 2065 0. 2078 48. 38 48. 3763 - 0. 0077% 0. 3022 0. 3026 73. 10 73. 1650 0. 0889% 0. 4040 0. 4117 98. 97 99. 0654 0. 0964% 0. 4991 0. 4944 117. 66 117. 6140 - 0. 0391% 0. 5981 0. 5990 156. 88 157. 0739 0. 1236% 0. 6983 0. 7030 159. 54 159. 7013 0. 1011% 0. 8024 0. 8038 191. 96 192. 2644 0. 1586% 0. 8975 0. 9008 217. 022 216. 8440 - 0. 0811% 1. 0010 1. 0035 226. 13 225. 8998 - 0. 1018%
4 .. 結束語
本設計采用軟硬件協同設計方法, 具有較高的智能性和多場合適應能力, 集成化程度高、功能多、操作方便、體積小、功耗較低, 具備一定的自診斷能力和多機通訊功能, 可測量正反向流量和脈動流量, 抗電磁干擾和溫度性能較好, 適合現場應用或遠程測量, 測量范圍大, 準確度高, 流速在0. 3m/ s 以上時, 精度達到0. 5%。
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