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      電磁流量計

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      基于STM32的智能電磁流量計的原理與總體設計

      來源:作者:發表時間:2016-09-20 10:10:15

       【摘要】針對傳統電磁流量計在測量精度、信息存儲、人機操作等方面存在的不足,提出了一種新型智能電磁流量計設計方案。該系統以STM32RCT6為控制核心,采用新型勵磁方式,設計了電磁流量計勵磁電路,信號采集電路,并結合數字濾波等信號處理算法方法,將處理結果通過以太網接口輸出的同時并送給智能串口觸摸顯示,從而完成了系統的軟硬件設計,實現了數據采集與處理、人機交互、通信及測量數據的存儲和管理等功能。

       
      0.引言
              電磁流量計是20世紀中葉隨著電子技術的發展而迅速發展起來的新型流量測量儀表,主要應用于供水和污水處理、食品飲料、制藥、紙漿造紙和建筑材料等行業。近年來,由于水處理行業的快速發展,特別是新興環保行業的發展,使得電磁流量計的銷售市場份額迅速增長。目前,電磁流量計的設計一般采用單片機技術和計算機技術,只能對儀表信息進行簡單的分析與處理,其測量精度、信息存儲和人機操作等方面均存在著一定的局限性 ,已不能滿足實際工業生產中流量測量與控制的需要。為此,本文提出一種基于STM32處理器開發平臺,使用智能串口觸摸屏進行圖形用戶界面設計。該設計提供了友好的人機界面、大量數據存儲與管理以及網絡通信等功能,實現了電磁流量計的智能化、信息化和網絡化。
       
      1.電磁流量計測量原理
              電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律,用于測量管內導電液體體積流量的感應式儀表。如圖1 所示,導電液體在內壁絕緣的管道中以垂直于磁場的方向流動時,在與磁場和液體流動方向垂直的管徑兩端的電極引出線上將生成與流速成正比的感應電壓,其感應電壓可用公式表示成:E =KBDV式中,E即流量信號;K 為儀表系數; B 為磁感應強度; D 為測量管道截面的內徑; V為測量管道截面內的平均流速。
      電磁流量計工作原理圖和電磁流量計總體設計框圖
      2.電磁流量計總體設計方案介紹
              電磁流量計的總體結構如圖2 所示。儀表以STM32為核心控制器,包含電源模塊、勵磁模塊、信號采集與處理模塊、數據存儲模塊、LCD 液晶顯示模塊、以太網接口模塊等。STM32 是一款低功耗、高 集成度的32位RISC 微處理器,由于STM32提供豐富的外圍模塊,集成有LCD 控制器、4通道UART、2 通道SPI 和1 通道IIC 等功能,適用于工業控制、人機界面和POS機等電子產品的開發和設計。儀表系統初始化后,由STM32 的定時器控制勵磁電路輸出勵磁信號,電磁流量傳感器感應到勵磁信號后產生一定強度的磁場,管道中的流體在傳感器的電極上便產生感應信號( 即所測量的流量信號) ,**后信號經過處理電路后輸入給STM32,進一步進行分析與處理。其中,使用LCD 液晶觸摸屏給用戶提供了友好的可視化界面,便于用戶控制儀表; 存儲模塊用于存儲大量的測量數據以及儀表信息; 以太網接口模塊完成了網絡數據的傳輸和控制,方便用戶使用計算機對多個電磁流量計的測量數據進行查詢、管理和控制。
       
      3.主要模塊設計方案介紹
      3.1 勵磁模塊設計
              電磁流量傳感器的工作磁場由勵磁模塊提供。勵磁技術是電磁流量計中的關鍵技術之一,當前電磁流量計的主流勵磁方式是低頻矩形波勵磁方式,其缺點是在磁場切換方向時容易產生微分干擾,而且零點穩定性不好。針對這一缺點,該設計在低頻矩形波勵磁技術的基礎上,設計了低頻三值矩形波勵磁方式。低頻三值矩形波勵磁技術中,在正負方向的勵磁切換之間添加了一段零值勵磁,采樣時,零值勵磁段的電極輸出信號動態的作為流量信號的零點,這樣便可以動態地補償零點漂移,同時削弱了微分干擾,增強了流量測量的準確性。勵磁電路的任務是提供低頻三值矩形波磁場,即相同波形的勵磁電流。勵磁模塊示意圖如下圖所示。
      圖3-1 勵磁電路方框圖 圖3-2 單片機發出的脈沖信號 圖3-3 線圈上的電流方向
              從上圖可以看出該電路主要由恒流源、電子開關、勵磁線圈等電路組成,恒流源是該電路的核心,它的穩定性關系到測量的精度。四個電子開關受單片機控制,兩個一組交替打開。當K1、K4打開時(K3、K2斷開)勵磁電流經K1從左向右流過勵磁線圈;K2、K3打開時(K1、K4斷開)勵磁電流經K3從右向左流過勵磁線圈。開關K1、K4和K2、K3分別受勵磁控制脈沖1和脈沖2的控制,在線圈上就產生正反交替電流,根據法拉第電磁感應定律,單片機通過對脈沖1和脈沖2的控制就能產生需要的工作磁場變化。
       
      3.2 流量信號處理模塊設計
              流量信號處理模塊 [7] 的作用是對傳感器輸入的感應電動勢信號(微伏至毫伏級的交流信號)進行放大、濾波處理,然后通過AD轉換器采樣后輸入單片機系統,**終通過LCD顯示測量值。信號處理模塊是傳感器和單片機系統的中介,其電路原理框圖如圖3-4所示:
      信號采集電路方框圖
              由于信號傳輸線的影響和電極表面阻抗的變化,進入信號處理電路的流量信號夾雜有微小的直流分量在內,如果讓其直接進入放大電路,在很大的放大倍數下,那么一對電極信號中的直流分量差值很容易使放大的信號失真,為此在信號進行放大之前,需要經過濾波預處理,通過高通濾波器來實現隔直,同時利用運放的跟隨作用提高輸入阻抗。在預濾波處理后,需要將信號進行放大,為了抑制干擾,將流量信號從強干擾背景中分離出來,需要克服共模干擾。運算放大器、儀表放大器都可以提供共模抑制(CMR),然而,儀表放大器適用于抑制共模信號以便它們不在其放大器的輸出端出現;相反,按照典型的反相或同相放大器方式工作的運算放大器處理共模信號,將其送至輸出端,但通常并不抑制它們。因此,在信號放大單元采用了高共模抑制比的儀用放大器傳感器產生的流量信號經信號放大單元阻抗轉換、抑制共模干擾電壓后,由差動信號轉換為單端信號,但并沒有得到多大的增益,所以其輸出幅度仍然較小,不能直接輸入到模數轉換電路,必須要經過再次放大。不過在進入二次放大電路以前,由于測量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾,信號中仍然可能含有多種頻率成分的噪聲,嚴重情況下,這些噪聲信號會淹沒真正的流量信號,在這種情況下就要采用濾波措施,將不需要的雜散信號抑制掉,增加系統的信噪比 [9] 。同時考慮到放大后的信號仍然可能會有直流干擾,采用帶通濾波的結構。在計算機控制系統及各類用單片機構成的智能儀器儀表就必須先通過A/D轉換,完成將檢測出來的流量信號線性轉換為數字信號的功能。因此在電磁流量計的硬件電路設計中,為了準確檢出流量信號,系統采用高精度16位模數轉換器ADS8320 [10] ,它采用逐次逼近法,可以將模擬量轉換成16位數字量表示的值,通過單片機STM32對轉換后的數據進行采集與處理。
       
      3.3 人機接口和通信接口設計
              智能儀表電磁流量計的一個重要的功能是友好的人機界面設計,本設計采用市場上成熟的DGUS智能串口觸摸屏作為顯示模塊,用DGUS來開發人機界面,主要是借助PC軟件來對觸摸屏的觸摸界面切換、變量數據顯示位置、變量數據錄入等進行組態設計把人機交互和控制過程完全分開,程序開發人員只需要編寫相關指令通過串口發送給觸摸屏乙級編寫串口接收中斷函數來處理觸摸屏的數據就可以了,大大簡化了程序開發人員的工作。智能儀表電磁流量計的另一個重要功能是實現以太網通信。以太網通信電路采用市場上相當成熟的W5500模塊,W5500模塊使用硬件邏輯門電路實現TCP/IP協議棧的傳輸層及網絡層(如:TCP, UDP, ICMP,IPv4, ARP, IGMP, PPPoE等協議),并集成了數據鏈路層,物理層,以及32K字節片上RAM作為數據收發緩存。使得上位機主控芯片,只需承擔TCP/IP應用層控制信息的處理任務。從而大大節省了上位機對于數據復制、協議處理和中斷處理等方面的工作量,提升了系統利用率及可靠性。在操作過程中,用戶可以近似的將W5500作為MCU的一個外設RAM來使用,非常簡易。W5500對外接口為通用的80MHz高速SPI,接口速度快穩定性高,用戶可以把多個電磁流量計通過以太網連接在一起,通過電腦就可以對每臺電磁流量計的數據進行查詢,存儲等從而實現了電磁流量計的智能化、信息化和網絡化。
       
      4.結束語
              文中介紹了基于STM32的智能電磁流量計系統的設計,分別從電磁流量計的測量原理,整體設計方案及主要模塊設計方案三個方面進行了詳細的闡述。該設計方案采用性能較高的32位微處理器STM32RCT6,結合電子線路技術等技術,將處理結果通過以太網接口輸出的同時并送給智能串口觸摸顯示,從而完成了系統的軟硬件設計,實現了數據采集與處理、人機交互、通信及測量數據的存儲和管理等功能,從而實現了電磁流量計的智能化、信息化和網絡化,預計按該設計方案設計電磁流量計將具有廣闊的應用前景。
       
      作者:電磁流量計
      版權:中國船舶重工集團公司第七一〇研究所,石俊杰 隋 峰 黃啟勇
      日日干夜夜操

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