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基於ARM11的智能儀表電磁流量計

文章出處:AG贵宾厅實業 人氣:發表時間:2018-01-21 10:13

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,主要應用於供水和汙水處理、食品飲料、製藥、紙漿造紙和建築材料等行業。近年來,由於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,隻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麵均存在著一定的局限性 。文中基於現有電磁流量計技術,設計了一款高精度智能型電磁流量計。
1 儀表總體概述
1.1 電磁流量計測量原理
    電磁流量計是基於法拉第電磁感應定律,用於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於磁場的方向流動時,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為感應電壓,即流量信號; 為儀表係數;B為磁感應強度;D為測量管道截麵的內徑; 為測量管道截麵內的平均流速。
圖1 電磁流量傳感器工作原理圖

    圖1 電磁流量傳感器工作原理圖
1.2 儀表的總體設計
    儀表的總體結構如圖2所示。儀表以基於ARM11內核的$3C6410為核心控製器,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、以太網接口等。$3C6410是一款低功耗、高集成度的32位RISC微處理器,由於$3C6410提供豐富的外圍模塊,集成有LCD控製器、4通道UART、2通道SPI和1通道IIC等功能,適用於工業控製、人機界麵和POS機等電子產品的開發和設計。
圖2 儀表係統總體結構圖
    圖2 儀表係統總體結構圖
    儀表係統初始化後,由$3C6410的定時器控製勵磁電路輸出勵磁信號,電磁流量傳感器感應到勵磁信號後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),最後信號經過處理電路後輸入給$3C6410,進一步進行分析與處理。其中,LCD液晶觸摸屏給用戶提供了友好的可視化界麵,便於用戶控製儀表;存儲模塊用於存儲大量的測量數據以及儀表信息;通信模塊完成了網絡數據的傳輸和控製。
2 儀表主要硬件設計
2.1 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幹擾,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,同時削弱了微分幹擾,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。要產生該波形,勵磁電路需要解決2個問題:提供恒定電流源;實現電流方向切換和電流頻率控製。其中恒定電流源電路主要由1片運算放大器OP07、2個NPN型三極管TIP122及電阻組成;而電流方向切換和電流頻率控製電路則由2片場效應管IRF7343和4片光耦組成橋式開關控製電路。
2.2 流量信號處理模塊設計
    傳感器電極輸出的電壓信號非常弱且內阻很高,需要設計前置放大電路,解決流量信號測量中的高內阻輸入阻抗和高共模抑製等問題。而經前置放大後的流量信號中又含有直流和工頻等幹擾信號,需要設計濾波電路來削弱或濾除幹擾信號。流量信號的處理部分電路如圖3所示。
圖3 流量信號處理電路圖
    圖3 流量信號處理電路圖
2.3 以太網接口電路設計
    係統設計了以太網接口,將電磁流量計接入以太網,實現電磁流量計的網絡化。以太網控製芯片采用DMg000A,在硬件設計時,主要完成DMg000A與$3C~)410總線的連接,以及DM9(~A與網絡變壓器HR601627的連接,其接口電路如圖4所示。
圖4 以太網接口電路圖

    圖4 以太網接口電路圖
3 儀表主要軟件設計
    係統以$3C6410為核心處理器,以嵌入式Linux為軟件開發平台,移植了SQLite嵌入式數據庫,存儲和管理流量信息;用Qt/Embedded開發了一套顯示美觀、操作簡便的現場監控軟件,為用戶提供了一個友好的圖形化人機交互界麵;將儀表接入以太網,實現儀表的遠程實時監控。
3.1 人機界麵設計
    在嵌入式Linux平台移植Qt/Embedded後,利用其開發了電磁流量計的GUI,用戶可直接進行測量,參數設置,儀表測試,數據查詢和刪除,儀表維護等。而且,儀表在主界麵上顯示當前的測量信息,能夠很直觀地了解到當前測量情況,其具體設計過程如下。
    (1)利用QtDesigner進行界麵設計。由於QtDesigner包含菜單、按鈕、工具欄、文本框等部件,因此通過對部件的拖拽和屬性的設置便可較好地進行布局排版。
    (2)數據元素的讀取。完成了部件設置,軟件啟動後需要讀取數據進行參數初始化,這些參數包括權限密碼、串口參數以及儀表運行參數等。係統把參數存放在para.txt文件中,存儲時用分號“;”來分隔。程序通過調用函數readsettings()來讀取參數,該函數使用了用於讀寫二進製文件的QFile配合QTextStream來讀取文件中的元素,函數代碼如下:
    void emf_ main::readsettings()//讀取參數
    {
    //指定所要讀取的文件
    file=new QFile(”/opt/qtopia/bin/para.txt”);
    file一>open(IO—ReadOnly);//隻讀方式打開文件
    //文件按文本流方式讀出
    stream=new QTextStream(file);
    //讀入文本流一行
    QString mystring:stream一>readLine();
    //根據分隔符“;”劃分區域
    QStringList fields=QStringList::split(“;”,mystring);
    code— seL code一 1=fields[0];//得到初級密碼
    ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ //其他處理程序
    file一>close();//關閉文件
    }
    (3)實現事件處理。Qt使用信號與槽機製來實現事件的處理。
    (4)GUI程序的編譯和移植。完成GUI程序的編寫後,要把程序編譯成可以在ARM平台上運行的可執行文件並下載。
3.2 數據存儲模塊設計
    數據存儲模塊采用SQLite數據庫進行流量信息的存儲和管理。SQLite是D.Richard Hipp於2000年開發的一款輕型C庫實現的關係數據庫,其設計目標就是為嵌入式係統服務,而且源代碼是完全公開的 ]。
    軟件利用SQLite創建了si.db數據庫文件,並在該文件中創建數據表用於存儲流量信息。SQLite數據庫提供的API函數使用十分方便,可以實現有效的數據存儲和管理,所使用的核心接口函數主要有sqlite—open(),sqlite—exec(),sqlite—close(),sqlite_get—table(),callback(),sqlite—mprintf()。以下是執行數據庫信息管理的具體步驟:
    (1)調用sqlite—open()函數初始化數據庫句柄,數據庫的路徑和文件名被作為自變量傳遞給函數。
    (2)創建SQL查詢字符串,用sqlite—query()函數執行。
    (3)對於SELECT查詢,結果對象可以被進一步處理,以便從中提取數據。
    (4)調用sqlite_close()函數關閉數據庫。結合實際需求,設計了flowcollect流量信息字段,數據庫的處理過程中涉及到的主要函數有數據存儲函數sav_to_database()和用戶查詢數據函數query—note()。say—to—database()用於存儲從串口獲得的數據,將這些數據分別存入表flowcollect的相應字段中;query_note()用於根據指定條件查詢數據庫的記錄。
3.3 以太網通信
    智能儀表電磁流量計的一個重要功能是實現以太網通信。Linux提供了強大的網絡支持,采用專門處理BSD socket的通用套接字管理軟件,受INET socket層支持,為基於IP的協議TCP和UDP提供端到端傳輸管理 。係統采用客戶端/服務器模式,利用套接字實現通信,其中儀表作為客戶端,遠程PC機作為服務器端,服務器端通信流程圖如圖5所示。
圖5 以太網通信流程圖
    圖5 以太網通信流程圖
4 試驗結果及分析
    流量標定方法如下:分析電磁流量傳感器特性,選出一段單調性比較好的範圍,並在此範圍內選出幾個流量點,記錄下這些點所對應的流量值和A/D值,用於樣機處於工作狀態的線性擬合。其標定與測量裝置如圖6所示。
圖6 樣機標定與測量裝置

    圖6 樣機標定與測量裝置
    圖6中,采用Promag52式電磁流量計作為標準測量裝置,其測量精度為±0.2% ,將其與待標定的樣機安裝在同一管道上,通過調節閥門控製管道中流體的流速。電磁流量計樣機在標定好後,便可以進行正常的流量測量。調節閥門,改變管道中液體的流速,記錄下電磁流量計樣機與標準測量裝置的測量結果,如表1所示。
    表1是采用標準電磁流量計與所設計樣機在同一管道中對自來水流量進行測量的結果。從表1中的數據可以看出,樣機在小流速時測量誤差相對較大,但仍在0.5% 範圍內。因此,所設汁儀表的測量精度達到了設計要求。
標準儀表流量 /(m3 • h-1) 樣機實測流量 /(m3 • h-1) 測童誤差/%
85.000 84. 942 -0.07
60. 109 60. 053 -0. 09
35. 705 35. 752 0. 13
28. 750 28. 798 0. 17
17.674 17. 635 -0. 22
4.383 4. 395 0. 27
2. 167 2. 174 -0.32
0.713 0.716 0. 42
    表1  儀表精度測試
5結束語
    文中介紹了基於ARMI1的智能電磁流量計的設計,分別從硬件、軟件進行了闡述。係統采用性能較高的微處理器S3C6410.結合電子線路技術、嵌入式操作係統和圖形開發等技術,完成了樣機的設計。通過試驗數據可以看出,係統設計達到了預期指標,符合工廠對流量測量的要求。

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