基于lpc2106 的电磁流量计转换器基于lpc2106 的电磁流量计转换器
摘.. 要.. 介绍一种基于lpc2106 单片机的电磁流量计转换器, 详细介绍了模拟信号处理放大电路、励磁模块和智能处理单元。采用标准表比较法对样机进行了标定试验, 结果表明在0. 3m/ s 以上的流速只需单直线线性校正, 精度即可达0. 5%。
关键词.. 电磁流量计; 转换器; lpc2106 应用
0 .. 引言
电磁流量计因其在使用中无压力损失而被广泛应用于众多的工业场合, 电磁流量计转换器是其重要组成部分, 直接决定了电磁流量计的精度。转换器功能包括数据采集、显示、积算、输出、报警、故障诊断、自检定及多段非线性补偿、数据通讯功能等。现有的转换器大多使用8 位或16 位的单片机, 较为复杂的算法就难以实现或响应时间过慢。我们基于32 位的arm 处理器( lpc2106) 设计的一款智能电磁流量计转换器, 数据处理能力显著提高, 可以采用更复杂算法提高精度, 并且在低流速测量性能获得较大改善亦成为可能, 较传统的转换器设计有明显的改进。此外, 32 位arm 单片机集成度高, 外设丰富, 而且即使进行浮点运算也能满足系统实时性大的要求, 使得软件设计更为简单。
1 .. 硬件设计
电磁流量计转换器是一个复杂的数据采集和处理系统, 硬件电路结构示意图如图1 所示, 图中虚线框内为智能处理单元。
1. 1 励磁模块
为克服现行的励磁模块工作中的模拟恒流源器件压降高、功耗较大的缺点, 本转换器采用基于开关原理的励磁模块, 可以根据负载自动调节输出, 适用范围大、功耗低、体积小, 提高了可靠性。励磁信号频率由cpu 输出的控制信号频率决定, 可以很容易地通过软件编程加以修改, 可适应各种实际应用的需要。图1 .. 电磁流量计转换器硬件结构示意图
1. 2 信号采集与处理模块
信号采集与处理模块包括模拟信号前端处理与a/ d 转换。模拟信号处理是高精度电磁流量计转换器的基础和关键。通过电极采集到的感应电动势是一个微弱的交变信号, 通常只有几十微伏至几毫伏, 且信号内阻高, 噪声信号频率与50hz 工频相近, 幅值远远大于待测信号, 放大电路设计需要高质量的信号处理电路将干扰滤除, 才能提高仪表的测量精度。我们采用了如图2 所示的信号处理电路。感应电动势信号进行放大处理之前需首先经过滤波预处理单元消除高频干扰。一级放大电路选用的是高精度增益可调仪表放大器ad620, 其输入阻抗高, 外接元件只需一个增益电阻。由于一级放大电路的输入端直接与测量电极相联, 而电极在导电液体处于静止状态时, 由于液体中的各种带电离子和外界电磁场对液体及管壁的干扰引起两电极间的噪声电动势变化时大时小, 为了不让仪表放大器以
图2 .. 信号处理电路原理图及二级信号放大中的运放进入饱和区, 一级信号放大倍数要稍小一些。然后再通过隔直电容将直流信号隔离, 余下的有用交流信号送入放大倍数高的后级放大器, 使信号达到a/ d 转换器的工作范围要求。经过前面的处理, 感应电动势信号仍然有可能存在一定的高频尖峰噪声, 这对后续的二级信号放大以及电平提升电路会产生不利影响。因此这里进一步设计了单位增益的二阶巴特沃斯低通滤波器。最后再将信号放大, 并提升为单极性信号, 送入增益可调的16 位..- ..型a/ d 转换器ad7715 完成模数转换。
1. 3 智能处理单元
本系统采用了lpc2106 作为主cpu, 附加lcd 显示模块、键盘输入模块、输入输出和通讯模块等共同构成智能处理单元。lpc2106 是一款支持实时仿真和跟踪的arm7tdmi- s 微处理器, 自带128kb 高速flash 存储器, 采用3 级流水线技术, 取指、译码和执行同时进行, 能够并行处理指令, 提高cpu 运行速度。由于内含多个32 位定时器、pwm 输出和32 个gpi0, 且无需外扩ram, 具有很小的尺寸和极低的功耗, 非常适用于本系统的小型化要求。cpu 通过spi 总线和a/ d、d/ a 以及lcd 控制芯片相互通讯, 只需3 根数据线和控制线即可扩展所有外围器件, 大大提高了系统的可靠性, 减少了尺寸, 降低了成本。此外, lpc2106 还自带pwm 输出, 可直接用于输出频率信号和脉冲当量。系统的通讯模块包含rs - 232 接口和rs - 485 接口, 用户可以根据需要选择相应的通讯方式, 方便地与上位机进行通讯, 并可组成多机总线, 实现数据远距离传输。4 ~ 20ma 的输出模块选用了ad421 芯片, 可直接将数字信号转换成电流信号输出, 并预留hart 协议通讯接口。
2 .. 系统软件设计
系统软件采用结构化、模块化设计方法, 由主程序、时基中断程序、菜单处理程序、励磁信号产生、a/ d、d/ a、通讯、显示、脉冲频率输出等部分组成。主程序对系统进行初始化, 通过对各模块的应答响应, 判断各模块是否正常运行。通过设定用户级别, 可实现对仪表参数设定的分级控制, 分属不同级别的生产厂家、售后服务和用户均只能访问相应级别允许访问和修改的仪表参数。在工况测量状态下,
仪表将实时显示瞬时流量、累积流量、流速和报警信息等。在参数设定状态, 可对各种参数进行设置, 比如传感器系数、转换器系数、仪表系数、测量管口径等。系统将把改变的系数和累计流量等相关信息在线保存, 并可记录多次上电和复位时间信息, 以备现场工作人员查阅。系统的主程序流程图和定时器中断响应处理程序分别如图3、图4 所示。图3 主程序流程图图4 定时器中断响应处理程序
3 .. 试验结果
使用研制的智能电磁流量计转换器配合某厂传感器进行标定试验, 采用标准表比较法来标定所设计的转换器。此处与标准值比较的方法为总量法, 是比较样机累积体积流量值和标准装置测得的标准体积, 以确定仪表表示值或误差。虽然校准是在的流量下进行, 但由于比较的是总量, 所以对流量稳定性的要求稍低。实验所用传感器的内径为25mm, 标准表为0. 2 级, 被测表为设计的样机, 采用两组试验数据拟合出直线, 用其余各组数据来验证线性校正后样机的误差。经实验验证, 在0. 3~ 1m/ s 流速段用一条直线拟合, 示值误差为0. 4%, 精度可以达到0. 5%。部分试验数据如表1 所示。表1 部分试验数据标准表流速( m/ s) 校正后样机瞬时流速( m/ s) 标准表累计流量( l) 校正后样机累计流量( l) 校正后样机累积流量*. 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 .. 结束语
本设计采用软硬件协同设计方法, 具有较高的智能性和多场合适应能力, 集成化程度高、功能多、操作方便、体积小、功耗较低, 具备一定的自诊断能力和多机通讯功能, 可测量正反向流量和脉动流量, 抗电磁干扰和温度性能较好, 适合现场应用或远程测量, 测量范围大, 准确度高, 流速在0. 3m/ s 以上时, 精度达到0. 5%。
参考文献[ 1] 蔡武昌, 马中元, 等. 电磁流量计[ m ] . 北京: 中国石化出版社, 2004 [ 2] 周立功, 等. arm 微控制器基础与实战[ m ] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003 [ 3] 李斌, 包海燕. 电磁流量计的信号处理方法探讨[ j] . 上海理工大--扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：