一種優(yōu)化的電磁流量計(jì)的整體設(shè)計(jì)方案分析

電磁流量計(jì)作為一種精密的流量測(cè)量?jī)x表，是通過一整套系統(tǒng)的相互相作而進(jìn)行工作的，不僅要考慮到硬件因素，也要對(duì)軟件部分的工作效果進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析，本文通過對(duì)于用戶的實(shí)際需求及國內(nèi)外電磁流量計(jì)勵(lì)磁技術(shù)分析研究的的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了以交流勵(lì)磁作為電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式、HART通信接口等功能。特別是對(duì)于抗干擾的性能提出了更為理想的解決方法。通過分析了軟硬件各種抗干擾措施、用戶的需求，運(yùn)用先進(jìn)的微處理器(ARM)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)相結(jié)合的高性能、通用化的計(jì)算單元，以軟件抗干擾與硬件抗干擾協(xié)同作業(yè)的方法，比較好地克服了傳統(tǒng)工頻交流勵(lì)磁方式下的各項(xiàng)干擾，更在人性化、智能化、操作簡(jiǎn)便性和維護(hù)方便性的方面融入了紅外遙控、WEB服務(wù)器接口等功能，實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)的最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

　　
1.電磁流量計(jì)方案選擇
　　考慮到高端電磁流量計(jì)除滿足流量結(jié)算、累積流量、空管檢測(cè)等一般功能需要，還要有HART通信、WEB服務(wù)器等功能，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波算法的需要，所以本系統(tǒng)在電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的核心結(jié)構(gòu)上采用ARM+DSP方式，組成一個(gè)高性能的計(jì)算平臺(tái)。并由于雙處理器板間通信布線的限制以及通用性的要求，進(jìn)而選擇了可編程邏輯器件，來實(shí)現(xiàn)ARM與DSP的串行轉(zhuǎn)并行通信。
　　采用ARM+DSP的結(jié)構(gòu)可以完成多項(xiàng)并行任務(wù)和復(fù)雜算法這兩方面高端電磁流量計(jì)核心處理能力的需求；在通信上，傳統(tǒng)的一般選用通用的邏輯器件，這樣功耗大，布線麻煩，抗干擾性差，可實(shí)現(xiàn)的組合邏輯或時(shí)序邏輯功能簡(jiǎn)單，而采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯，和復(fù)在的脈沖聲稱功能，器件本身還具有在線調(diào)試功能，抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以在ARM和DSP兩顆核心處理器上的通信上復(fù)雜可編程邏輯器件成為首選。
　　
2.電磁流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　通過對(duì)電磁流量計(jì)的方案選擇，并綜合國內(nèi)外電磁流量計(jì)產(chǎn)品的智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。
　　硬件系統(tǒng)框圖
　　電磁流量計(jì)的硬件子系統(tǒng)主要由雙處理器模塊、可編程邏輯器件模塊、信號(hào)輸入模塊、勵(lì)磁輸出模塊、信號(hào)輸出模塊、HART接口模塊、WEB服務(wù)器接口模塊、顯示模塊、調(diào)試接口模塊、電源模塊等組成。各模塊的功能描述如下：
　　雙處理器核心模塊：由ARM處理器、DSP處理器、Flash、SRAM、FRAM以及相關(guān)電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，同時(shí)軟件系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。
　　可編程邏輯器件模塊：利用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)ARM與DSP的串行轉(zhuǎn)并行通信，并產(chǎn)生4-20mA電流輸出脈沖、流量積算脈沖。
　　信號(hào)輸入模塊：將傳感器輸出的電極弱信號(hào)、參考信號(hào)以及反饋的勵(lì)磁信號(hào)進(jìn)行放大以及轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以便送入數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行軟件濾波處理。
　　勵(lì)磁輸出模塊：通過D/A轉(zhuǎn)換器輸出低幅值產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)，并通過功率放大輸出給傳感器，勵(lì)磁信號(hào)方式由DSP控制產(chǎn)生。
　　信號(hào)輸出模塊：由程序控制的4-20mA電流、流量積算脈沖輸出，模擬輸出電路得到簡(jiǎn)化。
　　HART接口模塊：ARM的UART1接口作為與HART輸出板的接口，以便實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的接口。
　　WEB服務(wù)器接口模塊：由10M以太網(wǎng)控制芯片構(gòu)成，以便軟件上實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程在線修改儀表參數(shù)等功能。
　　顯示模塊：由51單片機(jī)、紅外遙控接收器、OLED顯示屏和按鍵組成，方便用戶操作、觀察流量信息。用戶可以通過按鍵或紅外遙控器進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，并有OLED顯示屏顯示瞬時(shí)流量、累積流量，同時(shí)為了滿足不同語種的要求，本系統(tǒng)還可以顯示英文界面。
　　調(diào)試接口模塊：由JTAG接口和ISP接口組成。
　　電源模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供多種等級(jí)的穩(wěn)定可靠的電源。
　
　3.電磁流量計(jì)軟件功能設(shè)計(jì)
　　軟件系統(tǒng)主要包含如下模塊：信號(hào)采樣模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)模塊、人際交互模塊、芯片間的通訊程序模塊和數(shù)字濾波模塊。
　　3.1信號(hào)采集模塊
　　信號(hào)采集模塊完成對(duì)電極信號(hào)、參考信號(hào)、勵(lì)磁電壓信號(hào)、勵(lì)磁電流信號(hào)的采集功能，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，它是通過數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的中斷來接受A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用了高精度的A/D轉(zhuǎn)換器復(fù)雜可編程邏輯器件，此A/D芯片可以采集六路信息，它與DSP芯片直接相連，相互間的接口為DSP的多通道緩沖串行接口(McBSP)，要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，必須先初始化A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)中是通過DSP中斷程序1來實(shí)現(xiàn)給A/D送控制字，DSP中斷程序2來采集需要的六路數(shù)據(jù)。
　　3.2系統(tǒng)監(jiān)控模塊
　　系統(tǒng)監(jiān)控模塊主要包含系統(tǒng)自診斷模塊、系統(tǒng)功能檢測(cè)模塊、系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)警模塊和系統(tǒng)日志模塊。
　　系統(tǒng)自診斷模塊完成對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的診斷，判斷系統(tǒng)工作是否正常，系統(tǒng)是否處于異常狀態(tài)，根據(jù)不同的現(xiàn)象給出對(duì)應(yīng)的出錯(cuò)報(bào)警。
　　系統(tǒng)功能檢測(cè)模塊完成系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能檢測(cè)，檢測(cè)的功能包括系統(tǒng)的顯示、系統(tǒng)瞬時(shí)流量的仿真輸出、系統(tǒng)的電流輸出、系統(tǒng)的脈沖輸出、被測(cè)流體的流向、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件FRAM、空管檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、各參數(shù)的手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整，系統(tǒng)報(bào)警設(shè)置、累計(jì)流量復(fù)位。
　　系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)警模塊完成系統(tǒng)由于異常事件而引起系統(tǒng)工作不正常，流量超過規(guī)定范圍等給出出錯(cuò)報(bào)警。
　　系統(tǒng)日志模塊完成系統(tǒng)工作情況的記錄，如系統(tǒng)掉電次數(shù)、DSP復(fù)位記錄、出錯(cuò)次數(shù)記錄和出錯(cuò)內(nèi)容、報(bào)警次數(shù)和報(bào)警內(nèi)容。系統(tǒng)工作的勵(lì)磁頻率，系統(tǒng)的工作上下限，系統(tǒng)已完成的累計(jì)流量歷史記錄。這是增加系統(tǒng)與用戶友好交互的一個(gè)功能。
　　3.3系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)模塊
　　系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)模塊完成系統(tǒng)進(jìn)行的算法，包括瞬時(shí)流量的計(jì)算、累計(jì)流量的計(jì)算、勵(lì)磁系數(shù)的調(diào)整、電流輸出的計(jì)算、脈沖輸出的計(jì)算、系統(tǒng)工作零點(diǎn)調(diào)節(jié)算法、系統(tǒng)電氣零點(diǎn)調(diào)節(jié)算法、系統(tǒng)標(biāo)定系數(shù)調(diào)節(jié)算法、系統(tǒng)正負(fù)滿量程調(diào)節(jié)算法、瞬時(shí)流量表示方式轉(zhuǎn)換算法等。
　　3.4人機(jī)交互模塊
　　人機(jī)交互模塊包括顯示模塊、按鍵檢測(cè)模塊和外部觸發(fā)處理模塊。
　　顯示模塊完成被測(cè)流體流向的顯示、瞬時(shí)流量多種表示方式的顯示、累計(jì)流量多種表示方式的顯示、勵(lì)磁系數(shù)放大增益的顯示、電極數(shù)值的顯示、參考數(shù)值的顯示、系統(tǒng)菜單的顯示、系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)警的顯示等20多種顯示信息。
　　按鍵檢測(cè)模塊完成按鍵被按下后所代表的數(shù)值，通知系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。
　　外部觸發(fā)處理模塊完成外部觸發(fā)按鈕的響應(yīng)任務(wù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外部觸發(fā)按鈕主要是外部芯片復(fù)位、外部調(diào)零、外部累計(jì)流量復(fù)位。
　　3.5芯片間數(shù)據(jù)通信模塊
　　數(shù)據(jù)通信模塊完成ARM微處理器將DSP程序下載到DSP芯片的內(nèi)部RAM中，以及ARM微處理器和DSP數(shù)字信號(hào)處理器之間數(shù)據(jù)的交換。本通訊模塊是建立在DSP芯片內(nèi)部具有的主機(jī)接口部件之上的，通過對(duì)它的編程設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)ARM微處理器和DSP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
　　3.6數(shù)字濾波模塊
　　數(shù)字濾波模塊完成對(duì)由A/D采集過來數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波。本模塊十分重要，它是在模擬濾波器無法消除各項(xiàng)干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上提出來的，它濾波效果的好壞直接影響到系統(tǒng)的零點(diǎn)穩(wěn)定性、系統(tǒng)的精度要求。為了消除由于工頻正弦波勵(lì)磁而引起的系統(tǒng)零點(diǎn)不穩(wěn)定，我們通過對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的研究和分析，得出在某一頻段范圍內(nèi)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境對(duì)系統(tǒng)零點(diǎn)的影響幾乎不存在，因此，我們提出了用本段頻率作為正弦波的勵(lì)磁頻率，通過所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器將其它干擾信號(hào)除去后，系統(tǒng)內(nèi)所有數(shù)據(jù)均以此為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的零點(diǎn)穩(wěn)定，高精度的要求。
　　
4.結(jié)論
實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)用戶級(jí)測(cè)試表明，該系統(tǒng)具備良好的抗干擾能力以及穩(wěn)定性，對(duì)固液兩相難測(cè)流體如砂漿、礦漿等具有良好的應(yīng)用效果，流量輸出晃動(dòng)等主要技術(shù)指標(biāo)有明顯優(yōu)勢(shì)。