基于STM32的智能電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 石俊杰 隋 峰 黃啟勇

基于STM32的智能電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 石俊杰 隋 峰 黃啟勇

針對(duì)傳統(tǒng)電磁流量計(jì)在測(cè)量精度、信息存儲(chǔ)、人機(jī)操作等方面存在的不足，提出了一種新型智能電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)以STM32RCT6為控制核心，采用新型勵(lì)磁方式，設(shè)計(jì)了電磁流量計(jì)勵(lì)磁電路，信號(hào)采集電路，并結(jié)合數(shù)字濾波等信號(hào)處理算法方法，將處理結(jié)果通過以太網(wǎng)接口輸出的同時(shí)并送給智能串口觸摸顯示，從而完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理、人機(jī)交互、通信及測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理等功能。

電磁流量計(jì)；STM32F103RCT6；W5500模塊；串口觸摸屏

0.引言

電磁流量計(jì)是20世紀(jì)中葉隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測(cè)量?jī)x表，主要應(yīng)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(yè)[1-2]。近年來，由于水處理行業(yè)的快速發(fā)展，特別是新興環(huán)保行業(yè)的發(fā)展，使得電磁流量計(jì)的銷售市場(chǎng)份額迅速增長(zhǎng)。目前，電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)一般采用單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，只能對(duì)儀表信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析與處理，其測(cè)量精度、信息存儲(chǔ)和人機(jī)操作等方面均存在著一定的局限性[3]，已不能滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中流量測(cè)量與控制的需要。為此，本文提出一種基于STM32處理器開發(fā)平臺(tái)，使用智能串口觸摸屏進(jìn)行圖形用戶界面設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)提供了友好的人機(jī)界面、大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)的智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化[4]。

1.電磁流量計(jì)測(cè)量原理

電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，用于測(cè)量管內(nèi)導(dǎo)電液體體積流量的感應(yīng)式儀表。如圖1 所示，導(dǎo)電液體在內(nèi)壁絕緣的管道中以垂直于磁場(chǎng)的方向流動(dòng)時(shí)，在與磁場(chǎng)和液體流動(dòng)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(yīng)電壓，其感應(yīng)電壓可用公式表示成：E =KBDV式中，E即流量信號(hào);K 為儀表系數(shù); B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度; D 為測(cè)量管道截面的內(nèi)徑; V為測(cè)量管道截面內(nèi)的平均流速。

圖1 電磁流量計(jì)工作原理圖

圖2 電磁流量計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖

2.電磁流量計(jì)總體設(shè)計(jì)方案介紹

電磁流量計(jì)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。儀表以STM32為核心控制器，包含電源模塊、勵(lì)磁模塊、信號(hào)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、LCD 液晶顯示模塊、以太網(wǎng)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(yè)控制、人機(jī)界面和POS機(jī)等電子產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)。儀表系統(tǒng)初始化后，由STM32 的定時(shí)器控制勵(lì)磁電路輸出勵(lì)磁信號(hào)，電磁流量傳感器感應(yīng)到勵(lì)磁信號(hào)后產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，管道中的流體在傳感器的電極上便產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)( 即所測(cè)量的流量信號(hào)) ，最后信號(hào)經(jīng)過處理電路后輸入給STM32，進(jìn)一步進(jìn)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(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)以及儀表信息; 以太網(wǎng)接口模塊完成了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸和控制，方便用戶使用計(jì)算機(jī)對(duì)多個(gè)電磁流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、管理和控制。

3.主要模塊設(shè)計(jì)方案介紹

3.1 勵(lì)磁模塊設(shè)計(jì)

電磁流量傳感器的工作磁場(chǎng)由勵(lì)磁模塊提供。勵(lì)磁技術(shù)是電磁流量計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，當(dāng)前電磁流量計(jì)的主流勵(lì)磁方式是低頻矩形波勵(lì)磁方式，其缺點(diǎn)是在磁場(chǎng)切換方向時(shí)容易產(chǎn)生微分干擾，而且零點(diǎn)穩(wěn)定性不好。針對(duì)這一缺點(diǎn)，該設(shè)計(jì)在低頻矩形波勵(lì)磁技術(shù)[5]的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了低頻三值矩形波勵(lì)磁方式[6]。低頻三值矩形波勵(lì)磁技術(shù)中，在正負(fù)方向的勵(lì)磁切換之間添加了一段零值勵(lì)磁，采樣時(shí)，零值勵(lì)磁段的電極輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)的作為流量信號(hào)的零點(diǎn)，這樣便可以動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償零點(diǎn)漂移，同時(shí)削弱了微分干擾，增強(qiáng)了流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。勵(lì)磁電路的任務(wù)是提供低頻三值矩形波磁場(chǎng)，即相同波形的勵(lì)磁電流。勵(lì)磁模塊示意圖如下圖所示。

圖3-1 勵(lì)磁電路方框圖

圖3-2 單片機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)

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(guān)、勵(lì)磁線圈等電路組成，恒流源是該電路的核心，它的穩(wěn)定性關(guān)系到測(cè)量的精度。四個(gè)電子開關(guān)受單片機(jī)控制，兩個(gè)一組交替打開。當(dāng)K1、K4打開時(shí)(K3、K2斷開)勵(lì)磁電流經(jīng)K1從左向右流過勵(lì)磁線圈;K2、K3打開時(shí)(K1、K4斷開)勵(lì)磁電流經(jīng)K3從右向左流過勵(lì)磁線圈。開關(guān)K1、K4和K2、K3分別受勵(lì)磁控制脈沖1和脈沖2的控制，在線圈上就產(chǎn)生正反交替電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，單片機(jī)通過對(duì)脈沖1和脈沖2的控制就能產(chǎn)生需要的工作磁場(chǎng)變化。

3.2 流量信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

流量信號(hào)處理模塊[7]的作用是對(duì)傳感器輸入的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)(微伏至毫伏級(jí)的交流信號(hào))進(jìn)行放大、濾波處理，然后通過AD轉(zhuǎn)換器采樣后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，最終通過LCD顯示測(cè)量值。信號(hào)處理模塊是傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)的中介，其電路原理框圖如圖3-4所示：

圖3-4 信號(hào)采集電路方框圖

由于信號(hào)傳輸線的影響和電極表面阻抗的變化，進(jìn)入信號(hào)處理電路的流量信號(hào)夾雜有微小的直流分量在內(nèi)，如果讓其直接進(jìn)入放大電路，在很大的放大倍數(shù)下，那么一對(duì)電極信號(hào)中的直流分量差值很容易使放大的信號(hào)失真，為此在信號(hào)進(jìn)行放大之前，需要經(jīng)過濾波預(yù)處理，通過高通濾波器來實(shí)現(xiàn)隔直，同時(shí)利用運(yùn)放的跟隨作用提高輸入阻抗。在預(yù)濾波處理后，需要將信號(hào)進(jìn)行放大，為了抑制干擾，將流量信號(hào)從強(qiáng)干擾背景中分離出來，需要克服共模干擾[8]。運(yùn)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(hào)以便它們不在其放大器的輸出端出現(xiàn);相反，按照典型的反相或同相放大器方式工作的運(yùn)算放大器處理共模信號(hào)，將其送至輸出端，但通常并不抑制它們。因此，在信號(hào)放大單元采用了高共模抑制比的儀用放大器傳感器產(chǎn)生的流量信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大單元阻抗轉(zhuǎn)換、抑制共模干擾電壓后，由差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，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(shù)轉(zhuǎn)換電路，必須要經(jīng)過再次放大。不過在進(jìn)入二次放大電路以前，由于測(cè)量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾，信號(hào)中仍然可能含有多種頻率成分的噪聲，嚴(yán)重情況下，這些噪聲信號(hào)會(huì)淹沒真正的流量信號(hào)，在這種情況下就要采用濾波措施，將不需要的雜散信號(hào)抑制掉，增加系統(tǒng)的信噪比[9]。同時(shí)考慮到放大后的信號(hào)仍然可能會(huì)有直流干擾，采用帶通濾波的結(jié)構(gòu)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及各類用單片機(jī)構(gòu)成的智能儀器儀表就必須先通過A/D轉(zhuǎn)換，完成將檢測(cè)出來的流量信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的功能。因此在電磁流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)中，為了準(zhǔn)確檢出流量信號(hào)，系統(tǒng)采用高精度16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8320[10]，它采用逐次逼近法，可以將模擬量轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字量表示的值，通過單片機(jī)STM32對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。

3.3 人機(jī)接口和通信接口設(shè)計(jì)

智能儀表電磁流量計(jì)的一個(gè)重要的功能是友好的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用市場(chǎng)上成熟的DGUS智能串口觸摸屏作為顯示模塊，用DGUS來開發(fā)人機(jī)界面，主要是借助PC軟件來對(duì)觸摸屏的觸摸界面切換、變量數(shù)據(jù)顯示位置、變量數(shù)據(jù)錄入等進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)把人機(jī)交互和控制過程完全分開，程序開發(fā)人員只需要編寫相關(guān)指令通過串口發(fā)送給觸摸屏乙級(jí)編寫串口接收中斷函數(shù)來處理觸摸屏的數(shù)據(jù)就可以了，大大簡(jiǎn)化了程序開發(fā)人員的工作。智能儀表電磁流量計(jì)的另一個(gè)重要功能是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。以太網(wǎng)通信電路采用市場(chǎng)上相當(dāng)成熟的W5500模塊，W5500模塊使用硬件邏輯門電路實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的傳輸層及網(wǎng)絡(luò)層（如：TCP， UDP， ICMP，IPv4， ARP， IGMP， PPPoE等協(xié)議），并集成了數(shù)據(jù)鏈路層，物理層，以及32K字節(jié)片上RAM作為數(shù)據(jù)收發(fā)緩存。使得上位機(jī)主控芯片，只需承擔(dān)TCP/IP應(yīng)用層控制信息的處理任務(wù)。從而大大節(jié)省了上位機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)復(fù)制、協(xié)議處理和中斷處理等方面的工作量，提升了系統(tǒng)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(gè)外設(shè)RAM來使用，非常簡(jiǎn)易。W5500對(duì)外接口為通用的80MHz高速SPI，接口速度快穩(wěn)定性高，用戶可以把多個(gè)電磁流量計(jì)通過以太網(wǎng)連接在一起，通過電腦就可以對(duì)每臺(tái)電磁流量計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，存儲(chǔ)等從而實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)的智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化。

4.結(jié)束語

文中介紹了基于STM32的智能電磁流量計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別從電磁流量計(jì)的測(cè)量原理，整體設(shè)計(jì)方案及主要模塊設(shè)計(jì)方案三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。該設(shè)計(jì)方案采用性能較高的32位微處理器STM32RCT6，結(jié)合電子線路技術(shù)等技術(shù)，將處理結(jié)果通過以太網(wǎng)接口輸出的同時(shí)并送給智能串口觸摸顯示，從而完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理、人機(jī)交互、通信及測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理等功能，從而實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)的智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化，預(yù)計(jì)按該設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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