基于以太網的智能金屬管浮子流量計

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

金屬管浮子流量計具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點，在中低流速、流量的工業計量中得到了廣泛應用。目前采用電遠傳方式的流量計多以霍爾元件或電容式角位移作為傳感器，不但結構復雜、精度較低，而且不具備以太網接口功能。本文中作者應用各向異性磁阻的傳感原理設計了一種能與以太網通信的智能金屬管浮子流量計。該流量計具有精度高、功耗低、設計簡單等特點，可廣泛應用于工業計量，特別是適應了工業以太網的發展需求。

      1 總體設計

      金屬管浮子流量計由錐形管、內置磁鋼的浮子以及外置嵌有磁鋼的機械連桿等構件組成。當流量變化時，浮子在錐形管內上下移動，并由磁鋼耦合帶動機械連桿旋轉一定角度。此角度與流量的大小存在著一一對應的關系，只要測出角度便可通過對應關系求出流量。因此，對角度的測量是流量計設計的關鍵。具體設計時采用Honeywell公司生產的磁阻傳感器HMC1501實現對機械連桿角位移的測量，選擇MSP430F449單片機作為MCU，采用CirrusLogic公司生產的以太網控制芯片CS8900A實現網絡互聯。系統的總體設計框圖如圖1所示。

      2 HMC1501磁阻傳感器的應用

      2.1 磁阻傳感器的測量原理和工作特性

      鐵磁性材料通常為各向異性材料，當采用特殊工藝將其制成薄膜狀的電阻元件后，便可用于感測周圍磁場的變化。HMC1501傳感器是一種工作在磁飽和狀態下的變換器件，在此狀態下電阻對磁場的大小不敏感，僅與磁場的方向有關，利用此原理就可以感測周圍磁場相對于傳感器的角度變化^[1]。圖2顯示了HMC1501的磁場角度和輸出電壓之間的對應關系，當磁場角度為-45^o~+45^o時輸出電壓遞減且單調性好，因此將HMC1501的有效角度范圍定義為±45^o，在此范圍內分辨率小于0.07^o。典型橋路的電阻和輸出電壓分別為33kΩ和-60~60mV，橋路供電電壓較寬（1~24 V），當以5V供電時功耗僅為0.76mW，由此可見功耗低是該傳感器的優勢之一。該傳感器存在零點偏置電壓，需進行補償，一般補償的方法可分為硬件補償和軟件補償。但硬件補償需設計復雜的電路，成本較高，而軟件補償隨著MCU處理能力的提高得到了廣泛應用，本設計中采用軟件補償。

      2.2 傳感器檢測電路設計

      為簡化傳感器檢測電路設計，采用了依靠單電源供電的放大器TLC27L2。這就要求OUT+點的電位大于OUT-點的電位。否則放大器的輸出就會失真。但HMC1501的典型輸出信號在-60~60mV之間，因此必須在含OUT+的支路的節點2和模擬地之間串接一阻值大于243Ω的電阻。為保證一定的冗余度，該電阻取300Ω，圖3為簡化后的傳感器檢測電路。

      2.3 LMBP算法及應用

      智能金屬管浮子流量計采用2個HMC1501傳感器和1個溫度傳感器，其中2個HMC1501一個用于感測連桿磁鋼的方向變化，另一個用于補償浮子磁鋼上下移動所形成的復合磁場的影響，溫度傳感器感測HMC1501周圍的溫度并予以溫度補償，溫度傳感器的數學模型很難用解析式描述，傳統的做法是在不同溫度下進行標定，這種做法不但計算量大、占用存儲空間多，而且計算精度不高。鑒于人工神經網絡能夠完成任意的非線性映射。其中BP算法（Back Propagation）具有以任意精度逼近任何非線性函數的能力，而且無需事先確定函數形式。因此，利用BP神經網絡處理傳感器靜態特性的非線性是一種較好的方法^[2]，但實際應用時BP算法存在收斂速度慢和目標函數存在局部極小等不足之處。為此，采用基于誤差平方和zui小化的權值調整算法即Levenberg-Marquart算法作為對BP算法的改進，稱之為LMBP算法。BP算法以均方誤差作為性能函數，其表達式為：

                    （1）

      式中，W為網絡的權值向量，t為期望輸出向量（標定值），y為實際輸出向量，e為誤差向量。LM算法結合了梯度法和高斯-牛頓法的優點。具有全局性和收斂速度快的優勢，并可通過對BP算法的修正，避免高斯-牛頓法中求解Hessian矩陣的問題。減少了網絡訓練中的計算量和內存需求量，權值的調整公式為：

     

      式中，μ為正常數，1為單位矩陣，en為網絡的誤差向量，J為以網絡誤差對權值的一階導數為元素的Jacobian矩陣,△w每次迭代時都對μ進行自適應調整，當網絡誤差減小時減小μ的值，反之增加μ的值。一般情況下Jacobian矩陣的計算量較大，因此該算法比較適合網絡規模不大、網絡參數較少的應用場合，本設計中使用的是典型的3層網絡結構，如圖4所示。從圖中可以看出該網絡輸入層、輸出層、隱層的節點分別為3個、1個、4個，網絡規模較小，因此使用LM算法可以取得較好的效果^[3]。

      3 以太網結構的實現

      3.1 TCP/IP協議的裁減

      以太網中的TCP/IP協議數以百計，而嵌入式系統的資源有限，沒有必要實現全部TCP/IP協議。裁減TCP/IP協議以適應工業以太網應用的要求是當前的一個研究熱點，但目前尚無統一的裁減標準^[4]。在本應用中，由于網絡的連接數和數據的傳輸量較少，因此以“夠用即可”為原則，對TCP/IP協議進行合理裁減。裁減后的協議包括鏈路層中的CSMA/CD、ARP協議，網絡層中的IP協議，ICMP中的Ping協議，傳輸層中的TCP、UDP協議以及應用層中的H TTP協議。

      數據鏈路層的主要作用是為其上層協議發送和接收數據幀，采用IEEE802.3規定的CSMA/CD協議，可使同一局域網上的多臺計算機共享同一物理傳輸介質，只要采用通用的網絡接口控制芯片CS8900A就可實現該協議。以太網上數據的傳輸是通過網絡的MAC地址進行識別的，這就要求系統具有從IP地址轉換到MAC地址的功能，即ARP（地址解析）協議。網絡層中的IP協議是TCP/IP協議族的核心協議，它使異構網絡之間的通信成為可能。ICMP實現與其他主機或路由器交換錯誤報文和其他重要信息，由于本設計只需測試網絡聯通情況，因此只保留了其中的Ping協議。傳輸層中的TCP協議和UDP協議為2臺主機上的應用程序提供端到端的通信，應用層中的HTTP協議實現以瀏覽器訪問的方式，在以上諸多協議中以實現TCP協議zui為困難。受運算資源限制，只能實現簡化的有限狀態機和滑動窗口確認機制以及單TCP連接。另外，為過濾來訪信息。確保數據安全還實現了簡易網絡防火墻功能。只允許某些事先設置好的IP地址對流量計進行訪問，有效減輕了流量計的工作負荷。

      3.2 以太網控制芯片CS8900A的應用

      CS8900A是一款高性能、低功耗的以太網控制芯片，內部含有802.3介質訪問控制塊（MAC），支持全雙工操作，具有自動處理沖突檢測、報頭生成、CRC校驗碼生成及其驗證等功能；同時通過對發送控制寄存器（TCMD）的配置，MAC可以完成幀的自動重傳[5]。設計時選擇3V供電的CS8900A-CQ3，同時為了便于和MSP430F449之間的電平匹配，在MSP430F449與CS8900A之間采用圖5所示的硬件接口^[6]。通過將管腳/MEMW和/MEMR置高，使CS8900A工作在簡單的I/O模式，該模式占用端口資源較少。MSP430F449通過對/SBHE、/IOW和/IOR等控制信號線實現對CS8900A工作方式的控制和讀寫操作。

      在設計中考慮到CS8900A芯片采用的是16位數據傳輸模式，因此在訪問之前必須為總線的高位使能管腳（/SBHE）提供一個由高到低，再由低到高變化的電平信號。CS8900A通過網絡隔離變壓器TRC2023以1：2.5的電壓比將數據發送到網絡。以1：1的電壓比從網絡接收數據。CS8900A芯片的初始化操作主要包括：軟件復位并檢查標志位、設定16位工作模式、設定臨時以太網物理地址、設定接收幀類型、確定數據傳送方向、中斷使能以及數據收發使能等。

      4 結束語

      利用磁阻傳感器HMC1501實現了流量計機械連桿在±45^o范圍內角度的測量，并將流量計接人以太網，實現了流量測量的智能化和網絡化，實際運行表明該系統工作穩定、可靠。