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優化電磁流量計的整體設計方案分析
2015-09-07 07:39

 

電磁流量計淮安德通自動化儀表有限公司采用國內外最新先進技術研制、開發的全智能型流量計,與老式模擬的或非智能的電磁流量計有非常大的區別,尤其在測量精度、可靠性、穩定性、使用功能和使用壽命方面。

電磁流量計特別設計了帶背光寬溫的中文液晶顯示器,功能齊全實用、顯示直觀、操作使用方便,可以減少其他電磁流量計英文菜單所帶來的不便。另外我們獨家設計4-6多電極結構,進一步保證了測量精度并且任何時候無需接地環,減輕了儀表體積和安裝維護的麻煩,運用先進的微處理器(ARM)與數字信號處理器(DSP)相結合的高性能、通用化的計算單元,以軟件抗干擾與硬件抗干擾協同作業的方法,比較好地克服了傳統工頻交流勵磁方式下的各項干擾,更在人性化、智能化、操作簡便性和維護方便性的方面融入了紅外遙控、WEB服務器接口等功能,實現了電磁流量計的最優化的設計方案。

一、電磁流量計硬件結構設計

通過對電磁流量計的方案選擇,并綜合國內外電磁流量計產品的智能化、集成化、網絡化的發展趨勢,設計硬件系統結構

硬件系統框圖
電磁流量計的硬件子系統主要由雙處理器模塊、可編程邏輯器件模塊、信號輸入模塊、勵磁輸出模塊、信號輸出模塊、HART接口模塊、WEB服務器接口模塊、顯示模塊、調試接口模塊、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以及相關電路構成最小系統,同時軟件系統的硬件平臺。
可編程邏輯器件模塊:利用復雜可編程邏輯器件(CPLD)實現ARM與DSP的串行轉并行通信,并產生4-20mA電流輸出脈沖、流量積算脈沖。
信號輸入模塊:將傳感器輸出的電極弱信號、參考信號以及反饋的勵磁信號進行放大以及轉化為數字量,以便送入數字信號處理器(DSP)進行軟件濾波處理。
勵磁輸出模塊:通過D/A轉換器輸出低幅值產生勵磁信號,并通過功率放大輸出給傳感器,勵磁信號方式由DSP控制產生。
信號輸出模塊: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化。
HART接口模塊:ARM的UART1接口作為與HART輸出板的接口,以便實現與控制系統的接口。
WEB服務器接口模塊:由10M以太網控制芯片構成,以便軟件上實現用戶的遠程在線修改儀表參數等功能。
顯示模塊:由51單片機、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行系統參數設定,并有OLED顯示屏顯示瞬時流量、累積流量,同時為了滿足不同語種的要求,本系統還可以顯示英文界面。
調試接口模塊:由JTAG接口和ISP接口組成。
電源模塊:為整個系統提供多種等級的穩定可靠的電源。
二、電磁流量計方案選擇

考慮到高端電磁流量計除滿足流量結算、累積流量、空管檢測等一般功能需要,還要有HART通信、WEB服務器等功能,以及實現數字濾波算法的需要,所以本系統在電磁流量計轉換器的核心結構上采用ARM+DSP方式,組成一個高性能的計算平臺。并由于雙處理器板間通信布線的限制以及通用性的要求,進而選擇了可編程邏輯器件,來實現ARM與DSP的串行轉并行通信。
采用ARM+DSP的結構可以完成多項并行任務和復雜算法這兩方面高端電磁流量計核心處理能力的需求;在通信上,傳統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,可實現的組合邏輯或時序邏輯功能簡單,而采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)可以實現復雜的時序邏輯,和復在的脈沖聲稱功能,器件本身還具有在線調試功能,抗干擾性強的特點,所以在ARM和DSP兩顆核心處理器上的通信上復雜可編程邏輯器件成為首選。
三、電磁流量計軟件功能設計

軟件系統主要包含如下模塊:信號采樣模塊、系統監控模塊、系統算法實現模塊、人際交互模塊、芯片間的通訊程序模塊和數字濾波模塊。

1、信號采集模塊

信號采集模塊完成對電極信號、參考信號、勵磁電壓信號、勵磁電流信號的采集功能,在系統實現上,它是通過數字信號處理器(DSP)的中斷來接受A/D轉換器采集的數據,本系統采用了高精度的A/D轉換器復雜可編程邏輯器件,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),要想實現數據的實時采集,必須先初始化A/D轉換器,系統中是通過DSP中斷程序1來實現給A/D送控制字,DSP中斷程序2來采集需要的六路數據。

2、系統監控模塊

系統監控模塊主要包含系統自診斷模塊、系統功能檢測模塊、系統錯誤報警模塊和系統日志模塊。
系統自診斷模塊完成對系統工作狀態的診斷,判斷系統工作是否正常,系統是否處于異常狀態,根據不同的現象給出對應的出錯報警。
系統功能檢測模塊完成系統可實現功能檢測,檢測的功能包括系統的顯示、系統瞬時流量的仿真輸出、系統的電流輸出、系統的脈沖輸出、被測流體的流向、數據存儲器件FRAM、空管檢測、絕緣檢測、各參數的手動或自動調整,系統報警設置、累計流量復位。
系統錯誤報警模塊完成系統由于異常事件而引起系統工作不正常,流量超過規定范圍等給出出錯報警。
系統日志模塊完成系統工作情況的記錄,如系統掉電次數、DSP復位記錄、出錯次數記錄和出錯內容、報警次數和報警內容。系統工作的勵磁頻率,系統的工作上下限,系統已完成的累計流量歷史記錄。這是增加系統與用戶友好交互的一個功能。
3、芯片間數據通信模塊
數據通信模塊完成ARM微處理器將DSP程序下載到DSP芯片的內部RAM中,以及ARM微處理器和DSP數字信號處理器之間數據的交換。本通訊模塊是建立在DSP芯片內部具有的主機接口部件之上的,通過對它的編程設計來實現ARM微處理器和DSP實時數據傳輸。
4、系統算法實現模塊
系統算法實現模塊完成系統進行的算法,包括瞬時流量的計算、累計流量的計算、勵磁系數的調整、電流輸出的計算、脈沖輸出的計算、系統工作零點調節算法、系統電氣零點調節算法、系統標定系數調節算法、系統正負滿量程調節算法、瞬時流量表示方式轉換算法等。
5、人機交互模塊
人機交互模塊包括顯示模塊、按鍵檢測模塊和外部觸發處理模塊。
顯示模塊完成被測流體流向的顯示、瞬時流量多種表示方式的顯示、累計流量多種表示方式的顯示、勵磁系數放大增益的顯示、電極數值的顯示、參考數值的顯示、系統菜單的顯示、系統錯誤報警的顯示等20多種顯示信息。
按鍵檢測模塊完成按鍵被按下后所代表的數值,通知系統進行相應的操作。
外部觸發處理模塊完成外部觸發按鈕的響應任務,本系統設計的外部觸發按鈕主要是外部芯片復位、外部調零、外部累計流量復位。
6、數字濾波模塊
數字濾波模塊完成對由A/D采集過來數據的數字濾波。本模塊十分重要,它是在模擬濾波器無法消除各項干擾信號的基礎上提出來的,它濾波效果的好壞直接影響到系統的零點穩定性、系統的精度要求。為了消除由于工頻正弦波勵磁而引起的系統零點不穩定,我們通過對大量現場數據的研究和分析,得出在某一頻段范圍內,工業現場周圍環境對系統零點的影響幾乎不存在,因此,我們提出了用本段頻率作為正弦波的勵磁頻率,通過所設計的數字濾波器將其它干擾信號除去后,系統內所有數據均以此為基準,實現整個系統的零點穩定,高精度的要求。
四、結論

實驗室和現場用戶級測試表明,該系統具備良好的抗干擾能力以及穩定性,對固液兩相難測流體如砂漿、礦漿等具有良好的應用效果,流量輸出晃動等主要技術指標有明顯優勢。



淮安德通自動化儀表有限公司主營產品:電磁流量計外夾式超聲波流量計手持式超聲波流量計便攜式超聲波流量計超聲波明渠流量計液體渦輪流量計橢圓齒輪流量計金屬管轉子流量計渦街流量計V錐流量計重錘式料位計雷達物位計玻璃管式液位計磁翻板液位計、壓力儀表、溫度儀表、液位儀表、流量計、變送器、校驗儀表等。







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