基于ARM920T核的电磁流量仪表的开发

随着流量检测仪器的技术发展，对流量的测量仪表提出了更高的应用需求。传统的流量检测仪表一般依据各自的测量机理，通过简单的信息分析处理来完成测量工作。因此，在处理能力、测量精度、误差修正、功能扩展等方面都存在着局限性。新一代流量检测仪器将以更优良的性能取而代之。目前,高速、高精度、大容量的嵌入式处理器在控制和测量领域的应用越来越普遍。

1 电磁流量仪表的基本原理

电磁流量仪表是依据法拉第电磁感应定律来测量管内流体流量的测量装置，现把电磁流量仪表传感器原理说明，如图1 所示。



图1 电磁流量仪表传感器原理图

当流体在管道内流动经过一横向磁场B的时候，相当于有一定电导率的导体在切割磁力线，形成动生电动势和感生电流，通过管道径向两电极可以引出该电动势E，其大小与磁场B、流速V和管径D成正比,即：

E = B·V·D （1.1）

流体的体积流量Q与流速V和管道内截面成正比，只要测量出两电极之间的电动势E，即可确定流量Q。

Q = V·πD2/4 =πD·E/4B （1.2）

当励磁电流、管道尺寸和流体密度ρ确定的情况下，流体的质量M 仅取决于对两电极间的感应电势 E 的检测。电磁流量仪表的数学模型为:

M = Coe·ρ （E-E0）·x （1.3）

其中: Coe 为仪表系数;E0 为仪表零点修正;x 为多段非线性修正。

2 系统组成结构

电磁流量仪表由测量装置和电路两部分组成 ,电路部分主要由检测输入模块、励磁输出模块、流量输出模块、图形显示模块、键盘模块、通信及调试接口、电源模块、以及最重要的基于 ARM9 嵌入式系统的核心板组成。图2 给出了嵌入式电磁流量仪表的系统框图。



图2 电磁流量仪表系统结构框图

系统经过初始化之后，核心板向励磁模块输出一数字量的励磁信号，经过 D/A 转换和电流放大，驱动传感器的励磁线圈产生一定强度的磁场。传感器的流速感应电极送出微弱的感应信号经过输入模块的放大滤波处理，经过 A/D 转换成数字量输入ARM9 处理器，进一步进行数字分析处理。通过显示模块直接显示瞬时流量、累积流量和动态流量图形。另外由流量输出模块输出 4～20 mA 的标准的智能仪表瞬时流量信号。

2.1 检测输入及 A/ D 转换电路

1. A/D信号的转换机理

A/D转换器是将模拟量信号转换成数字量信号的电路。模拟量可以是电压或电流信号。对于声、光、压力、温度、湿度等随时间和状态连续变化的非电信号的物理量，可通过合适的非电信号的物理量传感器（如液位传感器、压力传感器、温度传感器、光电传感器）转换成电信号。模拟量只有转换成数字量才能被LED数码显示和自动化控制。或被计算机采集、分析、计算。目前，A/D转换的种类很多，根据转换原理可以分为逐次逼近式、双积分式。常见的A/D转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位等多种。 A/D转换过程包括取样、保持、量化、编码4个步骤，一般前2个步骤在取样保持电路中1次性完成，后2个步骤在A/D转换电路中1次性完成。

2. 检测输入模块

检测输入模块包括差分测量放大器、低通和高通滤波器、增益放大器以及 A/D 转换电路，如图3所示。



图3输入及 A/ D 转换电路框图

由于电磁流量仪表的电极输出信号非常微弱，一般只0—10mV数量级，而且，工业环境干扰非常大。因此，为了保证测量精度，送入 A/D 转换的输入信号应达到- 215～+ 215V 的范围，其模拟部分电压增益应该在60dB以上。其中，前置放大器采用差分输入的仪表用放大器AD620，高通滤波和低通滤波采用二阶有源滤波器形成带通滤波器滤除工频干扰及杂波，放大器采用运放CA3240A完成。A/D 转换单元采用 MAX1297AEEG实现12位并行模数转换，直接与核心板的I/O线连接。

2.2 励磁输出电路

电磁流量仪表的励磁电路的任务是向励磁线圈提供一稳定的驱动电流。电流波形为方波、三值方波和梯形波等形式，波形变化的目的是结合信号处理电路，分析在不同励磁方式下电磁流量仪表的精确度、零点稳定性和抗干扰能力等多项指标。为研制高精度电磁流量计作探索性研究。该电路由核心板的SPI2 口输出数字量，经过 D/ A 转换形成模拟信号，经V/I转换激励和带有电流负反馈的电流放大器输出，适合各种励磁波形的变化。结构框图如图 4所示。D/ A 转换电路采用 AD7243 芯片，实现 12 位的 SPI同步串行输入 ， - 5～ + 5 V 的双极性输出。与 ARM9 核心板的SPI2口对接，如图4所示。



图4 励磁电路框图

激励放大器采用 CA3240A 运放，其特点是电源电压高，能获得较大的输出动态范围。电流放大利用两对复合管实现，要求管子尽可能配对。接入励磁线圈后，引入大环路的电流负反馈，稳定输出励磁电流。