智能磁致伸縮液位測(cè)量儀設(shè)計(jì)

楊星紅, 黃　皎， 陸曉春， 尹　濤

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

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智能磁致伸縮液位測(cè)量儀設(shè)計(jì)

楊星紅, 黃皎， 陸曉春， 尹濤

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

摘要:針對(duì)當(dāng)前液位測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的多種問題，設(shè)計(jì)了一種高精度的智能磁致伸縮液位測(cè)量儀。系統(tǒng)采用ARM Cortex—M4系列的EK—TM4C1294NCPDTI芯片作為核心控制處理器，包含電源模塊、時(shí)鐘模塊、激勵(lì)信號(hào)模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、以太網(wǎng)接口模塊、故障報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。實(shí)現(xiàn)了測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、人機(jī)交互友好，具有網(wǎng)絡(luò)化通信功能的智能液位測(cè)量儀。

關(guān)鍵詞:磁致伸縮； ARM Cortex—M4； 智能； 網(wǎng)絡(luò)化

0引言

現(xiàn)如今部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，對(duì)測(cè)量設(shè)備提出了諸多要求，如需要耐高溫高壓、抗磨損、腐蝕等，工作人員也很難近距離操控測(cè)量流程,這使得測(cè)量過程不那么輕易可行。磁致伸縮液位傳感器因其具有大量程、高精度、易維護(hù)、免定標(biāo)、長壽命和強(qiáng)適應(yīng)性等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)液位測(cè)量領(lǐng)域，滿足了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)液位測(cè)量的環(huán)境要求[1]。

由于我國自行研制的液位測(cè)量儀雖然具有一定的測(cè)量精度，能夠滿足基本測(cè)量要求，但其在操作、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)容量和兼容性上均存在一定的局限性[2]。傳統(tǒng)液位測(cè)量儀只配備了傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線方式，這對(duì)遠(yuǎn)距離的控制和訪問造成了困難，使得測(cè)量數(shù)據(jù)無法得到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

本文設(shè)計(jì)了一種智能磁致伸縮液位測(cè)量儀，具有網(wǎng)絡(luò)化接口，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警功能。

1測(cè)量儀總體概述

1.1測(cè)量原理

如圖1所示為磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)圖,包括傳感器頭部、探測(cè)桿、活動(dòng)磁鐵和阻尼器。主控制模塊向波導(dǎo)絲上施加激勵(lì)驅(qū)動(dòng)脈沖，波導(dǎo)絲周圍瞬時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，與磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)疊加，形成螺旋磁場(chǎng)，由于磁致伸縮效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)波發(fā)生瞬時(shí)形變產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，該扭轉(zhuǎn)波以已知的固定超聲波速度向兩端傳播[4],一端被阻尼器吸收，另一端被線圈檢測(cè)到。傳感器頭部感應(yīng)線圈檢測(cè)到扭轉(zhuǎn)波信號(hào)時(shí)，該時(shí)刻與驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生時(shí)刻的時(shí)間間隔為扭轉(zhuǎn)波傳播時(shí)間，該時(shí)間與扭轉(zhuǎn)波波速乘積即為活動(dòng)磁鐵的位移，即

s=v×t,

(1)

式中s為測(cè)量的位移，m；v為扭轉(zhuǎn)波傳播的速度，m/s；t為扭轉(zhuǎn)波傳播時(shí)間，s。

圖1　磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 1　Structure diagram of magnetostrictive sensor

1.2測(cè)量儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。智能磁致伸縮液位測(cè)量儀以TM4C1294NCPDTI為主控制器，包含電源模塊、時(shí)鐘復(fù)位模塊、激勵(lì)脈沖產(chǎn)生模塊、回波信號(hào)處理模塊、

故障報(bào)警模塊、觸摸屏顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及以太網(wǎng)接口通信模塊等。

本系統(tǒng)采用基于ARM Cortex—M4系列的32位處理器，頻率可達(dá)120 MHz，可提高捕獲回波脈沖的分辨率，提高時(shí)間間隔捕獲的準(zhǔn)確性,自帶睡眠模式，超低功耗。內(nèi)部集成Thumb 2指令集，內(nèi)置10/100 M以太網(wǎng)媒體訪問控制器與物理層[5]。激勵(lì)脈沖觸發(fā)傳感器進(jìn)行液位測(cè)量，信號(hào)處理模塊將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理送至處理器捕獲；10/100 M以太網(wǎng)模塊將測(cè)量結(jié)果傳送至工業(yè)以太網(wǎng)；報(bào)警模塊根據(jù)不同的錯(cuò)誤信息觸發(fā)揚(yáng)聲器報(bào)警；控制閥模塊根據(jù)檢測(cè)到的液位信息，及時(shí)調(diào)整閥、泵的開閉；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元采用SD卡接口，將大量的測(cè)量數(shù)據(jù)和報(bào)警信息以FAT32格式進(jìn)行保存；觸摸屏模塊為用戶提供友好的交互界面，直觀顯示測(cè)量信息以及更改參數(shù)設(shè)置。

圖2　智能磁致伸縮液位測(cè)量儀總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 2　Overall structure block diagram of intelligent liquid level gauge of magnetostrictive

2測(cè)量儀硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1激勵(lì)脈沖模塊

根據(jù)磁致伸縮傳感器的測(cè)量原理，為使波導(dǎo)絲產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)形變，驅(qū)動(dòng)電流脈沖必須足夠大，一般為2A左右[6],因而,需增設(shè)如圖3所示激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)電路。激勵(lì)脈沖經(jīng)三極管射極跟隨緩沖電路將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，通過N溝道增強(qiáng)型MOSFET管連接磁致伸縮位移傳感器波導(dǎo)絲輸入端，構(gòu)成回路以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。

圖3　激勵(lì)脈沖驅(qū)動(dòng)電路Fig 3　Excitation pulse drive circuit

2.2信號(hào)放大電路

如圖4所示為兩級(jí)信號(hào)放大電路。由于扭轉(zhuǎn)波經(jīng)過感應(yīng)線圈感應(yīng)變換后的回波信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減，幅值較小(約2 mV)、頻率較高、并且極易被噪聲淹沒[7],因而,選用MAXIM公司的具有高輸入阻抗、高帶寬、穩(wěn)定的放大倍數(shù)和帶寬增益積為200 MHz的雙通道運(yùn)算放大器MAX4453[8]。考慮到傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，存在外部擾動(dòng)、噪聲干擾、共模干擾等，因此,采用雙端輸入，單端輸出的差動(dòng)放大電路和同相放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大。

圖4　兩級(jí)信號(hào)放大電路Fig 4　Two-stage signal amplifier circuit

差動(dòng)放大電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)，同相放大電路則繼續(xù)對(duì)回波信號(hào)的幅值進(jìn)行放大[9]。經(jīng)過兩級(jí)放大后，又串接兩級(jí)同相放大電路，總閉環(huán)增益可達(dá)1 100倍，回波信號(hào)的可檢測(cè)性大大提高，使得傳感器的穩(wěn)定性也大大增強(qiáng)。

2.3觸摸屏模塊

觸摸屏模塊設(shè)計(jì)了多個(gè)工業(yè)化測(cè)量界面，包含測(cè)量數(shù)據(jù)顯示界面，參數(shù)設(shè)置界面、報(bào)警信息顯示界面等。參數(shù)設(shè)置界面包含液位測(cè)量上、下限值，測(cè)量數(shù)據(jù)與觸摸屏實(shí)時(shí)交互，當(dāng)超過上下限設(shè)定的值時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)關(guān)閉或啟動(dòng)相應(yīng)的控制閥。報(bào)警信息顯示界面提供當(dāng)前報(bào)警信息顯示和歷史信息查閱功能。

3測(cè)量儀軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1總體測(cè)量流程

該液位測(cè)量儀有實(shí)時(shí)測(cè)量、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、通道測(cè)試共4個(gè)工作模式。當(dāng)儀表處于實(shí)時(shí)測(cè)量模式時(shí)，其測(cè)量流程如圖5所示。

圖5　智能磁致伸縮液位測(cè)量儀實(shí)時(shí)測(cè)量工作流程圖Fig 5　Real-time measurement work flow diagram of magnetostrictive liquid level gauge

3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為方便用戶讀取測(cè)量儀歷史數(shù)據(jù)和警告信息，程序采用FAT32文件格式寫入SD卡。該文件系統(tǒng)完全采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫且源代碼開放，小巧精悍，只占用4 kB內(nèi)存，功能齊全[10]。

測(cè)量儀處理模塊采用SPI通信方式讀寫SD卡中的液位測(cè)量數(shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)時(shí)，主控制器使CS引腳為低電平，SD卡使能并處于叢機(jī)地位，SPI總線讀寫存儲(chǔ)器中的液位測(cè)量數(shù)據(jù)。主控制器產(chǎn)生SCK時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)通過SI和SO引腳將液位數(shù)據(jù)讀出和寫入存儲(chǔ)器。部分SPI讀數(shù)據(jù)程序如下所示：

unsigned char SPI_RecByte(void)

{

unsigned long ReadData=0;

SSIDataPut(SSI_BASE,0XFF);/*向SPI寫一個(gè)0xFF,以產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)時(shí)鐘*/

SSIDataGet(SSI_BASE,&ReadData);

return((unsigned char)ReadData);/*讀取收到的字節(jié)*/

}

3.3網(wǎng)絡(luò)通信功能模塊

TCP/IP協(xié)議是Internet的基本協(xié)議，協(xié)議中定義了設(shè)備如何接入因特網(wǎng)，同時(shí)規(guī)定了設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[11]。在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域中，隨著控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，TCP/IP協(xié)議運(yùn)用逐漸增多，方便了設(shè)備之間、設(shè)備與監(jiān)控平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

Modbus協(xié)議是工業(yè)上的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，ModbusTCP是Modbus協(xié)議和TCP/IP協(xié)議協(xié)議在應(yīng)用中的結(jié)合，液位測(cè)量儀的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分設(shè)計(jì)了ModbusTCP數(shù)據(jù)傳輸功能。

TCP/IP協(xié)議是眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組合，為了能夠滿足多種協(xié)議功能的需求致使TCP/IP協(xié)議棧包含眾多的協(xié)議，規(guī)模龐大。由于本系統(tǒng)中并不需要使用所有的網(wǎng)絡(luò)通信功能，因此,對(duì)TCP/IP 協(xié)議棧進(jìn)行精簡，設(shè)計(jì)的協(xié)議棧滿足需要又節(jié)約資源,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig 6　Design of protocol stack hierarchy

本系統(tǒng)將監(jiān)控終端作為Modbus TCP服務(wù)器。由于TCP是端對(duì)端的連接，在設(shè)計(jì)服務(wù)器程序時(shí)要為每一個(gè)連接建立一張TCB表，這張表記錄了對(duì)應(yīng)該連接的一些基本信息，包括通信雙方的IP 地址、端口號(hào)、當(dāng)前發(fā)送報(bào)文序號(hào)、ACK序號(hào)和最大傳輸報(bào)文長度等。TCP 初始化函數(shù)如下:

void tcp_init()

{

unsigned char socket_index;

for(socket_index=0;socket_index

{

initial_tcb(socket_index);∥初始化tcb表，將每一個(gè)連接的參數(shù)都恢復(fù)到默認(rèn)值

initial_tcp_sendbuf(socket_index);∥初始化發(fā)送緩存函數(shù)

initial_tcp_recbuf(socket_index);∥初始化接收緩存函數(shù)

}

Time_Tcp.Enable=true;

Time_Tcp.Value=1;∥定時(shí)1 s

}

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)量程為2 m 的磁致伸縮位移傳感器，將傳感器浮子磁鐵分別置于位移為50,100,150 mm處，得到6組測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1中。

表1　6組位移測(cè)量數(shù)據(jù)

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，所測(cè)位移數(shù)據(jù)均在實(shí)際位移附近小范圍波動(dòng)，其相對(duì)誤差在0.08 %之內(nèi)，精度可達(dá)0.02 %F.S，其精度符合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

5結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:本文設(shè)計(jì)的智能磁致伸縮液位測(cè)量儀達(dá)到了較高的測(cè)量精度，具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，同時(shí)還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸功能。該儀表不僅滿足了用戶的需求，同時(shí)滿足了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，具有較高的使用和推廣價(jià)值

參考文獻(xiàn):

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[2]余超，周新志，熊胤琪.Fe83Ga17磁致伸縮位移傳感器激勵(lì)信號(hào)的ANSYS分析及DSP實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(8)：4-6，80.

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[4]Texas Instruments.TM4C1294NCPDT datasheet[EB/OL].[2014—06—18].http:∥www.ti.com.

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[10] Behrouz A Forouzan.TCP/IP protocol suite[D].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

Design of intelligent magnetostrictive liquid level gauge

YANG Xing-hong, HUANG Jiao, LU Xiao-chun, YIN Tao

(College of Internet of Things Engineering,Hohai University，Changzhou 213022，China)

Abstract:Aiming at several problems in liquid level measuring and monitoring system,a high-precision intelligent magnetostrictive liquid level gauge is designed.The system uses ARM Cortex-M4 EK—TM4C1294NCPDTI chip as core control processor,includes of power supply module,clock module,excitation signal modules,signal detection module,ethernet interface module,fault alarm module,data storage module,etc.Realize intelligent liquid level gauge with networked communication function,which has high precision,good stability and friendly human-computer interface(HCI).

Key words:magnetostrictive; ARM Cortex—M4; intelligent; networked

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0118—03

收稿日期：2015—06—24

中圖分類號(hào):TP 23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)03—0118—03

作者簡介:

楊星紅(1990-)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化智能儀表。