[導(dǎo)讀] 根據(jù)磁阻傳感器的角位移測(cè)量原理。提出智能金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案．該方案采用低功耗MCU和高精度ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的數(shù)字化采集和智能控制．應(yīng)用LMBP算法實(shí)現(xiàn)高精度的靜態(tài)特征曲線擬合；通過(guò)裁減TCP/IP協(xié)議，在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)與用戶的數(shù)據(jù)通信。實(shí)際運(yùn)行表明，設(shè)計(jì)的流量計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
金屬管浮子流量計(jì)具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn)，在中低流速、流量的工業(yè)計(jì)量中得到了廣泛應(yīng)用。目前采用電遠(yuǎn)傳方式的流量計(jì)多以霍爾元件或電容式角位移作為傳感器，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度較低，而且不具備以太網(wǎng)接口功能。本文中作者應(yīng)用各向異性磁阻的傳感原理設(shè)計(jì)了一種能與以太網(wǎng)通信的智能金屬管浮子流量計(jì)。該流量計(jì)具有精度高、功耗低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)計(jì)量，特別是適應(yīng)了工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展需求。
1 總體設(shè)計(jì)
金屬管浮子流量計(jì)由錐形管、內(nèi)置磁鋼的浮子以及外置嵌有磁鋼的機(jī)械連桿等構(gòu)件組成。當(dāng)流量變化時(shí)，浮子在錐形管內(nèi)上下移動(dòng)，并由磁鋼耦合帶動(dòng)機(jī)械連桿旋轉(zhuǎn)一定角度。此角度與流量的大小存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，只要測(cè)出角度便可通過(guò)對(duì)應(yīng)關(guān)系求出流量。因此，對(duì)角度的精確測(cè)量是流量計(jì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。具體設(shè)計(jì)時(shí)采用Honeywell公司生產(chǎn)的磁阻傳感器HMC1501實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械連桿角位移的精確測(cè)量，選擇MSP430F449單片機(jī)作為MCU，采用CirrusLogic公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片CS8900A實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2 HMC1501磁阻傳感器的應(yīng)用
2.1 磁阻傳感器的測(cè)量原理和工作特性
鐵磁性材料通常為各向異性材料，當(dāng)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(cè)周圍磁場(chǎng)的變化。HMC1501傳感器是一種工作在磁飽和狀態(tài)下的變換器件，在此狀態(tài)下電阻對(duì)磁場(chǎng)的大小不敏感，僅與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，利用此原理就可以感測(cè)周圍磁場(chǎng)相對(duì)于傳感器的角度變化[1]。圖2顯示了HMC1501的磁場(chǎng)角度和輸出電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)磁場(chǎng)角度為-45o~+45o時(shí)輸出電壓遞減且單調(diào)性好，因此將HMC1501的有效角度范圍定義為±45o，在此范圍內(nèi)分辨率小于0.07o。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(dāng)以5V供電時(shí)功耗僅為0.76mW，由此可見(jiàn)功耗低是該傳感器的優(yōu)勢(shì)之一。該傳感器存在零點(diǎn)偏置電壓，需進(jìn)行補(bǔ)償，一般補(bǔ)償?shù)姆椒煞譃橛布a(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。但硬件補(bǔ)償需設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路，成本較高，而軟件補(bǔ)償隨著MCU處理能力的提高得到了廣泛應(yīng)用，本設(shè)計(jì)中采用軟件補(bǔ)償。
2.2 傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
為簡(jiǎn)化傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，采用了依靠單電源供電的放大器TLC27L2。這就要求OUT+點(diǎn)的電位大于OUT-點(diǎn)的電位。否則放大器的輸出就會(huì)失真。但HMC1501的典型輸出信號(hào)在-60~60mV之間，因此必須在含OUT+的支路的節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)化后的傳感器檢測(cè)電路。
2.3 LMBP算法及應(yīng)用
智能金屬管浮子流量計(jì)采用2個(gè)HMC1501傳感器和1個(gè)溫度傳感器，其中2個(gè)HMC1501一個(gè)用于感測(cè)連桿磁鋼的方向變化，另一個(gè)用于補(bǔ)償浮子磁鋼上下移動(dòng)所形成的復(fù)合磁場(chǎng)的影響，溫度傳感器感測(cè)HMC1501周圍的溫度并予以溫度補(bǔ)償，溫度傳感器的數(shù)學(xué)模型很難用解析式描述，傳統(tǒng)的做法是在不同溫度下進(jìn)行標(biāo)定，這種做法不但計(jì)算量大、占用存儲(chǔ)空間多，而且計(jì)算精度不高。鑒于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)的能力，而且無(wú)需事先確定函數(shù)形式。因此，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理傳感器靜態(tài)特性的非線性是一種較好的方法[2]，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)BP算法存在收斂速度慢和目標(biāo)函數(shù)存在局部極小等不足之處。為此，采用基于誤差平方和最小化的權(quán)值調(diào)整算法即Levenberg-Marquart算法作為對(duì)BP算法的改進(jìn)，稱之為L(zhǎng)MBP算法。BP算法以均方誤差作為性能函數(shù)，其表達(dá)式為：
（1）
式中，W為網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值向量，t為期望輸出向量（標(biāo)定值），y為實(shí)際輸出向量，e為誤差向量。LM算法結(jié)合了梯度法和高斯-牛頓法的優(yōu)點(diǎn)。具有全局性和收斂速度快的優(yōu)勢(shì)，并可通過(guò)對(duì)BP算法的修正，避免高斯-牛頓法中求解Hessian矩陣的問(wèn)題。減少了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中的計(jì)算量和內(nèi)存需求量，權(quán)值的調(diào)整公式為：
式中，μ為正常數(shù)，1為單位矩陣，en為網(wǎng)絡(luò)的誤差向量，J為以網(wǎng)絡(luò)誤差對(duì)權(quán)值的一階導(dǎo)數(shù)為元素的Jacobian矩陣,△w每次迭代時(shí)都對(duì)μ進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)誤差減小時(shí)減小μ的值，反之增加μ的值。一般情況下Jacobian矩陣的計(jì)算量較大，因此該算法比較適合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)較少的應(yīng)用場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)中使用的是典型的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。從圖中可以看出該網(wǎng)絡(luò)輸入層、輸出層、隱層的節(jié)點(diǎn)分別為3個(gè)、1個(gè)、4個(gè)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，因此使用LM算法可以取得較好的效果[3]。
3 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)
3.1 TCP/IP協(xié)議的裁減
以太網(wǎng)中的TCP/IP協(xié)議數(shù)以百計(jì)，而嵌入式系統(tǒng)的資源有限，沒(méi)有必要實(shí)現(xiàn)全部TCP/IP協(xié)議。裁減TCP/IP協(xié)議以適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的要求是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，但目前尚無(wú)統(tǒng)一的裁減標(biāo)準(zhǔn)[4]。在本應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)和數(shù)據(jù)的傳輸量較少，因此以“夠用即可”為原則，對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行合理裁減。裁減后的協(xié)議包括鏈路層中的CSMA/CD、ARP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層中的IP協(xié)議，ICMP中的Ping協(xié)議，傳輸層中的TCP、UDP協(xié)議以及應(yīng)用層中的H TTP協(xié)議。
數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是為其上層協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀，采用IEEE802.3規(guī)定的CSMA/CD協(xié)議，可使同一局域網(wǎng)上的多臺(tái)計(jì)算機(jī)共享同一物理傳輸介質(zhì)，只要采用通用的網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片CS8900A就可實(shí)現(xiàn)該協(xié)議。以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)的傳輸是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的MAC地址進(jìn)行識(shí)別的，這就要求系統(tǒng)具有從IP地址轉(zhuǎn)換到MAC地址的功能，即ARP（地址解析）協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層中的IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族的核心協(xié)議，它使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信成為可能。ICMP實(shí)現(xiàn)與其他主機(jī)或路由器交換錯(cuò)誤報(bào)文和其他重要信息，由于本設(shè)計(jì)只需測(cè)試網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通情況，因此只保留了其中的Ping協(xié)議。傳輸層中的TCP協(xié)議和UDP協(xié)議為2臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信，應(yīng)用層中的HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)以瀏覽器訪問(wèn)的方式，在以上諸多協(xié)議中以實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議最為困難。受運(yùn)算資源限制，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的有限狀態(tài)機(jī)和滑動(dòng)窗口確認(rèn)機(jī)制以及單TCP連接。另外，為過(guò)濾來(lái)訪信息。確保數(shù)據(jù)安全還實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)防火墻功能。只允許某些事先設(shè)置好的IP地址對(duì)流量計(jì)進(jìn)行訪問(wèn)，有效減輕了流量計(jì)的工作負(fù)荷。
3.2 以太網(wǎng)控制芯片CS8900A的應(yīng)用
CS8900A是一款高性能、低功耗的以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部含有802.3介質(zhì)訪問(wèn)控制塊（MAC），支持全雙工操作，具有自動(dòng)處理沖突檢測(cè)、報(bào)頭生成、CRC校驗(yàn)碼生成及其驗(yàn)證等功能；同時(shí)通過(guò)對(duì)發(fā)送控制寄存器（TCMD）的配置，MAC可以完成幀的自動(dòng)重傳[5]。設(shè)計(jì)時(shí)選擇3V供電的CS8900A-CQ3，同時(shí)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(guò)將管腳/MEMW和/MEMR置高，使CS8900A工作在簡(jiǎn)單的I/O模式，該模式占用端口資源較少。MSP430F449通過(guò)對(duì)/SBHE、/IOW和/IOR等控制信號(hào)線實(shí)現(xiàn)對(duì)CS8900A工作方式的控制和讀寫操作。
在設(shè)計(jì)中考慮到CS8900A芯片采用的是16位數(shù)據(jù)傳輸模式，因此在訪問(wèn)之前必須為總線的高位使能管腳（/SBHE）提供一個(gè)由高到低，再由低到高變化的電平信號(hào)。CS8900A通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器TRC2023以1：2.5的電壓比將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。以1：1的電壓比從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)。CS8900A芯片的初始化操作主要包括：軟件復(fù)位并檢查標(biāo)志位、設(shè)定16位工作模式、設(shè)定臨時(shí)以太網(wǎng)物理地址、設(shè)定接收幀類型、確定數(shù)據(jù)傳送方向、中斷使能以及數(shù)據(jù)收發(fā)使能等。
4 結(jié)束語(yǔ)
利用磁阻傳感器HMC1501實(shí)現(xiàn)了流量計(jì)機(jī)械連桿在±45o范圍內(nèi)角度的精確測(cè)量，并將流量計(jì)接人以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了流量測(cè)量的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。