楊星紅, 黃　皎， 陸曉春， 尹　濤

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

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智能磁致伸縮液位測量儀設計

楊星紅, 黃皎， 陸曉春， 尹濤

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

摘要:針對當前液位測量監(jiān)測系統(tǒng)中存在的多種問題，設計了一種高精度的智能磁致伸縮液位測量儀。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、時鐘模塊、激勵信號模塊、信號檢測模塊、以太網(wǎng)接口模塊、故障報警模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等。實現(xiàn)了測量精度高、穩(wěn)定性好、人機交互友好，具有網(wǎng)絡化通信功能的智能液位測量儀。

關鍵詞:磁致伸縮； ARM Cortex—M4； 智能； 網(wǎng)絡化

0引言

現(xiàn)如今部分工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對測量設備提出了諸多要求，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量流程,這使得測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、免定標、長壽命和強適應性等特點，目前廣泛應用于工業(yè)液位測量領域，滿足了工業(yè)現(xiàn)場對液位測量的環(huán)境要求[1]。

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

本文設計了一種智能磁致伸縮液位測量儀，具有網(wǎng)絡化接口，能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸與存儲，實時監(jiān)測與報警功能。

1測量儀總體概述

1.1測量原理

如圖1所示為磁致伸縮傳感器結構圖,包括傳感器頭部、探測桿、活動磁鐵和阻尼器。主控制模塊向波導絲上施加激勵驅(qū)動脈沖，波導絲周圍瞬時產(chǎn)生電磁場，與磁鐵產(chǎn)生的軸向磁場疊加，形成螺旋磁場，由于磁致伸縮效應，扭轉波發(fā)生瞬時形變產(chǎn)生扭轉波，該扭轉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，另一端被線圈檢測到。傳感器頭部感應線圈檢測到扭轉波信號時，該時刻與驅(qū)動脈沖產(chǎn)生時刻的時間間隔為扭轉波傳播時間，該時間與扭轉波波速乘積即為活動磁鐵的位移，即

s=v×t,

(1)

式中s為測量的位移，m；v為扭轉波傳播的速度，m/s；t為扭轉波傳播時間，s。

圖1　磁致伸縮傳感器結構圖Fig 1　Structure diagram of magnetostrictive sensor

1.2測量儀系統(tǒng)設計

如圖2所示為系統(tǒng)的總體結構框圖。智能磁致伸縮液位測量儀以TM4C1294NCPDTI為主控制器，包含電源模塊、時鐘復位模塊、激勵脈沖產(chǎn)生模塊、回波信號處理模塊、

故障報警模塊、觸摸屏顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及以太網(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120 MHz，可提高捕獲回波脈沖的分辨率，提高時間間隔捕獲的準確性,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]。激勵脈沖觸發(fā)傳感器進行液位測量，信號處理模塊將采集到的信號進行處理送至處理器捕獲；10/100 M以太網(wǎng)模塊將測量結果傳送至工業(yè)以太網(wǎng)；報警模塊根據(jù)不同的錯誤信息觸發(fā)揚聲器報警；控制閥模塊根據(jù)檢測到的液位信息，及時調(diào)整閥、泵的開閉；數(shù)據(jù)存儲單元采用SD卡接口，將大量的測量數(shù)據(jù)和報警信息以FAT32格式進行保存；觸摸屏模塊為用戶提供友好的交互界面，直觀顯示測量信息以及更改參數(shù)設置。

圖2　智能磁致伸縮液位測量儀總體結構框圖Fig 2　Overall structure block diagram of intelligent liquid level gauge of magnetostrictive

2測量儀硬件模塊設計

2.1激勵脈沖模塊

根據(jù)磁致伸縮傳感器的測量原理，為使波導絲產(chǎn)生較大的扭轉形變，驅(qū)動電流脈沖必須足夠大，一般為2A左右[6],因而,需增設如圖3所示激勵脈沖驅(qū)動電路。激勵脈沖經(jīng)三極管射極跟隨緩沖電路將脈沖信號進行放大，通過N溝道增強型MOSFET管連接磁致伸縮位移傳感器波導絲輸入端，構成回路以驅(qū)動傳感器工作。

圖3　激勵脈沖驅(qū)動電路Fig 3　Excitation pulse drive circuit

2.2信號放大電路

如圖4所示為兩級信號放大電路。由于扭轉波經(jīng)過感應線圈感應變換后的回波信號會發(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、噪聲干擾、共模干擾等，因此,采用雙端輸入，單端輸出的差動放大電路和同相放大電路對回波信號進行多級放大。

圖4　兩級信號放大電路Fig 4　Two-stage signal amplifier circuit

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

2.3觸摸屏模塊

觸摸屏模塊設計了多個工業(yè)化測量界面，包含測量數(shù)據(jù)顯示界面，參數(shù)設置界面、報警信息顯示界面等。參數(shù)設置界面包含液位測量上、下限值，測量數(shù)據(jù)與觸摸屏實時交互，當超過上下限設定的值時，就會啟動蜂鳴器報警，同時關閉或啟動相應的控制閥。報警信息顯示界面提供當前報警信息顯示和歷史信息查閱功能。

3測量儀軟件模塊設計

3.1總體測量流程

該液位測量儀有實時測量、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)查詢、通道測試共4個工作模式。當儀表處于實時測量模式時，其測量流程如圖5所示。

圖5　智能磁致伸縮液位測量儀實時測量工作流程圖Fig 5　Real-time measurement work flow diagram of magnetostrictive liquid level gauge

3.2數(shù)據(jù)存儲模塊

為方便用戶讀取測量儀歷史數(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)完全采用標準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]。

測量儀處理模塊采用SPI通信方式讀寫SD卡中的液位測量數(shù)據(jù)。程序設計時，主控制器使CS引腳為低電平，SD卡使能并處于叢機地位，SPI總線讀寫存儲器中的液位測量數(shù)據(jù)。主控制器產(chǎn)生SCK時鐘信號，同時通過SI和SO引腳將液位數(shù)據(jù)讀出和寫入存儲器。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0xFF,以產(chǎn)生讀數(shù)據(jù)時鐘*/

SSIDataGet(SSI_BASE,&ReadData);

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

}

3.3網(wǎng)絡通信功能模塊

TCP/IP協(xié)議是Internet的基本協(xié)議，協(xié)議中定義了設備如何接入因特網(wǎng)，同時規(guī)定了設備間的數(shù)據(jù)傳輸標準[11]。在工業(yè)測量領域中，隨著控制技術網(wǎng)絡化的發(fā)展，TCP/IP協(xié)議運用逐漸增多，方便了設備之間、設備與監(jiān)控平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸。

Modbus協(xié)議是工業(yè)上的事實標準，ModbusTCP是Modbus協(xié)議和TCP/IP協(xié)議協(xié)議在應用中的結合，液位測量儀的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸部分設計了ModbusTCP數(shù)據(jù)傳輸功能。

TCP/IP協(xié)議是眾多網(wǎng)絡協(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)絡通信功能，因此,對TCP/IP 協(xié)議棧進行精簡，設計的協(xié)議棧滿足需要又節(jié)約資源,其結構如圖6所示。

圖6　協(xié)議棧層次結構設計Fig 6　Design of protocol stack hierarchy

本系統(tǒng)將監(jiān)控終端作為Modbus TCP服務器。由于TCP是端對端的連接，在設計服務器程序時要為每一個連接建立一張TCB表，這張表記錄了對應該連接的一些基本信息，包括通信雙方的IP 地址、端口號、當前發(fā)送報文序號、ACK序號和最大傳輸報文長度等。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，將每一個連接的參數(shù)都恢復到默認值

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1 s

}

4實驗結果

實驗設計量程為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組測量的實驗數(shù)據(jù)列于表1中。

表1　6組位移測量數(shù)據(jù)

從表1的實驗數(shù)據(jù)分析可知，所測位移數(shù)據(jù)均在實際位移附近小范圍波動，其相對誤差在0.08 %之內(nèi)，精度可達0.02 %F.S，其精度符合測量標準。

5結論

實驗數(shù)據(jù)表明:本文設計的智能磁致伸縮液位測量儀達到了較高的測量精度，具有較好的重復性和穩(wěn)定性，同時還具有強大的數(shù)據(jù)存儲和傳輸功能。該儀表不僅滿足了用戶的需求，同時滿足了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求，具有較高的使用和推廣價值

參考文獻:

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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信號的ANSYS分析及DSP實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器，2012(8)：4-6，80.

[3]于希文，趙輝，劉偉文，等.磁致伸縮位移傳感器感應信號的分子調(diào)理[J].大連交通大學學報，2013,34(3):56-60.

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

[5]馮建，趙輝，劉偉文，等.磁致伸縮位移傳感器電路系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術，2010,33(1):11-13.

[6]馮希辰，周新志，余超.磁致伸縮位移傳感器回波信號濾波器設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(6):104-107.

[7]Maxim Integrated.MAX4453 datasheet[EB/OL].[2005—09—10].http:∥www.maxim integrated.com.

[8]楊宗旺，周新志.磁致伸縮位移測量的研究與回波信號的分析與處理[J].儀表技術與傳感器，2012(11):177-180.

[9]李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲器設計[J].測控技術，2011,30(12):79-81.

[10] Behrouz A Forouzan.TCP/IP protocol suite[D].北京：清華大學出版社，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:TP 23

文獻標識碼:A

文章編號: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，主要研究方向為網(wǎng)絡化智能儀表。