一种优化的电磁流量计的整体设计方案分析

电磁流量计作为一种精密的流量测量仪表，是通过一整套系统的相互相作而进行工作的，不仅要考虑到硬件因素，也要对软件部分的工作效果进行评价与分析，本文通过对于用户的实际需求及国内外电磁流量计励磁技术分析研究的的基础上，提出并实现了以交流励磁作为电磁流量计的励磁方式、HART通信接口等功能。特别是对于抗干扰的性能提出了更为理想的解决方法。通过分析了软硬件各种抗干扰措施、用户的需求，运用先进的微处理器(ARM)与数字信号处理器(DSP)相结合的高性能、通用化的计算单元，以软件抗干扰与硬件抗干扰协同作业的方法，比较好地克服了传统工频交流励磁方式下的各项干扰，更在人性化、智能化、操作简便性和维护方便性的方面融入了红外遥控、WEB服务器接口等功能，实现了电磁流量计的最优化的设计方案。

　　
1.电磁流量计方案选择
　　考虑到高端电磁流量计除满足流量结算、累积流量、空管检测等一般功能需要，还要有HART通信、WEB服务器等功能，以及实现数字滤波算法的需要，所以本系统在电磁流量计转换器的核心结构上采用ARM+DSP方式，组成一个高性能的计算平台。并由于双处理器板间通信布线的限制以及通用性的要求，进而选择了可编程逻辑器件，来实现ARM与DSP的串行转并行通信。
　　采用ARM+DSP的结构可以完成多项并行任务和复杂算法这两方面高端电磁流量计核心处理能力的需求；在通信上，传统的一般选用通用的逻辑器件，这样功耗大，布线麻烦，抗干扰性差，可实现的组合逻辑或时序逻辑功能简单，而采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)可以实现复杂的时序逻辑，和复在的脉冲声称功能，器件本身还具有在线调试功能，抗干扰性强的特点，所以在ARM和DSP两颗核心处理器上的通信上复杂可编程逻辑器件成为首选。
　　
2.电磁流量计硬件结构设计
　　通过对电磁流量计的方案选择，并综合国内外电磁流量计产品的智能化、集成化、网络化的发展趋势，硬件系统结构如图所示。
　　硬件系统框图
　　电磁流量计的硬件子系统主要由双处理器模块、可编程逻辑器件模块、信号输入模块、励磁输出模块、信号输出模块、HART接口模块、WEB服务器接口模块、显示模块、调试接口模块、电源模块等组成。各模块的功能描述如下：
　　双处理器核心模块：由ARM处理器、DSP处理器、Flash、SRAM、FRAM以及相关电路构成最小系统，同时软件系统的硬件平台。
　　可编程逻辑器件模块：利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现ARM与DSP的串行转并行通信，并产生4-20mA电流输出脉冲、流量积算脉冲。
　　信号输入模块：将传感器输出的电极弱信号、参考信号以及反馈的励磁信号进行放大以及转化为数字量，以便送入数字信号处理器(DSP)进行软件滤波处理。
　　励磁输出模块：通过D/A转换器输出低幅值产生励磁信号，并通过功率放大输出给传感器，励磁信号方式由DSP控制产生。
　　信号输出模块：由程序控制的4-20mA电流、流量积算脉冲输出，模拟输出电路得到简化。
　　HART接口模块：ARM的UART1接口作为与HART输出板的接口，以便实现与控制系统的接口。
　　WEB服务器接口模块：由10M以太网控制芯片构成，以便软件上实现用户的远程在线修改仪表参数等功能。
　　显示模块：由51单片机、红外遥控接收器、OLED显示屏和按键组成，方便用户操作、观察流量信息。用户可以通过按键或红外遥控器进行系统参数设定，并有OLED显示屏显示瞬时流量、累积流量，同时为了满足不同语种的要求，本系统还可以显示英文界面。
　　调试接口模块：由JTAG接口和ISP接口组成。
　　电源模块：为整个系统提供多种等级的稳定可靠的电源。
　
　3.电磁流量计软件功能设计
　　软件系统主要包含如下模块：信号采样模块、系统监控模块、系统算法实现模块、人际交互模块、芯片间的通讯程序模块和数字滤波模块。
　　3.1信号采集模块
　　信号采集模块完成对电极信号、参考信号、励磁电压信号、励磁电流信号的采集功能，在系统实现上，它是通过数字信号处理器(DSP)的中断来接受A/D转换器采集的数据，本系统采用了高精度的A/D转换器复杂可编程逻辑器件，此A/D芯片可以采集六路信息，它与DSP芯片直接相连，相互间的接口为DSP的多通道缓冲串行接口(McBSP)，要想实现数据的实时采集，必须先初始化A/D转换器，系统中是通过DSP中断程序1来实现给A/D送控制字，DSP中断程序2来采集需要的六路数据。
　　3.2系统监控模块
　　系统监控模块主要包含系统自诊断模块、系统功能检测模块、系统错误报警模块和系统日志模块。
　　系统自诊断模块完成对系统工作状态的诊断，判断系统工作是否正常，系统是否处于异常状态，根据不同的现象给出对应的出错报警。
　　系统功能检测模块完成系统可实现功能检测，检测的功能包括系统的显示、系统瞬时流量的仿真输出、系统的电流输出、系统的脉冲输出、被测流体的流向、数据存储器件FRAM、空管检测、绝缘检测、各参数的手动或自动调整，系统报警设置、累计流量复位。
　　系统错误报警模块完成系统由于异常事件而引起系统工作不正常，流量超过规定范围等给出出错报警。
　　系统日志模块完成系统工作情况的记录，如系统掉电次数、DSP复位记录、出错次数记录和出错内容、报警次数和报警内容。系统工作的励磁频率，系统的工作上下限，系统已完成的累计流量历史记录。这是增加系统与用户友好交互的一个功能。
　　3.3系统算法实现模块
　　系统算法实现模块完成系统进行的算法，包括瞬时流量的计算、累计流量的计算、励磁系数的调整、电流输出的计算、脉冲输出的计算、系统工作零点调节算法、系统电气零点调节算法、系统标定系数调节算法、系统正负满量程调节算法、瞬时流量表示方式转换算法等。
　　3.4人机交互模块
　　人机交互模块包括显示模块、按键检测模块和外部触发处理模块。
　　显示模块完成被测流体流向的显示、瞬时流量多种表示方式的显示、累计流量多种表示方式的显示、励磁系数放大增益的显示、电极数值的显示、参考数值的显示、系统菜单的显示、系统错误报警的显示等20多种显示信息。
　　按键检测模块完成按键被按下后所代表的数值，通知系统进行相应的操作。
　　外部触发处理模块完成外部触发按钮的响应任务，本系统设计的外部触发按钮主要是外部芯片复位、外部调零、外部累计流量复位。
　　3.5芯片间数据通信模块
　　数据通信模块完成ARM微处理器将DSP程序下载到DSP芯片的内部RAM中，以及ARM微处理器和DSP数字信号处理器之间数据的交换。本通讯模块是建立在DSP芯片内部具有的主机接口部件之上的，通过对它的编程设计来实现ARM微处理器和DSP实时数据传输。
　　3.6数字滤波模块
　　数字滤波模块完成对由A/D采集过来数据的数字滤波。本模块十分重要，它是在模拟滤波器无法消除各项干扰信号的基础上提出来的，它滤波效果的好坏直接影响到系统的零点稳定性、系统的精度要求。为了消除由于工频正弦波励磁而引起的系统零点不稳定，我们通过对大量现场数据的研究和分析，得出在某一频段范围内，工业现场周围环境对系统零点的影响几乎不存在，因此，我们提出了用本段频率作为正弦波的励磁频率，通过所设计的数字滤波器将其它干扰信号除去后，系统内所有数据均以此为基准，实现整个系统的零点稳定，高精度的要求。
　　
4.结论
实验室和现场用户级测试表明，该系统具备良好的抗干扰能力以及稳定性，对固液两相难测流体如砂浆、矿浆等具有良好的应用效果，流量输出晃动等主要技术指标有明显优势。