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数字物联电磁流量计设计与测试的方案设计

来源:www.jersey-wholesaler.com作者:发表时间:2022-02-11 11:06:30

        为了验证前述章节所设计的数字流量仪表物联系统,本章以电磁流量计为对象进行物联功能的适配与测试。shou先基于 DSP 芯片 TMS320F28069 和课题组现有的电磁流量计电源管理与励磁模块、信号采集与调理模块、人机接口模块设计数字物联电磁流量计;然后将原电磁流量计系统软件移植到数字物联电磁流量计的数字信号处理与控制模块的主处理器中运行,并在原系统软件基础上适配物联 API函数库以实现流量仪表物联功能;最后完成数字物联电磁流量计物联功能的测试工作,测试中使用的客户端软件由课题组其他同学完成。 

 
数字物联电磁流量计物联方案设计 
(1) 电磁流量计系统组成 
        电磁流量计是一种适用于测量导电液体的流量的仪表,仪表由两部分组成,分别是传感器(一次仪表)、变送器(二次仪表)[39]。传感器负责将导电液体的流量转换为电压信号,变送器负责采集传感器输出的电压信号并通过软硬件的滤波处理后得到液体的流速。电磁流量计变送器硬件系统的结构框图如图 5.1 所示,电磁流量计变送器系统由信号采集与调理模块、数字信号处理与控制模块、电源管理与励磁模块、人机接口模块四部分组成。 
电磁流量计变送器硬件系统结构框图
        信号采集与调理模块主要用于实现电磁流量计传感器电极信号和励磁电流信号的拾取、调理、模数转换等功能;数字信号处理与控制模块主要用于实现传感器电极信号、励磁电流信号的读取与处理、流量计算结果的输出、励磁信号控制等功能;人机接口模块主要用于测量结果显示、仪表设置等功能;电源管理与励磁控制模块用于为整个硬件系统的不同模块提供可靠的工作电压并为传感器励磁线圈提供励磁电流,使线圈在流量计壳体内产生磁场。 
 
(2) 数字物联电磁流量计方案 
        本设计选用 TI 公司的 TMSF320F28069 芯片作为数字信号处理与控制模块的主控核心,该芯片的主频最高可达 90MHz,单指令周期为 11.11ns。芯片采用改进的哈佛架构(Harvard Architecture),使得指令操作和数据读取可以并行进行,而 32位数据与外设总线可确保内核、存储器以及外设能够实现高效的数据传输,芯片内部建立了八级流水线,一个周期就可以完成一次乘加运算,非常适用于对实时性和精度要求较高的数字信号处理算法。TMS320F28069 有 100 个引脚,芯片内部集成了丰富的外设资源,通过合理外设资源分配以及对部分的外设资源进行功能的分时复用可以完全实现数字物联电磁流量计的全部功能,TMS320F28069 片内的资源分配图如图 5.2 所示。数字物联电磁流量计变送器硬件系统结构如图 5.3 所示,其中信号采集与调理模块、电源管理与励磁模块、人机接口模块是现有模块,数字物联电磁流量计方案中描述的数字信号处理与控制模块为本章设计内容。 
 
        数字信号处理与控制模块以 TMSF320F28069 为主控核心,在芯片外围设计扩展流量仪表常用的功能电路,其中 4~20mA 输出电路、脉冲输出电路、RS485 电路沿用实验室成熟的设计方案,其余部分则进行全新设计。 
 TMS320F28069 片内的资源分配图数字物联电磁流量计变送器硬件系统结构图
2、数字物联电磁流量计物联功能测试 
 物联功能测试方案设计 
(1)测试系统组成 
数字物联电磁流量计的测试系统由四部分组成,分别数字物联电磁流量计二次仪表、流速模拟器、调试设备、上位机软件,数字物联电磁流量计测试系统如图 5.20 所示。
 
数字物联电磁流量计二次仪表:实现流量测量与结果显示功能并作为数字流量仪表物联系统功能验证的平台。数字物联电磁流量计二次仪表中的数字信号处理与控制模块电路板如附图1所示。 
 
流速模拟器:模拟电磁流量计一次仪表,为数字物联电磁流量计二次仪表提供传感器信号。 
 
调试设备:用于运行上位机软件以进行数字物联电磁流量计物联功能测试。 
 
上位机软件:用于数字物联电磁流量计物联功能测试,总共包含两种上位机软件,分别是支持 Modbus-TCP 协议的 Modbus-TCP 调试助手和支持私有协议的客户端软件。 
测试系统设备组成与连接图
(2)测试内容 
测试内容分为两部分,分别是基于 Modbus-TCP 协议的数字物联电磁流量计物联功能测试和基于私有协议的数字物联电磁流量计物联功能测试。 基于 Modbus-TCP 协议的数字物联电磁流量计物联功能测试包括 Modbus 主从设备的 TCP 连接测试、Modbus 主设备读取从设备输入寄存器值测试。 
基于私有协议的数字物联电磁流量计物联功能测试包括客户端软件与物联模块 TCP 连接测试、仪表日志数据网络转发测试、仪表实时数据网络转发测试。