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數字物聯電磁流量計設計與測試的方案設計

來源:www.trade-365.com作者:發表時間:2022-02-11 11:06:30

        為了驗證前述章節所設計的數字流量儀表物聯系統,本章以電磁流量計為對象進行物聯功能的適配與測試。首先基于 DSP 芯片 TMS320F28069 和課題組現有的電磁流量計電源管理與勵磁模塊、信號采集與調理模塊、人機接口模塊設計數字物聯電磁流量計;然后將原電磁流量計系統軟件移植到數字物聯電磁流量計的數字信號處理與控制模塊的主處理器中運行,并在原系統軟件基礎上適配物聯 API函數庫以實現流量儀表物聯功能;最后完成數字物聯電磁流量計物聯功能的測試工作,測試中使用的客戶端軟件由課題組其他同學完成。 

 
數字物聯電磁流量計物聯方案設計 
(1) 電磁流量計系統組成 
        電磁流量計是一種適用于測量導電液體的流量的儀表,儀表由兩部分組成,分別是傳感器(一次儀表)、變送器(二次儀表)[39]。傳感器負責將導電液體的流量轉換為電壓信號,變送器負責采集傳感器輸出的電壓信號并通過軟硬件的濾波處理后得到液體的流速。電磁流量計變送器硬件系統的結構框圖如圖 5.1 所示,電磁流量計變送器系統由信號采集與調理模塊、數字信號處理與控制模塊、電源管理與勵磁模塊、人機接口模塊四部分組成。 
電磁流量計變送器硬件系統結構框圖
        信號采集與調理模塊主要用于實現電磁流量計傳感器電極信號和勵磁電流信號的拾取、調理、模數轉換等功能;數字信號處理與控制模塊主要用于實現傳感器電極信號、勵磁電流信號的讀取與處理、流量計算結果的輸出、勵磁信號控制等功能;人機接口模塊主要用于測量結果顯示、儀表設置等功能;電源管理與勵磁控制模塊用于為整個硬件系統的不同模塊提供可靠的工作電壓并為傳感器勵磁線圈提供勵磁電流,使線圈在流量計殼體內產生磁場。 
 
(2) 數字物聯電磁流量計方案 
        本設計選用 TI 公司的 TMSF320F28069 芯片作為數字信號處理與控制模塊的主控核心,該芯片的主頻最高可達 90MHz,單指令周期為 11.11ns。芯片采用改進的哈佛架構(Harvard Architecture),使得指令操作和數據讀取可以并行進行,而 32位數據與外設總線可確保內核、存儲器以及外設能夠實現高效的數據傳輸,芯片內部建立了八級流水線,一個周期就可以完成一次乘加運算,非常適用于對實時性和精度要求較高的數字信號處理算法。TMS320F28069 有 100 個引腳,芯片內部集成了豐富的外設資源,通過合理外設資源分配以及對部分的外設資源進行功能的分時復用可以完全實現數字物聯電磁流量計的全部功能,TMS320F28069 片內的資源分配圖如圖 5.2 所示。數字物聯電磁流量計變送器硬件系統結構如圖 5.3 所示,其中信號采集與調理模塊、電源管理與勵磁模塊、人機接口模塊是現有模塊,數字物聯電磁流量計方案中描述的數字信號處理與控制模塊為本章設計內容。 
 
        數字信號處理與控制模塊以 TMSF320F28069 為主控核心,在芯片外圍設計擴展流量儀表常用的功能電路,其中 4~20mA 輸出電路、脈沖輸出電路、RS485 電路沿用實驗室成熟的設計方案,其余部分則進行全新設計。 
 TMS320F28069 片內的資源分配圖數字物聯電磁流量計變送器硬件系統結構圖
2、數字物聯電磁流量計物聯功能測試 
 物聯功能測試方案設計 
(1)測試系統組成 
數字物聯電磁流量計的測試系統由四部分組成,分別數字物聯電磁流量計二次儀表、流速模擬器、調試設備、上位機軟件,數字物聯電磁流量計測試系統如圖 5.20 所示。
 
數字物聯電磁流量計二次儀表:實現流量測量與結果顯示功能并作為數字流量儀表物聯系統功能驗證的平臺。數字物聯電磁流量計二次儀表中的數字信號處理與控制模塊電路板如附圖1所示。 
 
流速模擬器:模擬電磁流量計一次儀表,為數字物聯電磁流量計二次儀表提供傳感器信號。 
 
調試設備:用于運行上位機軟件以進行數字物聯電磁流量計物聯功能測試。 
 
上位機軟件:用于數字物聯電磁流量計物聯功能測試,總共包含兩種上位機軟件,分別是支持 Modbus-TCP 協議的 Modbus-TCP 調試助手和支持私有協議的客戶端軟件。 
測試系統設備組成與連接圖
(2)測試內容 
測試內容分為兩部分,分別是基于 Modbus-TCP 協議的數字物聯電磁流量計物聯功能測試和基于私有協議的數字物聯電磁流量計物聯功能測試。 基于 Modbus-TCP 協議的數字物聯電磁流量計物聯功能測試包括 Modbus 主從設備的 TCP 連接測試、Modbus 主設備讀取從設備輸入寄存器值測試。 
基于私有協議的數字物聯電磁流量計物聯功能測試包括客戶端軟件與物聯模塊 TCP 連接測試、儀表日志數據網絡轉發測試、儀表實時數據網絡轉發測試。

 

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