1 电磁流量计测量原理
电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律来测量管内流体流量的测量装置，如图1所示。当流体在管道内流过一个横向磁场B的时候，相当于有一定电导率的导体在切割磁线，形成动生电动势，通过管道径向两电极可以引出该电动势E，其大小与磁场B、流速v和管径D成正比，即
（1）
流体的体积流量Q与流速v和管道内截面成正比，只要测量出两电极之间的电动势E，即可确定流量Q：
（2）
在励磁电流、管道尺寸和流体密度ρ确定的情况下，流体的质量流量仅取决于对两电极间的感应电势E的检测。电磁流量计的数学模型
（3）
式中：Coe为仪表系数；E0为仪表零点修正；x为多段非线性修正。
2 网络仪表电磁流量计硬件系统的设计
网络仪表电磁流量计硬件系统主要由检测输入模块、励磁输出模块、图形显示模块、键盘模块、电源模块、信号输出模块、通信模块、以及ARM9嵌入式系统及存储模块组成。图2为嵌入式电磁流量计的系统框图。
图1 电磁流量计测量原理
图2 电磁流量计的系统框图
ARM嵌入式系统经过初始化之后，向励磁模块输出一数字量的励磁信号，经过D/A转换和电流放大，驱动传感器的励磁线圈产生一定强度的磁场。传感器的流速感应电极送出微弱的感应信号，经过输入模块的放大滤波处理，经过A/D转换成数字量输入ARM9处理器，进一步进行数字分析处理。通过显示模块直接显示瞬时流量、累积流量和动态流量图形。由通信模块进行网络数据交互和控制。另外，由信号输出模块输出4～20mA的标准仪用瞬时流量信号。
2.1 微控制器3SC2410及存储模块
系统的核心部分采用ARM9微控制器3SC2410设计。采用了3C2410芯片作为硬件平台的中央处理器，该芯片采用ARM920T微处理器作为控制器内核，其在高性能和低功耗方面表现良好，它采用5级流水线，支持协处理器、片上调试和MMU等技术。内核运行速度高达203M，并集成了LCD、USB、NANDF1ash、SDHost、MMC、触摸屏等接口控制器，对嵌入式Linux操作系统良好的支持等，可大大简化设计复杂度。
S3C2410支持包括ROM/SRAM/Flash、DRAM/SDRAM和外部I/O3类存储空间，可支持8位/16位/32位的存储器系统。系统采用2片HY29LVI60芯片并联构建32位的ROM/Flash存储器系统。HY29LV160是2MB容量的Flash芯片，有16位数据线，可以8位或16位方式工作。系统采用2片8MB容量的SDRAM芯片K4S641632F，构建32位的DROM/SDRAM存储器系统。另外，系统还配置了1片具有512字节存储容量的EEPROMX504，通过串行方式与S3C2410进行数据传输，用以存储控制电磁流量计的实时参数。
2.2 励磁输出电路
励磁电路的任务是向励磁线圈提供稳定的驱动电流，包括图2所示的D/A转换电路、V/I转换激励和电流放大器。电流波形为方波、三值方波和梯形波等形式，波形变化的目的是结合信号处理电路，分析在不同励磁方式下电磁流量计的精确度、零点稳定性和抗干扰能力等多项指标。该电路由S3C2410输出数字量，经过D/A转换形成模拟信号，经V/I转换激励和带有电流负反馈的电流放大器输出，适合各种励磁波形的变化。D/A转换电路采用AD7243芯片，得到-5、+5V的双极性输出。激励放大器采用CA3240A运放，其特点是电源电压高，能获得较大的输出动态范围。电流放大利用两对复合管实现，要求管子尽可能配对。接入励磁线圈后，引人大环路的电流负反馈，稳定输出励磁电流。
2.3 检测信号输入模块
检测输入模块包括信号放大滤波及A/D转换电路，信号放大滤波包括差分测量放大器、低通和高通滤波器、增益放大器。由于电磁流量计的电极输出信号非常微弱，一般只有几个mV，而且工业环境干扰非常大。为了保证测量精度，送入A/D转换的输入信号应达到-215～+215V，其模拟部分电压增益应该在60dB以上。其中，前置放大器采用差分输入的仪用放大器AD620，高通滤波和低通滤波采用二阶有源滤波器形成带通滤波器滤除工频干扰及杂波，放大器采用运放CA3240A完成。A/D转换单元采用MAX1297AEEG实现12位并行模数转换。
2.4 显示和键盘输入
图形显示模块用来实现检测结果的实时图形显示。SID13506是大规模显示控制器，主要应用于嵌入式系统，最高支持64K真彩色。系统配置了1M的16位内存、LCD接口和VGA接口。电路采用LCD控制器SID13506显示芯片实现彩色液晶点阵显示和VGA标准接口。
系统具有键盘输入功能，提供6个操作键：启动/停止键、复位键、功能键、确认键、增一键、减一键，实现仪表的设置、操作等功能。系统用3SC2410的通用I/O口P10、P11、P12作为键盘的行扫描线，P13、P14、P15作为列值输入线，构成一个3×3的矩阵式键盘。
2.5 以太网接口电路
网络仪表电磁流量计的通信功能主要采用以太网的形式。3SC2410内嵌一个以太网控制器，支持CSMA/CD协议，全双工模式下支持IEEE802.3MAC控制层协议。系统采用一片物理层接口器件RTL8201组成以太网的接口电路，该器件主要包括物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、10NBASETX编码/解码器等。3SC2410和RTL8201都提供MⅡ接口，信号定义明确，连接较简单。3SC2410的MAC控制器通过MDC/MDIO管理接口可控制多达31个RTL8201。RTL8201的信号发送和接收端通过网络隔离变压器和RJ45接口可接入传输媒体。
2.6 信号输出模块
电磁流量计在实现测量、分析和处理的时候，除了现场显示瞬时流量和累积流量以外，还会输出一个标准的4～20mA电流信号。该电路利用AD421转换电路实现了流量输出的功能。AD421芯片是一款低电压、SPI串行输入、16位Σ-△转换的D/A转换电路，具备4～20mA环路电流输出，支持HART通信协议，非常适合该电路应用。
2.7 电源电路
由ARM9构建的电源部分比较复杂，一般由开关电源模块实现，其主电源为+5V稳压电源，经过2组稳压器LT1085分别产生313V和118V供给微控制器模块使用，313V和+5V供给大部分数字电路使用，数字电源与模拟电源分开且不共地，副电源主要有供给D/A转换及放大用的±15V，供给励磁输出的±24V电源等。电磁流量计的功率消耗还是比较大的。
3 网络控制仪表的软件系统设计
对嵌入式Linux系统的开发，采用宿主机和开发板结合，在交叉编译环境下进行的方法。首先在运行Linux操作系统的宿主机上搭建交叉编译环境，接下来将引导加载程序、Linux内核、文件系统的可执行映像依次存放在系统的存储设备上。该系统采用的存储设备是64M的NANDFlash，所用到的所有开发工具和源码包含在MIZI软件开发套件中，它是专为S3C2410芯片开发的配套软件。
3.1 系统应用程序开发
网络仪表电磁流量计的应用软件主要包括数据采集、数据处理、数据显示、键盘处理、以太网通信等程序，主程序流程图如图3所示。系统对数据进行处理并且可以根据需要实现各种控制算法程序使用于不同的对象控制。
图3 主程序流程图
3.2 以太网通信
网络控制电磁流量计的一个重要功能是实现以太网的通信。Linux提供了强大的网络支持，用一系列相互连接层的软件来实现Internet协议地址族。它由专门处理BSDsocket的通用套接字管理软件来处理，受INETsocket层支持，为基于IP的协议TCP和UDP提供端到端传输管理。系统采用客户机/服务器的模式，利用套接字socket实现通信。网络通信的程序分为客户程序和服务器程序，这里客户指的是控制仪表系统，服务器指上位PC机。客户机数据流通信过程如图4所示。采用网络通信，系统实现了网络存储，大量数据由服务器（PC机）端进行统一存储和管理，更多的工作由服务器完成，大大简化控制仪表的软硬件设备，使资源的配置得到更合理的利用。
图4 以太网通信流程图
4 结束语
传统的流量检测仪器在处理能力、测量精度、误差修正、功能扩展等方面都存在着局限性。文中采用ARM9嵌入式系统芯片S3C2140，对网络仪表电磁流量计的硬件、软件进行设计和开发，所研发的仪表不再是功能单一的控制仪表，而是融合网络通信、智能控制、人机交互、图形显示等技术，实现了智能化的网络仪表，提高了电磁流量计的应用和研究水平。
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