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    摘要:擁有新型ARMv7架構(gòu)的Cortex系列ARM嵌入式微處理器，具有高集成度、低功耗、高性能、處理速度快等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。上海自動(dòng)化儀表有限公司主要介紹了基于Cortex ARM處理器平臺(tái)的智能轉(zhuǎn)速變送器的設(shè)計(jì)方法。

    1.引言

    嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置，是軟件和硬件的綜合體。它以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，目前在工業(yè)控制方面也有廣泛的應(yīng)用。

    ARM公司在2004年推出了Cortex-M3內(nèi)核，Cortex-M3系列是為對(duì)開(kāi)發(fā)費(fèi)用非常敏感同時(shí)對(duì)性能要求不斷增加的嵌入式應(yīng)用(如微控制器、汽車(chē)車(chē)身控制系統(tǒng)和各種大型家電)所設(shè)計(jì)的，主要面向單片機(jī)領(lǐng)域。目前包括意法半導(dǎo)體、NXP、東芝和Atmel等半導(dǎo)體公司已經(jīng)推出了基于Cortex -M3內(nèi)核的MCU產(chǎn)品。隨著Cortex-M3的流行，產(chǎn)品價(jià)格也得到了很好的控制，ARM公司強(qiáng)調(diào)Cortex-M3能以8位的成本提供32位的性能，目前市場(chǎng)上基于Cortex-M3的MCU產(chǎn)品已達(dá)到近250款，涉及到各種應(yīng)用領(lǐng)域。

 

    工業(yè)控制已從單機(jī)控制走向集中監(jiān)控、集散控制，如今已進(jìn)人網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡(luò)管理提供了方便。轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為工控的一個(gè)環(huán)節(jié)，也在向網(wǎng)絡(luò)化儀表發(fā)展。利用光電傳感器、配以最新的Cortex ARM單片機(jī)控制、帶有1Vlodbus總線通信協(xié)議以及最新OLEIC顯示屏監(jiān)控的智能轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)速儀表已是大勢(shì)所趨，也是很有市場(chǎng)的。

    2.轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理和方法

    轉(zhuǎn)速是指圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，其大小及變化往往意味著機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的正常與否，因此轉(zhuǎn)速測(cè)量一直是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。

    不論固定或活動(dòng)式轉(zhuǎn)速測(cè)量，都可以在微處理器的參與下，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號(hào)或光電信號(hào)的周期，換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過(guò)速度傳感器，將轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)殡娒}沖，利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。即:

    n=N/(mT)

    *n一轉(zhuǎn)速，單位:轉(zhuǎn)/分鐘;

    *N一采樣時(shí)間內(nèi)所計(jì)脈沖個(gè)數(shù);

    *T一采樣時(shí)間，單位:分鐘;

    *m一每旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)(通常指速石馬盤(pán)的齒數(shù))。如果m=60，那么1秒鐘內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)N就是轉(zhuǎn)速n，即:

    n=N/(mT)=N/60*1/60=N

    通常m為60。

    常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法有頻率法和周期法兩種，分別對(duì)應(yīng)高速和低速測(cè)量。在頻率法測(cè)速中，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，測(cè)速裝置的分辨能力變差，測(cè)速誤差增大。周期法測(cè)速正好相反，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，測(cè)速裝置的分辨能力越來(lái)越差。綜合這兩種測(cè)速方法的特點(diǎn)，產(chǎn)生了一種被稱(chēng)為頻率/周期法的測(cè)速方法。它無(wú)論在高速還是在低速時(shí)都具有較強(qiáng)的分辨能力和檢測(cè)精度。

    頻率/周期法測(cè)速的關(guān)鍵是要求實(shí)際的檢測(cè)時(shí)間(稱(chēng)為檢測(cè)周期)與轉(zhuǎn)速輸出脈沖嚴(yán)格一致。在頻率/周期法測(cè)速中，檢測(cè)時(shí)間T是以轉(zhuǎn)速輸出脈沖的邊沿為基準(zhǔn)，計(jì)數(shù)值N最多產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖的誤差。在高速段，其分辨率與頻率法測(cè)速的分辨率完全相同;在低速段，其分辨率與周期法測(cè)速的分辨率完全相同。所以，頻率/周期法測(cè)速無(wú)論是在高速還是在低速都有較強(qiáng)的分辨能力。

    3.基于Cortex ARM的智能轉(zhuǎn)速變送器設(shè)計(jì)

    STM32F系列32位閃存微控制器基于突破性的ARM Cortex-M3內(nèi)核，這是一款專(zhuān)為嵌入式應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的內(nèi)核。STM32 F系列產(chǎn)品的目的是為MCU用戶提供新的自由度。在結(jié)合了高性能、低功耗和低電壓特性的同時(shí)保持了高度的集成性能和簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)特性。

    本設(shè)計(jì)采用STM32F系列中的STM32F101C8進(jìn)行儀表的主體開(kāi)發(fā)。

    整個(gè)變送器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

 

    變送器接收的是現(xiàn)場(chǎng)光電式轉(zhuǎn)速傳感器傳輸來(lái)的正弦交變脈沖信號(hào)，高速CMOS電壓比較器進(jìn)行參考電壓的切換，擬定250inV ,  500ni V和75i)mV和一檔冗余可選。在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳輸來(lái)的脈沖信號(hào)幅值可能遠(yuǎn)大于電壓比較器的供電電壓，所以在前端還設(shè)計(jì)了鉗位和分壓電路，以保證儀表的可靠性和安全性。

    在脈沖采集通道，進(jìn)行了輸人輸出光稠隔離，并設(shè)置了1ZC濾波;在方波輸出通道，同樣進(jìn)行了光藕隔離，并對(duì)毫伏級(jí)方波進(jìn)行了整形和放大調(diào)理，使之在負(fù)載電阻不小于1k的前提下，輸出峰值不低于20V。

    D/A轉(zhuǎn)換通道采用高速磁藕輸出隔離，并實(shí)現(xiàn)4-20mA輸出。

    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，這次轉(zhuǎn)速變送器使用了STC89LE58和STM32F 101 C8雙處理器的設(shè)計(jì)，一是為了系統(tǒng)的響應(yīng)速度考慮，使得承擔(dān)主要測(cè)量和報(bào)警工作的STM32F101C8和承擔(dān)次要顯示、交互界面參數(shù)設(shè)置的STC89LE58互相獨(dú)立，減少單個(gè)處理器的程序進(jìn)程，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度;二是可靠性設(shè)計(jì)，在單個(gè)處理器出現(xiàn)故障后，能夠分段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)更換部分組件就能夠使系統(tǒng)快速恢復(fù)運(yùn)行。STC89LE58和STM32F101 C8之間進(jìn)行串口通信連接。STM32F101 C8與上位機(jī)(總線)實(shí)現(xiàn)RS485接口的MODBUS通信協(xié)議。

    采用鐵電存儲(chǔ)器(或EEPROM)保存變送器的原始數(shù)據(jù)參數(shù)，上電自動(dòng)加載，以達(dá)到斷電保護(hù)功能。

面板設(shè)計(jì)使用了Vision二公司的VGY12864C型OLED顯示器，它具有高亮度，高對(duì)比，寬視角，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，集成了SSD 1305 OLED驅(qū)動(dòng)器，邏輯電壓3V，驅(qū)動(dòng)電壓12Vo OLEIC顯示器顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速，STC89LE58和STM32F101 C8的通信狀況。可以通過(guò)5個(gè)固定行程按鍵，對(duì)變送器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行用戶自設(shè)定，并通過(guò)LED發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前報(bào)警狀態(tài)。

    為了變送器的可靠性設(shè)計(jì)，在電源方面要求很高，在使用了3000V隔離的1W DC/DC變換器后端，采用了德國(guó)RECOM公司的3.3V, 5V,12V的0.5A容量開(kāi)關(guān)電源，分別對(duì)微處理器、采樣和輸出通道以及OLED供電，RECOM公司產(chǎn)品經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定，相比傳統(tǒng)產(chǎn)品具有低壓差啟動(dòng)(150-300mV)和紋波小(20mV)的特點(diǎn)。

系統(tǒng)軟件主要功能如下:

    *測(cè)量外部脈沖信號(hào)頻率，計(jì)算出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值;

    *分析轉(zhuǎn)速值，產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào);

    *輸出與轉(zhuǎn)速值對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào);

    *與前面板單片機(jī)進(jìn)行RS232通信，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速顯示、參數(shù)配置等人機(jī)交互功能。

    *與上位機(jī)(總線)實(shí)行RS485接口的MOD-BUS通信，上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或者下載最新指令。

    4.結(jié)論

    上海自動(dòng)化儀表有限公司在本文中主要介紹了基于Cortex ARM的智能轉(zhuǎn)速變送器的設(shè)計(jì)方法，研制出的智能轉(zhuǎn)速變送器，可接收最小峰值為250mV，頻率范圍0-20kHz的高靈敏度交變正弦波信號(hào)，基本誤差為士(0.1%FS+1Hz)或士(0.1%FS+0.5r.p.m)，輸出4-20mA，基本誤差為士0.1%FS,輸出負(fù)載不大于500，其它各項(xiàng)指標(biāo)俱達(dá)到同類(lèi)儀表先進(jìn)水平。Cortex ARM雖然還存在著一些不足和有待解決的問(wèn)題，但它的優(yōu)勢(shì)已相當(dāng)明顯，它為高性能低成本的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了一種高效的開(kāi)發(fā)方式。