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    摘要:擁有新型ARMv7架構的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，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)控制領域。上海自動化儀表有限公司主要介紹了基于Cortex ARM處理器平臺的智能轉速變送器的設計方法。

    1.引言

    嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置，是軟件和硬件的綜合體。它以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，目前在工業(yè)控制方面也有廣泛的應用。

    ARM公司在2004年推出了Cortex-M3內核，Cortex-M3系列是為對開發(fā)費用非常敏感同時對性能要求不斷增加的嵌入式應用(如微控制器、汽車車身控制系統(tǒng)和各種大型家電)所設計的，主要面向單片機領域。目前包括意法半導體、NXP、東芝和Atmel等半導體公司已經(jīng)推出了基于Cortex -M3內核的MCU產(chǎn)品。隨著Cortex-M3的流行，產(chǎn)品價格也得到了很好的控制，ARM公司強調Cortex-M3能以8位的成本提供32位的性能，目前市場上基于Cortex-M3的MCU產(chǎn)品已達到近250款，涉及到各種應用領域。

 

    工業(yè)控制已從單機控制走向集中監(jiān)控、集散控制，如今已進人網(wǎng)絡時代，工業(yè)控制器連網(wǎng)也為網(wǎng)絡管理提供了方便。轉速監(jiān)測系統(tǒng)作為工控的一個環(huán)節(jié)，也在向網(wǎng)絡化儀表發(fā)展。利用光電傳感器、配以最新的Cortex ARM單片機控制、帶有1Vlodbus總線通信協(xié)議以及最新OLEIC顯示屏監(jiān)控的智能轉速監(jiān)測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測速儀表已是大勢所趨，也是很有市場的。

    2.轉速測量的原理和方法

    轉速是指圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數(shù)，其大小及變化往往意味著機器設備運轉的正常與否，因此轉速測量一直是工業(yè)領域的一個重要問題。

    不論固定或活動式轉速測量，都可以在微處理器的參與下，通過測量轉軸上預留的一轉一齒的鑒相信號或光電信號的周期，換算出轉軸的頻率或轉速。即通過速度傳感器，將轉速信號變?yōu)殡娒}沖，利用微機在單位時間內對脈沖進行計數(shù)，再經(jīng)過軟件計算獲得轉速數(shù)據(jù)。即:

    n=N/(mT)

    *n一轉速，單位:轉/分鐘;

    *N一采樣時間內所計脈沖個數(shù);

    *T一采樣時間，單位:分鐘;

    *m一每旋轉一周所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)(通常指速石馬盤的齒數(shù))。如果m=60，那么1秒鐘內脈沖個數(shù)N就是轉速n，即:

    n=N/(mT)=N/60*1/60=N

    通常m為60。

    常用的轉速測量的方法有頻率法和周期法兩種，分別對應高速和低速測量。在頻率法測速中，隨著電動機轉速的降低，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。周期法測速正好相反，隨著電動機轉速的增加，測速裝置的分辨能力越來越差。綜合這兩種測速方法的特點，產(chǎn)生了一種被稱為頻率/周期法的測速方法。它無論在高速還是在低速時都具有較強的分辨能力和檢測精度。

    頻率/周期法測速的關鍵是要求實際的檢測時間(稱為檢測周期)與轉速輸出脈沖嚴格一致。在頻率/周期法測速中，檢測時間T是以轉速輸出脈沖的邊沿為基準，計數(shù)值N最多產(chǎn)生一個時鐘脈沖的誤差。在高速段，其分辨率與頻率法測速的分辨率完全相同;在低速段，其分辨率與周期法測速的分辨率完全相同。所以，頻率/周期法測速無論是在高速還是在低速都有較強的分辨能力。

    3.基于Cortex ARM的智能轉速變送器設計

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

    本設計采用STM32F系列中的STM32F101C8進行儀表的主體開發(fā)。

    整個變送器系統(tǒng)框圖如圖2所示。

 

    變送器接收的是現(xiàn)場光電式轉速傳感器傳輸來的正弦交變脈沖信號，高速CMOS電壓比較器進行參考電壓的切換，擬定250inV ,  500ni V和75i)mV和一檔冗余可選。在電機高速運轉時，傳輸來的脈沖信號幅值可能遠大于電壓比較器的供電電壓，所以在前端還設計了鉗位和分壓電路，以保證儀表的可靠性和安全性。

    在脈沖采集通道，進行了輸人輸出光稠隔離，并設置了1ZC濾波;在方波輸出通道，同樣進行了光藕隔離，并對毫伏級方波進行了整形和放大調理，使之在負載電阻不小于1k的前提下，輸出峰值不低于20V。

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

    在系統(tǒng)設計方面，這次轉速變送器使用了STC89LE58和STM32F 101 C8雙處理器的設計，一是為了系統(tǒng)的響應速度考慮，使得承擔主要測量和報警工作的STM32F101C8和承擔次要顯示、交互界面參數(shù)設置的STC89LE58互相獨立，減少單個處理器的程序進程，提高系統(tǒng)響應速度;二是可靠性設計，在單個處理器出現(xiàn)故障后，能夠分段對系統(tǒng)進行檢測，并通過更換部分組件就能夠使系統(tǒng)快速恢復運行。STC89LE58和STM32F101 C8之間進行串口通信連接。STM32F101 C8與上位機(總線)實現(xiàn)RS485接口的MODBUS通信協(xié)議。

    采用鐵電存儲器(或EEPROM)保存變送器的原始數(shù)據(jù)參數(shù)，上電自動加載，以達到斷電保護功能。

面板設計使用了Vision二公司的VGY12864C型OLED顯示器，它具有高亮度，高對比，寬視角，響應速度快的特點，集成了SSD 1305 OLED驅動器，邏輯電壓3V，驅動電壓12Vo OLEIC顯示器顯示當前轉速，STC89LE58和STM32F101 C8的通信狀況?？梢酝ㄟ^5個固定行程按鍵，對變送器各項參數(shù)進行用戶自設定，并通過LED發(fā)光二極管動態(tài)顯示當前報警狀態(tài)。

    為了變送器的可靠性設計，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RECOM公司的3.3V, 5V,12V的0.5A容量開關電源，分別對微處理器、采樣和輸出通道以及OLED供電，RECOM公司產(chǎn)品經(jīng)過試驗確定，相比傳統(tǒng)產(chǎn)品具有低壓差啟動(150-300mV)和紋波小(20mV)的特點。

系統(tǒng)軟件主要功能如下:

    *測量外部脈沖信號頻率，計算出實時轉速值;

    *分析轉速值，產(chǎn)生相應的報警信號;

    *輸出與轉速值對應的模擬信號;

    *與前面板單片機進行RS232通信，實現(xiàn)轉速顯示、參數(shù)配置等人機交互功能。

    *與上位機(總線)實行RS485接口的MOD-BUS通信，上傳實時數(shù)據(jù)或者下載最新指令。

    4.結論

    上海自動化儀表有限公司在本文中主要介紹了基于Cortex ARM的智能轉速變送器的設計方法，研制出的智能轉速變送器，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，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,輸出負載不大于500，其它各項指標俱達到同類儀表先進水平。Cortex ARM雖然還存在著一些不足和有待解決的問題，但它的優(yōu)勢已相當明顯，它為高性能低成本的工業(yè)產(chǎn)品設計開發(fā)平臺提供了一種高效的開發(fā)方式。