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基于Cortex ARM的智能转速变送器设计

来源：上海自动化仪表有限公司作者：发表时间：2019-02-23 08:57:40【小中大】

摘要:拥有新型ARMv7架构的Cortex系列ARM嵌入式微处理器，具有高集成度、低功耗、高性能、处理速度快等特点，已经广泛应用于工业控制领域。上海自动化仪表有限公司主要介绍了基于Cortex ARM处理器平台的智能转速变送器的设计方法。

1.引言

嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，是软件和硬件的综合体。它以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统，目前在工业控制方面也有广泛的应用。

ARM公司在2004年推出了Cortex-M3内核，Cortex-M3系列是为对开发费用非常敏感同时对性能要求不断增加的嵌入式应用(如微控制器、汽车车身控制系统和各种大型家电)所设计的，主要面向单片机领域。目前包括意法半导体、NXP、东芝和Atmel等半导体公司已经推出了基于Cortex -M3内核的MCU产品。随着Cortex-M3的流行，产品价格也得到了很好的控制，ARM公司强调Cortex-M3能以8位的成本提供32位的性能，目前市场上基于Cortex-M3的MCU产品已达到近250款，涉及到各种应用领域。

工业控制已从单机控制走向集中监控、集散控制，如今已进人网络时代，工业控制器连网也为网络管理提供了方便。转速监测系统作为工控的一个环节，也在向网络化仪表发展。利用光电传感器、配以最新的Cortex ARM单片机控制、带有1Vlodbus总线通信协议以及最新OLEIC显示屏监控的智能转速监测系统代替传统的测速仪表已是大势所趋，也是很有市场的。

2.转速测量的原理和方法

转速是指圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否，因此转速测量一直是工业领域的一个重要问题。

不论固定或活动式转速测量，都可以在微处理器的参与下，通过测量转轴上预留的一转一齿的鉴相信号或光电信号的周期，换算出转轴的频率或转速。即通过速度传感器，将转速信号变为电脉冲，利用微机在单位时间内对脉冲进行计数，再经过软件计算获得转速数据。即:

n=N/(mT)

*n一转速，单位:转/分钟;

*N一采样时间内所计脉冲个数;

*T一采样时间，单位:分钟;

*m一每旋转一周所产生的脉冲个数(通常指速石马盘的齿数)。如果m=60，那么1秒钟内脉冲个数N就是转速n，即:

n=N/(mT)=N/60*1/60=N

通常m为60。

常用的转速测量的方法有频率法和周期法两种，分别对应高速和低速测量。在频率法测速中，随着电动机转速的降低，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。周期法测速正好相反，随着电动机转速的增加，测速装置的分辨能力越来越差。综合这两种测速方法的特点，产生了一种被称为频率/周期法的测速方法。它无论在高速还是在低速时都具有较强的分辨能力和检测精度。

频率/周期法测速的关键是要求实际的检测时间(称为检测周期)与转速输出脉冲严格一致。在频率/周期法测速中，检测时间T是以转速输出脉冲的边沿为基准，计数值N最多产生一个时钟脉冲的误差。在高速段，其分辨率与频率法测速的分辨率完全相同;在低速段，其分辨率与周期法测速的分辨率完全相同。所以，频率/周期法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。

3.基于Cortex ARM的智能转速变送器设计

STM32F系列32位闪存微控制器基于突破性的ARM Cortex-M3内核，这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。STM32 F系列产品的目的是为MCU用户提供新的自由度。在结合了高性能、低功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性。

本设计采用STM32F系列中的STM32F101C8进行仪表的主体开发。

整个变送器系统框图如图2所示。

变送器接收的是现场光电式转速传感器传输来的正弦交变脉冲信号，高速CMOS电压比较器进行参考电压的切换，拟定250inV , 500ni V和75i)mV和一档冗余可选。在电机高速运转时，传输来的脉冲信号幅值可能远大于电压比较器的供电电压，所以在前端还设计了钳位和分压电路，以保证仪表的可靠性和安全性。

在脉冲采集通道，进行了输人输出光稠隔离，并设置了1ZC滤波;在方波输出通道，同样进行了光藕隔离，并对毫伏级方波进行了整形和放大调理，使之在负载电阻不小于1k的前提下，输出峰值不低于20V。

D/A转换通道采用高速磁藕输出隔离，并实现4-20mA输出。

在系统设计方面，这次转速变送器使用了STC89LE58和STM32F 101 C8双处理器的设计，一是为了系统的响应速度考虑，使得承担主要测量和报警工作的STM32F101C8和承担次要显示、交互界面参数设置的STC89LE58互相独立，减少单个处理器的程序进程，提高系统响应速度;二是可靠性设计，在单个处理器出现故障后，能够分段对系统进行检测，并通过更换部分组件就能够使系统快速恢复运行。STC89LE58和STM32F101 C8之间进行串口通信连接。STM32F101 C8与上位机(总线)实现RS485接口的MODBUS通信协议。

采用铁电存储器(或EEPROM)保存变送器的原始数据参数，上电自动加载，以达到断电保护功能。

面板设计使用了Vision二公司的VGY12864C型OLED显示器，它具有高亮度，高对比，宽视角，响应速度快的特点，集成了SSD 1305 OLED驱动器，逻辑电压3V，驱动电压12Vo OLEIC显示器显示当前转速，STC89LE58和STM32F101 C8的通信状况。可以通过5个固定行程按键，对变送器各项参数进行用户自设定，并通过LED发光二极管动态显示当前报警状态。

为了变送器的可靠性设计，在电源方面要求很高，在使用了3000V隔离的1W DC/DC变换器后端，采用了德国RECOM公司的3.3V, 5V,12V的0.5A容量开关电源，分别对微处理器、采样和输出通道以及OLED供电，RECOM公司产品经过试验确定，相比传统产品具有低压差启动(150-300mV)和纹波小(20mV)的特点。

系统软件主要功能如下:

*测量外部脉冲信号频率，计算出实时转速值;

*分析转速值，产生相应的报警信号;

*输出与转速值对应的模拟信号;

*与前面板单片机进行RS232通信，实现转速显示、参数配置等人机交互功能。

*与上位机(总线)实行RS485接口的MOD-BUS通信，上传实时数据或者下载最新指令。

4.结论

上海自动化仪表有限公司在本文中主要介绍了基于Cortex ARM的智能转速变送器的设计方法，研制出的智能转速变送器，可接收最小峰值为250mV，频率范围0-20kHz的高灵敏度交变正弦波信号，基本误差为士(0.1%FS+1Hz)或士(0.1%FS+0.5r.p.m)，输出4-20mA，基本误差为士0.1%FS,输出负载不大于500，其它各项指标俱达到同类仪表先进水平。Cortex ARM虽然还存在着一些不足和有待解决的问题，但它的优势已相当明显，它为高性能低成本的工业产品设计开发平台提供了一种高效的开发方式。

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