w5500的磁致伸缩液位测量系统设计
系负责人： ， 年 月 摘 要磁致伸缩液位测量技术是一种精度高、稳定性好的接触式液位测量技术，在石油、化工等领域有着广泛的运用。磁致伸缩液位测量仪普遍存在网络化、液位数据管理方面的不足，为紧跟工业以太网和物联网技术发展，设计一种具有以太网通信功能的磁致伸缩液位测量系统。整个磁致伸缩液位测系统分为硬件平台、液位测量控制软件和液位测量监控系统服务器。液位测量系统硬件以TI公司基于ARM cortex M4架构、具有强大网络功能的TM4C1294NCPDT为核心处理器，设计电流触发电路、测量仪、信号处理模块，控制软件完成信号采集和处理、网络通信、液位数据显示和上传，其中网络通信使用双网络接口，分别是WiZnet公司W5500模块的硬件接口和由微控制器以太网控制器模块和微型tcp/ip协议栈组成的软件网络接口。整个现场系统能够精确测量液位、显示和上传实时。液位测量监控服务器软件以网络通信为基础，设计了文件接口，实现对数据的采集、显示、存储。课题综合应用信号处理、网络通信、软件开发等技术，设计了从现场液位测量到PC服务器采集液位数据、监控现场的智能液位测量系统。测试结果表明系统能够精确测量液位，监控服务器能搜集各客户端上传的液位数据，达到了设计要求，为后续的开发提供了基础。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 磁致伸缩液位测量的研究现状和趋势 2
1.3 课题研究主要内容 2
1.4 论文的组织 3
第2章 总体设计 4
2.1 磁致伸缩液位测量原理 4
2.2 磁致伸缩液位测量系统需求分析和性能要求 5
2.2.1 系统要解决的主要问题 5
2.2.2 系统设计功能目标 5
2.3 系统总体方案设计 6
2.4 系统设计方法 7
第3章 液位测量系统硬件设计 8
3.1 磁致伸缩液位测量系统硬件总体设计 8
3.2 电源模块设计 8
3.3系统核心控制模块设计 9
3.4 激励脉冲驱动电路设计 10
3.5
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回馈信号处理模块设计 11
3.6 显示模块设计 12
3.7 网络通信模块设计 12
第4章 液位测量系统软件设计 14
4.1 液位测量现场系统软件总体设计 14
4.2 显示模块软件设计 14
4.3 网络通信模块软件设计 15
4.3.1 网络通信总体设计 16
4.3.2 W5500以太网模块设计 16
4.3.3 基于TCP/IP协议栈的软件网络接口设计 18
4.3.4 双网络接口联合使用设计 23
4.4 测量仪回馈脉冲采集模块设计 24
4.5 传感器触发脉冲模块设计 25
4.6 液位测量系统监控服务器软件设计 26
4.6.1 网络通信模块设计 27
4.6.2 文件接口模块设计 30
4.6.3 显示、配置模块设计 31
第5章 系统测试 33
5.1 磁致伸缩液位测量系统现场系统测试 33
5.1.1 现场系统信号处理电路测试 33
5.1.2 现场系统回馈脉冲采集测试 33
5.1.3 现场系统网络通信测试 34
5.2 液位测量系统监控服务器软件测试 35
5.2.1 监控服务器软件承载测试 35
5.2.2 监控服务器软件容错测试 37
5.3 系统调试 37
第6章 总结和展望 39
6.1 总结 39
6.2 展望 40
参考文献 41
致 谢 43
附 录1: 实物图 44
附 录2: 文献翻译 45
第1章 绪论
本章首先介绍磁致伸缩液位测量的背景、研究现状，然后介绍本课题的主要研究内容，最后提出本文的组织结构。
1.1 课题的研究背景及意义
1942年，科学家焦耳发现亚磁铁材料、磁铁材料在磁场中其磁化状态改变时，其体积和长度会发生很微小的变化，这一现象称之为磁致伸缩效应，也名焦耳效应，磁致伸缩液位测量是基于磁致伸缩材料特殊效应的一种应用。
表1.1 各种液位测量方式的比较
测量方式
典型精度%FS
范围/m
油水界面
平均温度
标定
使用寿命
可靠性
安装方式
价格
磁致伸缩
0.01
18
可测
可测
不需
长
高
一般
较高
浮球、浮筒
1
10
否
否
需
短
低
一般
低
伺服型浮子
0.01
10
否
否
需
短
高
复杂
高
浮子钢带式
1
20
否
否
需
短
低
复杂
低
静压式
0.5
350
否
否
需
长
高
复杂
较高
电容式
1
15
否
否
需
短
低
复杂
低
超声波
0.5
20
否
否
需
短
高
简单
较高
雷达式
0.05
30
否
否
不需
短
高
简单
高
和传统的液位测量方式相比，比如超声波液位测量传感器、磁浮子式传感器、电容式传感器等，磁致伸缩液位测量有着精度高、量程大、稳定性高、安装方便、性价比高等诸多优点[1]。在石油、化工领域环境恶劣的情况下，磁致伸缩液位测量精度依然能达到0.05%[2]。近年来磁致伸缩液位测量逐渐被广泛应用，相关的产品也越来越多。这些产品测量精度高、性能好，一般配有PROFIBUS、CAN、USB、RS232等通信方式实现数据通信，但因为接口不统一，无法实现数据的共享。
近年来工业控制、工业仪表智能化、网络化已成为趋势，本世纪初欧美西方国家物联网技术就已经很成熟了，在智能家居、智慧城市等方面做了大量研究和投入。几年前，我国也提出了物联网的发展规划，众多公司纷纷推出自己的平台。
因此在工业控制网络化和物联网技术兴起的背景下，如何统一通信方式，实现磁致伸缩液位测量系统网络化是磁致伸缩研究和发展的一个重要课题。
1.2 磁致伸缩液位测量的研究现状和趋势
20世纪后期，国外许多厂商着手研发新一代储油监测系统和磁致伸缩液位测量仪，90年代以来，国外众多著名传感器制造厂商带着它们开发的磁致伸缩液位测量仪和磁致伸缩储油监测系统进军国内市场，并形成了一定数量的应用实例。比如美国MTS公司的LevelPlusM系列磁致伸缩液位传感器,该系列产品具有很大的灵活性,符合绝大多数的过程控制条件。浮子与测杆采用非接触式设计，可根据实际需要在导杆长度方向安置5个温度传感器,可以测量5个点的温度。提供4~20mA模拟量输出和标准的485串行通讯接口数字输出量两种输出模式,在内置的LCD显示表上实时显示液面、界面和温度,这对储罐精密计量特别有利。采用HART通讯协议,可直接与PC机相连,组成一套HIMS(混合型)储罐计量系统。和用其他方法组成同类系统相比较,有着成本低、安装方便、工作可靠性高等诸多优点。此外还有美国KTek公司生产的AT100系列产品；日本东芝公司的M.Sahashi等研发的系列产品。从在中国石化集团公司下属的油品储运企业的调查来看，在加油站或罐上采用了该种产品的企业，基本消除了油品的流失现象和不安全隐患，降低了物流损耗，提高了企业的经济效益。近年来国内也有不少的公司研究和开发此类产品，比如浙江省瑞安市的瑞安智能仪表公司生产的
目 录
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 磁致伸缩液位测量的研究现状和趋势 2
1.3 课题研究主要内容 2
1.4 论文的组织 3
第2章 总体设计 4
2.1 磁致伸缩液位测量原理 4
2.2 磁致伸缩液位测量系统需求分析和性能要求 5
2.2.1 系统要解决的主要问题 5
2.2.2 系统设计功能目标 5
2.3 系统总体方案设计 6
2.4 系统设计方法 7
第3章 液位测量系统硬件设计 8
3.1 磁致伸缩液位测量系统硬件总体设计 8
3.2 电源模块设计 8
3.3系统核心控制模块设计 9
3.4 激励脉冲驱动电路设计 10
3.5
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回馈信号处理模块设计 11
3.6 显示模块设计 12
3.7 网络通信模块设计 12
第4章 液位测量系统软件设计 14
4.1 液位测量现场系统软件总体设计 14
4.2 显示模块软件设计 14
4.3 网络通信模块软件设计 15
4.3.1 网络通信总体设计 16
4.3.2 W5500以太网模块设计 16
4.3.3 基于TCP/IP协议栈的软件网络接口设计 18
4.3.4 双网络接口联合使用设计 23
4.4 测量仪回馈脉冲采集模块设计 24
4.5 传感器触发脉冲模块设计 25
4.6 液位测量系统监控服务器软件设计 26
4.6.1 网络通信模块设计 27
4.6.2 文件接口模块设计 30
4.6.3 显示、配置模块设计 31
第5章 系统测试 33
5.1 磁致伸缩液位测量系统现场系统测试 33
5.1.1 现场系统信号处理电路测试 33
5.1.2 现场系统回馈脉冲采集测试 33
5.1.3 现场系统网络通信测试 34
5.2 液位测量系统监控服务器软件测试 35
5.2.1 监控服务器软件承载测试 35
5.2.2 监控服务器软件容错测试 37
5.3 系统调试 37
第6章 总结和展望 39
6.1 总结 39
6.2 展望 40
参考文献 41
致 谢 43
附 录1: 实物图 44
附 录2: 文献翻译 45
第1章 绪论
本章首先介绍磁致伸缩液位测量的背景、研究现状，然后介绍本课题的主要研究内容，最后提出本文的组织结构。
1.1 课题的研究背景及意义
1942年，科学家焦耳发现亚磁铁材料、磁铁材料在磁场中其磁化状态改变时，其体积和长度会发生很微小的变化，这一现象称之为磁致伸缩效应，也名焦耳效应，磁致伸缩液位测量是基于磁致伸缩材料特殊效应的一种应用。
表1.1 各种液位测量方式的比较
测量方式
典型精度%FS
范围/m
油水界面
平均温度
标定
使用寿命
可靠性
安装方式
价格
磁致伸缩
0.01
18
可测
可测
不需
长
高
一般
较高
浮球、浮筒
1
10
否
否
需
短
低
一般
低
伺服型浮子
0.01
10
否
否
需
短
高
复杂
高
浮子钢带式
1
20
否
否
需
短
低
复杂
低
静压式
0.5
350
否
否
需
长
高
复杂
较高
电容式
1
15
否
否
需
短
低
复杂
低
超声波
0.5
20
否
否
需
短
高
简单
较高
雷达式
0.05
30
否
否
不需
短
高
简单
高
和传统的液位测量方式相比，比如超声波液位测量传感器、磁浮子式传感器、电容式传感器等，磁致伸缩液位测量有着精度高、量程大、稳定性高、安装方便、性价比高等诸多优点[1]。在石油、化工领域环境恶劣的情况下，磁致伸缩液位测量精度依然能达到0.05%[2]。近年来磁致伸缩液位测量逐渐被广泛应用，相关的产品也越来越多。这些产品测量精度高、性能好，一般配有PROFIBUS、CAN、USB、RS232等通信方式实现数据通信，但因为接口不统一，无法实现数据的共享。
近年来工业控制、工业仪表智能化、网络化已成为趋势，本世纪初欧美西方国家物联网技术就已经很成熟了，在智能家居、智慧城市等方面做了大量研究和投入。几年前，我国也提出了物联网的发展规划，众多公司纷纷推出自己的平台。
因此在工业控制网络化和物联网技术兴起的背景下，如何统一通信方式，实现磁致伸缩液位测量系统网络化是磁致伸缩研究和发展的一个重要课题。
1.2 磁致伸缩液位测量的研究现状和趋势
20世纪后期，国外许多厂商着手研发新一代储油监测系统和磁致伸缩液位测量仪，90年代以来，国外众多著名传感器制造厂商带着它们开发的磁致伸缩液位测量仪和磁致伸缩储油监测系统进军国内市场，并形成了一定数量的应用实例。比如美国MTS公司的LevelPlusM系列磁致伸缩液位传感器,该系列产品具有很大的灵活性,符合绝大多数的过程控制条件。浮子与测杆采用非接触式设计，可根据实际需要在导杆长度方向安置5个温度传感器,可以测量5个点的温度。提供4~20mA模拟量输出和标准的485串行通讯接口数字输出量两种输出模式,在内置的LCD显示表上实时显示液面、界面和温度,这对储罐精密计量特别有利。采用HART通讯协议,可直接与PC机相连,组成一套HIMS(混合型)储罐计量系统。和用其他方法组成同类系统相比较,有着成本低、安装方便、工作可靠性高等诸多优点。此外还有美国KTek公司生产的AT100系列产品；日本东芝公司的M.Sahashi等研发的系列产品。从在中国石化集团公司下属的油品储运企业的调查来看，在加油站或罐上采用了该种产品的企业，基本消除了油品的流失现象和不安全隐患，降低了物流损耗，提高了企业的经济效益。近年来国内也有不少的公司研究和开发此类产品，比如浙江省瑞安市的瑞安智能仪表公司生产的
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