本章首先簡(jiǎn)要介紹了2016一款電磁流量計(jì)ARM的流量測(cè)量系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)，然后分別對(duì)硬件系統(tǒng)各部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹，包括ARM微處理器、勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路、信號(hào)采集與處理電路、模數(shù)輸出電路、通訊電路等。
3．1測(cè)量系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)
基于ARM的電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的硬件部分主要由以下幾部分構(gòu)成(見圖3 —1)：輸入輸出接口、流量測(cè)量接口、通訊接口和入機(jī)對(duì)話接口。輸入輸出接口包括數(shù)模輸出和開關(guān)量輸入輸出；流量測(cè)量接口包括信號(hào)采集處理、勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生和ARM微處理器；通訊接口包括RS***232、RS-485和HART；人機(jī)對(duì)話接口包括鍵盤和LCD顯示。圖3—1測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖其工作過程如下：傳感器由對(duì)勵(lì)磁線圈和對(duì)對(duì)稱分布的檢測(cè)電極構(gòu)成； 線圈接受勵(lì)磁電路送出的經(jīng)功率放大后的勵(lì)磁信號(hào)而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，在電極上產(chǎn)生因流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(即測(cè)量信號(hào))；并將之送入信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，信號(hào)處理電路對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理后通過A／D轉(zhuǎn)換器采樣后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過LCD顯示測(cè)量值。
3．2電源系統(tǒng)
本系統(tǒng)所用電源電壓種類較高多，包括+24V、±15V、±12V、+5V、。／-3．3V 和+1．8V，如表3—1所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了***輸入式的集成開關(guān)式穩(wěn)壓電源， 此電源可輸出兩個(gè)+24V和一個(gè)±15V。其它電源電壓則通過小型開關(guān)芯片或***三端穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生，如圖3—2所示。表3—1系統(tǒng)電源明細(xì)表電源電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)+5V、+3．3V、+1．8V 信號(hào)處理電路±12V 勵(lì)磁電路+24V、+5V 通訊電路+5V D／A輸出單獨(dú)+24v 期：ljRsil0"13 圖3—2電源系統(tǒng)電路圖
3．3單片機(jī)系統(tǒng)
本測(cè)量系統(tǒng)MCU選用的是Philips的32位ARM單片機(jī)LPC2106㈣，與晶振輸入模塊、復(fù)位電路、LCD顯示模塊和鍵盤模塊共同構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。詳細(xì)電路圖如圖3—3所示。圖3—3單片機(jī)系統(tǒng)電路圖器LPC2106是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI．S微處理器。自帶128KB高速Flash存儲(chǔ)器，采用3***流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行， 能夠并行處理指令，提高了CPU運(yùn)行速度。由于內(nèi)含多個(gè)32位定時(shí)器、PWM 輸出和32個(gè)GPIO，且無需外擴(kuò)RAM 具有較高小的尺寸和較高低的功耗，非常適用于本系統(tǒng)的小型化要求。CPU通過SPI總線和A／D、D／A以及LCD控制芯片相互通訊，只需3根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展所有外圍器件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、減少了尺寸、降低了成本。此外，LPC2106還自帶PWM輸出，可直接用于輸出頻率信號(hào)和高沖當(dāng)量。LPC2106可使用外部晶振或國外部時(shí)鐘源，時(shí)鐘頻率為10～25MHz，內(nèi)部PI，L電路可調(diào)整時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度***快(CPU***操作頻率為60Hz)。系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖3—3，用1M Q電阻R3并接到晶振的兩端，使系統(tǒng)一容易起振。由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，因此對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性提出了的要求。所以本系統(tǒng)的復(fù)位電路使用了專用上電復(fù)位芯片MAX803。RST引腳為施密***觸發(fā)器輸入引腳， 帶有一個(gè)額外的干擾濾波器。上電復(fù)位芯片提供的芯片復(fù)位會(huì)啟動(dòng)喚醒定時(shí)器， 只有當(dāng)外部復(fù)位撤除后，震蕩器才開始運(yùn)行。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到一個(gè)固定個(gè)數(shù)的時(shí)鐘時(shí)， Flash控制器完成其初始化。
單片機(jī)系統(tǒng)的LCD顯示模塊使用一種內(nèi)置8192個(gè)16"16點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，LCD顯示屏與LPC2106通過SPI完成數(shù)據(jù)和命令通訊。由于LPC2106為3．3V CMOS器件，而LCD顯示屏是5V TT[。器件，因此由LPC2106輸出的信號(hào)可以使LCD顯示屏工作，而LCD顯示屏則不能反向向LPC2106輸入信號(hào)。液晶只需要接受數(shù)據(jù)即可，無需反饋數(shù)據(jù)回來， 所以在LPC2106與LCD顯示屏的通訊中，不需要MISO這條口線。系統(tǒng)的鍵盤模塊采用***立按鍵式鍵盤。由四顆***立按鍵分別與四個(gè)上拉電阻共同和LPC2106的P0．10、P0．11、PO．23和PO．24相連，通過讀取GPIO引腳寄存器IOPIN的值，來判斷鍵盤輸入。
3．4勵(lì)磁電路
本系統(tǒng)勵(lì)磁電路由信號(hào)產(chǎn)生電路和勵(lì)磁信號(hào)功率放大電路兩部分組成。在低頻矩形波勵(lì)磁方式中，通常采用以下兩種勵(lì)磁電路：1)首先對(duì)工頻50Hz 交流電進(jìn)行變壓，然后通過方波整形產(chǎn)生50Hz矩形波，最后通過八進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻后得到所需要的勵(lì)磁頻率(如6．25Hz)的勵(lì)磁信號(hào)。之后再經(jīng)過開關(guān)管進(jìn)行功率放大后輸入到勵(lì)磁線圈，如圖3—4(a)所示。2)采用更寬調(diào)制的方法，由四個(gè)模擬開關(guān)組成橋式開關(guān)，傳感器勵(lì)磁線圈接在橋式開關(guān)的對(duì)角線問，兩組開關(guān)分別受勵(lì)磁控制高沖控制，交替地導(dǎo)通和截止，產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)，之后接基本恒流源進(jìn)行功率放大，如圖3—4(b)所示。(a)低頻矩形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生示意圖(b)低頻矩形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生示意圖圖3--4低頻矩形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生示意圖在智能化的轉(zhuǎn)換器中，低頻矩形波勵(lì)磁的控制高沖和同步采樣控制高沖可以由時(shí)鐘高沖經(jīng)定時(shí)計(jì)數(shù)器的軟件分頻送入中斷得到。本系統(tǒng)勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路通過LPC2106單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵(lì)磁頻率，為電磁流量計(jì)選擇不同的勵(lì)磁頻率提供了很大的方便。本系統(tǒng)的恒流源是采用集成的調(diào)整式三端穩(wěn)壓器組成恒流源勵(lì)磁電路，此方法較高為簡(jiǎn)單。由于LMll7的基準(zhǔn)電壓是1．25V，若恒流源使用5 Q基準(zhǔn)限流電阻，即可得到250mA的恒定電流。而傳統(tǒng)的方法是1．25V基準(zhǔn)電壓集成在調(diào)整晶體和比較高放大器等器件之內(nèi)，其基準(zhǔn)電壓的精度和溫度穩(wěn)定性不能象圖3—4那樣有的選擇。所以應(yīng)用三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的勵(lì)磁恒流源，精度和穩(wěn)定性不如分立組合的恒流源勵(lì)磁電流***。不過勵(lì)磁電流達(dá)±0．1％精度沒有問題，所以在中小121徑傳感勵(lì)磁電路中經(jīng)常使用?；镜暮懔髟磩?lì)磁電路和三端穩(wěn)壓器構(gòu)成的恒流源電路都屬于模擬的調(diào)整電路，它們的調(diào)整晶體管必須工作在線性放大區(qū)內(nèi)，集電極和發(fā)射***間必須有適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷航?。這樣調(diào)整晶體管必須承擔(dān)一定的功率損耗，這就帶來了要求選擇充分大的功率***限調(diào)整晶體管和配備大的散熱器及散熱空間。所以為了降低調(diào)整晶體管的直流工作電壓降，進(jìn)而降低穩(wěn)壓器功耗、提高效率，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于開關(guān)原理的恒流源電路，它可以根據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，適用范圍大、功耗低，并且體積縮小、可靠性提高、方便生產(chǎn)。
3．5信號(hào)處理電路
電磁流量計(jì)是法拉第電磁感應(yīng)定律的具體應(yīng)用。導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)微弱的交變信號(hào)，在實(shí)際測(cè)量中基本上可以測(cè)出lm／s流速對(duì)應(yīng)O．1mV感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[eli。且此信號(hào)內(nèi)阻***，為兆歐***，同時(shí)噪聲信號(hào)多，尤其為50Hz工頻干擾，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。信號(hào)處理電路是傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)的中介，它是測(cè)量系統(tǒng)中硬件的關(guān)鍵部分，作用是將傳感器的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)(微伏***毫伏***的交流信號(hào))轉(zhuǎn)變?yōu)锳／D 轉(zhuǎn)換器可按受的直流信號(hào)(O～3．3"9)，送入ARM單片機(jī)。其電路原理框圖如圖3—5所示。SIG+ 濾＼ 低二電通隔***平A，D 直放平轉(zhuǎn)換墨波／放大凈波大移預(yù)濾_． SIG高處理圖3—5信號(hào)處理電路原理框圖下面以模擬信號(hào)發(fā)生器在3m／s檔位處為輸入信號(hào)，來觀察信號(hào)處理后輸出的波形，從模擬信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)見圖3—6的通道2，肉眼完全無法分辨出信號(hào)。圖3—6輸出信號(hào)波形信號(hào)處理電路由以下單元組成：
(1)濾波預(yù)處理單元
電路如圖3—7所示。圖3—7濾波預(yù)處理單元電路電阻心和電容C7構(gòu)成低通濾波器，消除高頻干擾。
(2)***高信號(hào)放大單元電路如圖3—8所示。圖3—8***高信號(hào)放大電路為了對(duì)電極檢測(cè)到的小信號(hào)進(jìn)行處理，需將其放大。這里選用了儀表放大器AD620。儀表放大器是一種用來測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入端之間的電位差，并以設(shè)定的增益對(duì)信號(hào)進(jìn)行精密放大的專用增益模塊，它是與傳感器配合使用的重要放大器。它有著良好的特性：1)輸入阻抗***，可高于109歐姆；2)偏置電流低：3)共模抑制比高；4)平衡的差動(dòng)輸入；5)具有良好的溫度穩(wěn)定性；6)增益可由用戶選擇不同的增益電阻來確定；7)單端輸出。AD620的具體性能可參閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)。使用AD620時(shí)只需外接***增益電阻即可，我們選用了5K電阻作為AD620 的增益電阻，放大倍數(shù)約為10倍。由于***放大電路的輸入端直接與測(cè)量電極相連，而電極在導(dǎo)電液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)兩電極間就已經(jīng)有電動(dòng)勢(shì)存在。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)是由液體中的各種帶電離子和孫界電磁場(chǎng)對(duì)液體及管壁的干擾而產(chǎn)生的。由于這個(gè)電動(dòng)勢(shì)變化無常、時(shí)大時(shí)小，因此如果******輸入不使用隔直電容，電極兩端這個(gè)變化無常的電動(dòng)勢(shì)就會(huì)直接被放大。為了不讓的輸出進(jìn)入飽和或截止區(qū)域就必須使放大倍數(shù)稍小一些。u2的作用是屏蔽驅(qū)動(dòng)。有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路就是將差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)輸出經(jīng)兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例差動(dòng)放大后，使其輸入端的共模電壓1：1的輸出，并通過輸出端各自電阻(阻值相等)加到傳感器的兩個(gè)電纜屏蔽層上。即兩個(gè)輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅(qū)動(dòng)，而不是接地。電纜輸入芯線和屏蔽層之間的共模電壓為***，它消除了屏蔽電纜電容的影響，提高了電路的共模抑制能力。.高信號(hào)放大電路處理后信號(hào)波形見圖3～9。圖3--9***高信號(hào)放大電路輸出波形
(3)低通濾波隔直單元電路如圖3***lO所示。圖3—10低通濾波隔直電路經(jīng)過前面各單元的處理，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)有可能仍然存在一定的高頻尖峰噪聲，這將對(duì)后續(xù)的電平提升電路產(chǎn)生.定的影響。因此設(shè)計(jì)了此單位增益的二***巴***沃斯低通濾波器。在此濾波電路中，R和C分別取47K．．Q和O．1沁，則低通截止頻率為fn：—L。33 “ ．9Hz2nRC (3—1) 此頻率約為勵(lì)磁頻率的7倍。濾波后使用滌綸電容C20，濾除直流信號(hào)，以免第二***的輸出進(jìn)入飽和或截止區(qū)域。處理后信號(hào)波形見圖3—11。圖3—11低通濾波隔直電路輸出波形
(4)二高信號(hào)放大單元電路圖如圖3—12所示。R]4。圖3—12二放大電路利用運(yùn)算放大器組成同相放大電路，公式如下： vo州半)：Vjn(1+導(dǎo)(3--2) 式中Vo為輸出，Vin為輸入，R2對(duì)應(yīng)于圖中電阻R15，Rl對(duì)應(yīng)于圖中電阻則放大倍數(shù)約為21，所以整個(gè)模擬電路的放大倍數(shù)約為2t0倍。處理后信號(hào)波形見圖3***13。圖3—13二放大電路輸出波形
(5)信號(hào)電平提升單元電路圖如圖3—14所示。Ⅸ L蛐舡zIi5 圖3—14信號(hào)電平提升電路由于AD7715只能輸入***正的電壓，而經(jīng)過信號(hào)處理電路后的流量信號(hào)為雙特性信號(hào)，因此必須經(jīng)過電平提升電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為單特性信號(hào)。在電平提升電路中，通過與參考電壓反向相加后變?yōu)閱翁匦孕盘?hào)，再通過反相器將要送入電壓跟隨器信號(hào)變成與原流量信號(hào)N*H，最后送入A／D轉(zhuǎn)換器。電平提升電路處理后信號(hào)波形見圖3—15，反相電路處理后信號(hào)波形見圖3—16。圖3—15信號(hào)電平提升電路輸出波形浙江犬學(xué)碩士學(xué)位論文
(6)A／D轉(zhuǎn)換
電路圖如圖3—17所示。圖3—16反相電路輸出波形圖3—17A／D轉(zhuǎn)換電路圈SS趁j 信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器后送入A／D轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換單元采用的AD公司16 位Σ***△型AiD轉(zhuǎn)換器AD7715。這種ADC只需少外接元件就可直接處理微弱信號(hào)，適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，也適合應(yīng)用在很多測(cè)量分析儀器中，取代傳統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器。AD7715模數(shù)轉(zhuǎn)換器是美國模擬器件公司(ADD出品的采用和差轉(zhuǎn)換技術(shù)(Σ．A技術(shù))的系列ADC之一。該系列A／D轉(zhuǎn)換器均由信號(hào)緩沖、可編程增益放大、Σ-△調(diào)制器、數(shù)字濾波、三線串行接口等幾部分組成，此類ADC 可以應(yīng)用到手持儀器、工業(yè)儀表、DSP設(shè)備等便攜式系統(tǒng)中，以發(fā)揮其小體積、低功耗的特點(diǎn)。本系統(tǒng)在A／D轉(zhuǎn)換單元采用AD7715，它不僅簡(jiǎn)化了電路、縮小了面積、提高了分辨率，而且在抗干擾能力上不遜于雙積分式的7109；在量程處理和輸入信號(hào)的阻抗要求上比逐次逼近式的574靈活方便。轉(zhuǎn)換速度其實(shí)也是可變的，其滿足精度要求后的速度雖然和574不是一個(gè)數(shù)量***，但遠(yuǎn)比7109快， 足以滿足系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換頻率要求。由于其可直接處理微弱信號(hào)，使得模擬信號(hào)的放大倍數(shù)只需200左右就可以滿足所有的測(cè)量要求。
3．6 D/A輸出電路
D／A輸出電路選用是AD421，它是美國ADI公司推出的一種特性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片。它由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)以串行方式輸入，4-20mA電流輸出，是為滿足在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域的智能變送器要求而設(shè)計(jì)的。它提供了精度、全集成、低功耗的解決方案，可實(shí)現(xiàn)低成本的遠(yuǎn)程智能工業(yè)控制。AD421包含一個(gè)16位Σ-△數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可將輸入鎖存器中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。Σ***△ 結(jié)構(gòu)在***分辨率下固有的單調(diào)性，在工業(yè)控制環(huán)境的相對(duì)較高低的帶寬要求下特別有用。AD421環(huán)路供電4-20mA數(shù)模轉(zhuǎn)換器還預(yù)留HART調(diào)制解調(diào)器的接口。工作過程為Σ-ADAC在時(shí)鐘(CLOCK)的作用下，輸入位移寄存器把DATA 引腳上的數(shù)據(jù)逐次讀入，LATCH鎖存高沖把寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到DAC中。16 位Σ_△的DAC輸出***串變換后的電流，然后經(jīng)過三***阻容濾波，DAC輸出的電流送入精密電流放大器放大。精密電流放大器由運(yùn)算放大器和NPN型三***管構(gòu)成，控制LOOP RTN引腳電流。40fl取樣電阻上的電壓降通過80K．Q電阻反饋回精密電流放大器輸入端，與DAC輸出相等。電路圖見3—18。
3。7通訊電路
圖3—18D／A轉(zhuǎn)換電路圖系統(tǒng)的通訊模塊包含RS．232接151和RS***485接1：3，用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的通訊方式，方便地與上位機(jī)進(jìn)行通訊。通訊電路圖如3—19所示。圖3—19通訊電路圖我們選用MAX3480，它的需要的電源為3．3V，并將高頻變壓器、光耦和RS。485通訊模塊集中在***片IC上，使用方便，隔離電壓可達(dá)2500V。可以承受高電壓、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的瞬態(tài)干擾，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容易。
本章在前***章提出總體結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)處理電路，勵(lì)磁電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，通訊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出以上各部分的實(shí)際電路。本章為電磁流量計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。