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2016最新款电磁流量计系统硬件和电路板的设计

  本章首先简要先容了2016最新款电磁流量计ARM的流量测量系统的硬件基本结构,然后分别对硬件系统各部分进行详细的先容,包括ARM微处理器、励磁信号产生电路、信号采集与处理电路、模数输出电路、通讯电路等。

   3.1测量系统硬件基本结构

   基于ARM的电磁流量计转换器的硬件部分主要由以下几部分构成(见图3 —1):输入输出接口、流量测量接口、通讯接口和入机对话接口。输入输出接口包括数模输出和开关量输入输出;流量测量接口包括信号采集处理、励磁信号产生和ARM微处理器;通讯接口包括RS一232、RS-485和HART;人机对话接口包括键盘和LCD显示。图3—1测量系统硬件结构图其工作过程如下:传感器由一对励磁线圈和一对对称分布的检测电极构成; 线圈接受励磁电路送出的经功率放大后的励磁信号而产生感应磁场,在电极上产生因流体切割磁力线而产生的感应电动势(即测量信号);并将之送入信号处理电路进行处理,信号处理电路对传感器输入的信号进行放大、滤波处理后通过A/D转换器采样后输入单片机系统,通过LCD显示测量值。

   3.2电源系统

   本系统所用电源电压种类较多,包括+24V、±15V、±12V、+5V、。/-3.3V 和+1.8V,如表3—1所示。本系统设计了万能输入式的集成开关式稳压电源, 此电源可输出两个+24V和一个±15V。其它电源电压则通过小型开关芯片或者三端稳压芯片产生,如图3—2所示。表3—1系统电源明细表电源电压单片机系统+5V、+3.3V、+1.8V 信号处理电路±12V 励磁电路+24V、+5V 通讯电路+5V D/A输出单独+24v 期:ljRsil0"13 图3—2电源系统电路图

   3.3单片机系统

   本测量系统MCU选用的是Philips的32位ARM单片机LPC2106㈣,与晶振输入模块、复位电路、LCD显示模块和键盘模块共同构成单片机系统。详细电路图如图3—3所示。图3—3单片机系统电路图器LPC2106是一款支撑实时仿真和跟踪的ARM7TDMI.S微处理器。自带128KB高速Flash存储器,采用3级流水线技术,取指、译码和实行同时进行, 能够并行处理指令,提高了CPU运行速度。由于内含多个32位定时器、PWM 输出和32个GPIO,且无需外扩RAM 具有较小的尺寸和较低的功耗,非常适用于本系统的小型化要求。CPU通过SPI总线和A/D、D/A以及LCD控制芯片相互通讯,只需3根数据线和控制线即可扩展所有外围器件,大大提高了系统的可靠性、减少了尺寸、降低了成本。此外,LPC2106还自带PWM输出,可直接用于输出频率信号和脉冲当量。LPC2106可使用外部晶振或者外部时钟源,时钟频率为10~25MHz,内部PI,L电路可调整时钟,使系统运行速度更快(CPU最大操作频率为60Hz)。系统时钟电路如图3—3,用1M Q电阻R3并接到晶振的两端,使系统更容易起振。由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低,因此对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性提出了更高的要求。所以本系统的复位电路使用了专用上电复位芯片MAX803。RST引脚为施密特触发器输入引脚, 带有一个额外的干扰滤波器。上电复位芯片提供的芯片复位会启动唤醒定时器, 只有当外部复位撤除后,震荡器才开始运行。当计数达到一个固定个数的时钟时, Flash控制器完成其初始化。

    单片机系统的LCD显示模块使用一种内置8192个16"16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器,LCD显示屏与LPC2106通过SPI完成数据和命令通讯。由于LPC2106为3.3V CMOS器件,而LCD显示屏是5V TT[。器件,因此由LPC2106输出的信号可以使LCD显示屏工作,而LCD显示屏则不能反向向LPC2106输入信号。液晶只需要接受数据即可,无需反馈数据回来, 所以在LPC2106与LCD显示屏的通讯中,不需要MISO这条口线。系统的键盘模块采用独立按键式键盘。由四颗独立按键分别与四个上拉电阻共同和LPC2106的P0.10、P0.11、PO.23和PO.24相连,通过读取GPIO引脚寄存器IOPIN的值,来判断键盘输入。

   3.4励磁电路

   本系统励磁电路由信号产生电路和励磁信号功率放大电路两部分组成。在低频矩形波励磁方式中,通常采用以下两种励磁电路:1)首先对工频50Hz 交流电进行变压,然后通过方波整形产生50Hz矩形波,最后通过八进制计数器分频后得到所需要的励磁频率(如6.25Hz)的励磁信号。之后再经过开关管进行功率放大后输入到励磁线圈,如图3—4(a)所示。2)采用脉宽调制的方法,由四个模拟开关组成桥式开关,传感器励磁线圈接在桥式开关的对角线问,两组开关分别受励磁控制脉冲控制,交替地导通和截止,产生励磁信号,之后接基本恒流源进行功率放大,如图3—4(b)所示。(a)低频矩形波励磁信号产生示意图(b)低频矩形波励磁信号产生示意图图3--4低频矩形波励磁信号产生示意图在智能化的转换器中,低频矩形波励磁的控制脉冲和同步采样控制脉冲可以由时钟脉冲经定时计数器的App分频送入中断得到。本系统励磁信号产生电路通过LPC2106单片机的定时器进行分频,可App编程修改励磁频率,为电磁流量计选择不同的励磁频率提供了很大的方便。本系统的恒流源是采用集成的调整式三端稳压器组成恒流源励磁电路,此方法较为简单。由于LMll7的基准电压是1.25V,若恒流源使用5 Q基准限流电阻,即可得到250mA的恒定电流。而传统的方法是1.25V基准电压集成在调整晶体和比较放大器等器件之内,其基准电压的精度和温度稳定性不能象图3—4那样有更高的选择。所以应用三端稳压器构成的励磁恒流源,精度和稳定性不如分立组合的恒流源励磁电流高。不过励磁电流达±0.1%精度没有问题,所以在中小121径传感励磁电路中经常使用。基本的恒流源励磁电路和三端稳压器构成的恒流源电路都属于模拟的调整电路,它们的调整晶体管必须工作在线性放大区内,集电极和发射极间必须有适当的工作电压降。这样调整晶体管必须承担一定的功率损耗,这就带来了要求选择充分大的功率极限调整晶体管和配备大的散热器及散热空间。所以为了降低调整晶体管的直流工作电压降,进而降低稳压器功耗、提高效率,大家设计了基于开关原理的恒流源电路,它可以根据负载自动调节输出,适用范围大、功耗低,并且体积缩小、可靠性提高、方便生产。

   3.5信号处理电路

   电磁流量计是法拉第电磁感应定律的具体应用。导电流体在磁场中流动切割磁力线,产生感应电动势。此感应电动势是一个微弱的交变信号,在实际测量中基本上可以测出lm/s流速对应O.1mV感应电动势[eli。且此信号内阻高,为兆欧级,同时噪声信号多,尤其为50Hz工频干扰,幅值远远大于流量的感应电动势信号。信号处理电路是传感器和单片机系统的中介,它是测量系统中硬件的关键部分,作用是将传感器的感应电势信号(微伏至毫伏级的交流信号)转变为A/D 转换器可按受的直流信号(O~3.3"9),送入ARM单片机。其电路原理框图如图3—5所示。SIG+ 滤\ 低二电通隔级平A,D 直放平转换墨波/级放大净波大移预滤_. SIG一处理图3—5信号处理电路原理框图下面以模拟信号发生器在3m/s档位处为输入信号,来观察信号处理后输出的波形,从模拟信号发生器输出的信号见图3—6的通道2,肉眼完全无法分辨出信号。图3—6输出信号波形信号处理电路由以下单元组成: 

   (1)滤波预处理单元

   电路如图3—7所示。图3—7滤波预处理单元电路电阻心和电容C7构成低通滤波器,消除高频干扰。

   (2)一级信号放大单元电路如图3—8所示。图3—8一级信号放大电路为了对电极检测到的小信号进行处理,需将其放大。这里选用了仪表放大器AD620。仪表放大器是一种用来测量两个输入端之间的电位差,并以设定的增益对信号进行精密放大的专用增益模块,它是与传感器配合使用的重要放大器。它有着良好的特性:1)输入阻抗高,可高于109欧姆;2)偏置电流低:3)共模抑制比高;4)平衡的差动输入;5)具有良好的温度稳定性;6)增益可由用户选择不同的增益电阻来确定;7)单端输出。AD620的具体性能可参阅其数据手册。使用AD620时只需外接一增益电阻即可,大家选用了5K电阻作为AD620 的增益电阻,放大倍数约为10倍。由于第一级放大电路的输入端直接与测量电极相连,而电极在导电液体处于静止状态时两电极间就已经有电动势存在。这个电动势是由液体中的各种带电离子和孙界电磁场对液体及管壁的干扰而产生的。由于这个电动势变化无常、时大时小,因此如果第一级输入不使用隔直电容,电极两端这个变化无常的电动势就会直接被放大。为了不让第一级的输出进入饱和或截止区域就必须使放大倍数稍小一些。u2的作用是屏蔽驱动。有源屏蔽驱动电路就是将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后,使其输入端的共模电压1:1的输出,并通过输出端各自电阻(阻值相等)加到传感器的两个电缆屏蔽层上。即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动,而不是接地。电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零,它消除了屏蔽电缆电容的影响,提高了电路的共模抑制能力。.级信号放大电路处理后信号波形见图3~9。图3--9一级信号放大电路输出波形

  (3)低通滤波隔直单元电路如图3一lO所示。图3—10低通滤波隔直电路经过前面各单元的处理,感应电动势信号有可能仍然存在一定的高频尖峰噪声,这将对后续的电平提升电路产生.定的影响。因此设计了此单位增益的二阶巴特沃斯低通滤波器。在此滤波电路中,R和C分别取47K..Q和O.1沁,则低通截止频率为fn:—L。33 “ .9Hz2nRC (3—1) 此频率约为励磁频率的7倍。滤波后使用涤纶电容C20,滤除直流信号,以免第二级的输出进入饱和或截止区域。处理后信号波形见图3—11。图3—11低通滤波隔直电路输出波形

   (4)二级信号放大单元电路图如图3—12所示。R]4。图3—12二级放大电路利用运算放大器组成同相放大电路,公式如下: vo州半):Vjn(1+导(3--2) 式中Vo为输出,Vin为输入,R2对应于图中电阻R15,Rl对应于图中电阻则放大倍数约为21,所以整个模拟电路的放大倍数约为2t0倍。处理后信号波形见图3一13。图3—13二级放大电路输出波形

   (5)信号电平提升单元电路图如图3—14所示。Ⅸ L蛐舡zIi5 图3—14信号电平提升电路由于AD7715只能输入绝对正的电压,而经过信号处理电路后的流量信号为双极性信号,因此必须经过电平提升电路将信号转换为单极性信号。在电平提升电路中,通过与参考电压反向相加后变为单极性信号,再通过反相器将要送入电压跟随器信号变成与原流量信号N*H,最后送入A/D转换器。电平提升电路处理后信号波形见图3—15,反相电路处理后信号波形见图3—16。图3—15信号电平提升电路输出波形浙江犬学硕士学位论文

   (6)A/D转换

  电路图如图3—17所示。图3—16反相电路输出波形图3—17A/D转换电路圈SS趁j 信号经过电压跟随器后送入A/D转换器。AD转换单元采用的AD企业16 位Σ一△型AiD转换器AD7715。这种ADC只需极少外接元件就可直接处理微弱信号,适合嵌入式系统的应用,也适合应用在很多测量分析仪器中,取代传统的A/D转换器。AD7715模数转换器是美国模拟器件企业(ADD出品的采用和差转换技术(Σ.A技术)的系列ADC之一。该系列A/D转换器均由信号缓冲、可编程增益放大、Σ-△调制器、数字滤波、三线串行接口等几部分组成,此类ADC 可以应用到手持仪器、工业仪表、DSP设备等便携式系统中,以发挥其小体积、低功耗的特点。本系统在A/D转换单元采用AD7715,它不仅简化了电路、缩小了面积、提高了分辨率,而且在抗干扰能力上不逊于双积分式的7109;在量程处理和输入信号的阻抗要求上比逐次逼近式的574灵活方便。转换速度其实也是可变的,其满足精度要求后的速度虽然和574不是一个数量级,但远比7109快, 足以满足系统的转换频率要求。由于其可直接处理微弱信号,使得模拟信号的放大倍数只需200左右就可以满足所有的测量要求。

  3.6 D/A输出电路

   D/A输出电路选用是AD421,它是美国ADI企业推出的一种高性能数模转换器芯片。它由电流环路供电,16位数字信号以串行方式输入,4-20mA电流输出,是为满足在工业自动控制领域的智能变送器要求而设计的。它提供了高精度、全集成、低功耗的解决方案,可实现低成本的远程智能工业控制。AD421包含一个16位Σ-△数模转换器,可将输入锁存器中的数字信号转换为电流信号。Σ一△ 结构在高分辨率下固有的单调性,在工业控制环境的相对较低的带宽要求下特别有用。AD421环路供电4-20mA数模转换器还预留HART调制解调器的接口。工作过程为Σ-ADAC在时钟(CLOCK)的作用下,输入位移寄存器把DATA 引脚上的数据逐次读入,LATCH锁存脉冲把寄存器的数据锁存到DAC中。16 位Σ_△的DAC输出一串变换后的电流,然后经过三级阻容滤波,DAC输出的电流送入精密电流放大器放大。精密电流放大器由运算放大器和NPN型三极管构成,控制LOOP RTN引脚电流。40fl取样电阻上的电压降通过80K.Q电阻反馈回精密电流放大器输入端,与DAC输出相等。电路图见3—18。

  3。7通讯电路

   图3—18D/A转换电路图系统的通讯模块包含RS.232接151和RS一485接1:3,用户可以根据需要选择相应的通讯方式,方便地与上位机进行通讯。通讯电路图如3—19所示。图3—19通讯电路图大家选用MAX3480,它的需要的电源为3.3V,并将高频变压器、光耦和RS。485通讯模块集中在一片IC上,使用方便,隔离电压可达2500V。可以承受高电压、持续时间长的瞬态干扰,系统实现容易。

   本章在前一章提出总体结构方案的基础上,重点对电磁流量计转换器的信号处理电路,励磁电路,数模转换电路,通讯电路进行设计,并给出以上各部分的实际电路。本章为电磁流量计系统App设计奠定了坚实的基础。

 


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