電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
  對(duì)于電磁流量計(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)以下一些功能：
   (1)輸入模塊： A．電磁流量傳感器電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電壓信號(hào)； B．50HZ工頻同步信號(hào)；
   (2)信號(hào)處理模塊： A．輸入信號(hào)的差分； B．模擬信號(hào)的分級(jí)放大及濾波； C．模擬信號(hào)的區(qū)間映射； D．基于基線控制的信號(hào)反饋；
  (3)輸出模塊： A．雙頻矩形波勵(lì)磁信號(hào)； B．反映流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)；
  在整個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)中，主要解決的難點(diǎn)在于：
  (1)模擬信號(hào)的區(qū)間映射關(guān)系
  為了把經(jīng)過差分、放大的模擬信號(hào)送入cPU的ADC，必須通過模擬電路信號(hào)映射到ADC正常工作的信號(hào)區(qū)間；同時(shí)CPU的DAC輸出信號(hào)，為了可以正常反饋至放大級(jí)的輸入端，也必須經(jīng)過區(qū)間映射。
  (2)信號(hào)測(cè)量時(shí)序設(shè)計(jì)
  為了保證每個(gè)勵(lì)磁周期兩次采樣的對(duì)稱性，以及消除磁場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生的正交與同相干擾和共模干擾等，需要從電源取出一個(gè)50Hz同步信號(hào)，以之為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)勵(lì)磁波形以及采樣時(shí)刻；同時(shí)基于基線控制的反饋信號(hào)也是通過ADC送入cPu，需要在每個(gè)勵(lì)磁周期起始階段勵(lì)磁為零時(shí)進(jìn)行。
    信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
   c805lF060是高度集成的片上系統(tǒng)混合信號(hào)單片機(jī)㈣，片內(nèi)集成了兩個(gè)16 位lMsps的ADc、兩個(gè)10位200K5ps的DAc和八個(gè)lO位ADc，*可以滿足電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，不需要再另外擴(kuò)展模擬外設(shè)。此型號(hào)單片機(jī)采用與8051兼容的cIP一5I內(nèi)核．有多達(dá)59個(gè)數(shù)字U0口，使井j方便，功能豐富．為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了極大的便利。
   5．2．1∞05tF∞O單片機(jī)簡(jiǎn)介
   美國cygnal公司推出的c8051F系列單片機(jī)．將51系列單片機(jī)從McL級(jí)推向了soc時(shí)代。特別是c8051 F06x系列，更是集當(dāng)前單片機(jī)發(fā)展技術(shù)于一身，其功能已完牟達(dá)到板卡級(jí)水平㈣。圖5 1 c8051F06x系列單片機(jī)內(nèi)部模塊示意圖
   (1)高速805l位控制器內(nèi)核
  ——流水線指令結(jié)構(gòu)：70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期——速度可達(dá)25M口S(25MHz時(shí)鐘)； ——靈活的中斷源；
  (2)*的模擬外設(shè)——兩個(gè)16位SAR ADC 16位位分辨率； 0．75LSB INL，保證無失碼； 可編程轉(zhuǎn)換速率，1Msps； 可作為兩個(gè)單端或一個(gè)差分轉(zhuǎn)換器； 直接存儲(chǔ)器存?。粩?shù)據(jù)存儲(chǔ)器到RAM中，不需額外軟件開銷數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器內(nèi)建溫度傳感器； ——1 0位SAR ADC 可編程轉(zhuǎn)換速率，200kSps； 8個(gè)外部輸入，單端或差分方式； 內(nèi)部溫度傳感器； ——兩個(gè)12位DAC 可用定時(shí)器觸發(fā)同步輸出，用于產(chǎn)生無抖動(dòng)波形； ——三個(gè)模擬比較器可編程回差電壓／響應(yīng)時(shí)間； ——電壓基準(zhǔn)——精確VDD監(jiān)視器和欠壓檢測(cè)器
   (3)存儲(chǔ)器及數(shù)字外設(shè)片上集成有64I(B Flash、4352B內(nèi)部RAM(256+4kB，可外擴(kuò)至64KB)、59個(gè)I／O口、以及可編程的16位計(jì)數(shù)器陣列(PCA)有6個(gè)捕捉／比較模塊和5個(gè)通用的16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器等功能。由于C8051F060的高集成度，因而無需外擴(kuò)RoM、RAM、AD、DA、watchdog、可編程I／0口和EEPRoM(用片內(nèi)Flash實(shí)現(xiàn))，從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路，并為構(gòu)成以C8051F060為核心的單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)還集成了Bosch控制器局域網(wǎng)(CAN2．OB)和可同時(shí)使用的硬件舢喱鼬、SPI及兩個(gè)U觸汀串行端口。
  (4)獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)
   具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F060是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能／禁止和配置。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新805l固件。
   (5)片內(nèi)JTAG調(diào)試
   片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)， 所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。
   5．2．2硬件電路的總體設(shè)計(jì)
   相對(duì)于以往由數(shù)字邏輯電路組成控制的設(shè)計(jì)來說，采用微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)更為容易，且可以完成更為復(fù)雜的控制功能。由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行復(fù)雜的控制及數(shù)據(jù)處理工作，因此采用了以CPU為中心進(jìn)行各種控制及數(shù)據(jù)處理的數(shù)字化的總體設(shè)計(jì)方案，用高速混合信號(hào)ISP Fl嬲h微控制器C805lF060來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集計(jì)算，完成勵(lì)磁、數(shù)據(jù)采集、放大器電路的調(diào)零所需的各種控制，并完成計(jì)量所需的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算。瓢管道J I差分《J二：： 判別信號(hào)是否正常? 模擬信號(hào)區(qū)間映射模擬信號(hào)區(qū)間映射面習(xí)鬯塑—‘’。。1。。1 I nnD ADcl CP廣C805lF060 墜叫nF DACO F一————J lUART 工頻信號(hào)提取模塊工同步信號(hào)幽圖5．2信號(hào)處理系統(tǒng)組成框圖根據(jù)5．1節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，信號(hào)處理系統(tǒng)主要包括輸入、輸出和信號(hào)處理模塊，其硬件組成如圖5．2所示。輸入部分除了電磁流量傳感器電極兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，還有一個(gè)做時(shí)序控制的同步信號(hào)。本系統(tǒng)基于4．3節(jié)的基線控制法，勵(lì)磁、采樣和反饋要滿足特一射放濾一醫(yī)愜署磊瞅一號(hào)射定的時(shí)序關(guān)系，幾個(gè)信號(hào)需要*同步。所以就把工頻信號(hào)通過模擬電路提取出一個(gè)50Hz的同步信號(hào)用作時(shí)序控制的基準(zhǔn)信號(hào)。輸出部分除了要把計(jì)算得出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)(流量信號(hào))通過UART送到PC，還要輸出勵(lì)磁信號(hào)給勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊，控制電磁流量傳感器的磁場(chǎng)變化。本系統(tǒng)采用三值低頻正負(fù)矩形波勵(lì)磁(如圖5．3所示)即在低頻方波的每個(gè)周期內(nèi)有兩次零態(tài)，勵(lì)磁的波形為：零態(tài)一正值一零態(tài)一負(fù)值。三值低頻矩形波勵(lì)磁比低頻矩形波勵(lì)磁具有更優(yōu)良的零點(diǎn)穩(wěn)定性，而且改善了微分干擾的影響，最關(guān)鍵的是零態(tài)的存在更便于基線控制法的反饋信號(hào)時(shí)序控制。‘5 ] 門n． U U — t 圖5．3三值低頻矩形波勵(lì)磁
   智能型電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)的核心在于把電磁流量傳感器電極兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)分級(jí)高倍放大，同時(shí)根據(jù)4．1節(jié)的內(nèi)容濾除各種干擾信號(hào)。信號(hào)處理模塊的具體設(shè)計(jì)思路將在下面章節(jié)給出。
   5．2．3信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)
   信號(hào)處理模塊為本系統(tǒng)的核心組成部分，主要包括以下幾部分：輸入信號(hào)的差分、模擬信號(hào)的分級(jí)放大及濾波、基于基線控制的信號(hào)反饋以及模擬信號(hào)的區(qū)間映射。
   (一)輸入信號(hào)的差分【36】輸入信號(hào)為電磁流量傳感器電極兩端取得的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，對(duì)測(cè)量的有效值為電極間的電勢(shì)差，故需要對(duì)輸入信號(hào)做差分處理。輸入信號(hào)通過差分放大器同時(shí)可以消除共模干擾。
   整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓為正負(fù)3．3V，并且輸入的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)十分微弱，只有毫伏級(jí)，極易受到污染和干擾。本系統(tǒng)選用了BB公司的INAll8芯片，這是一款低電壓供電的、高精度儀表放大器，可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。儀表差分放大模塊的電路如圖5-4所示，SO、S1為電磁流量傳感器的兩個(gè)電極，R4為儀表放大器的反饋增益電阻lb，此級(jí)的放大倍數(shù)為： G-1+警(5-1) ＆ 、～7 芯片供電電壓與系統(tǒng)電壓一致，為正負(fù)3．3V。儀表差分的輸出信號(hào)直接送入放大濾波模塊，芯片的參考電壓引腳REF接地。圖5．4儀表差分放大電路信號(hào)通過儀表差分放大器后，先送入CPU進(jìn)行比較判別，當(dāng)信號(hào)在可處理范圍時(shí)，再進(jìn)行后續(xù)的放大、濾波及反饋處理，否則要暫停信號(hào)處理系統(tǒng)，釋放累積在電極處的零漂電壓后再重新運(yùn)行。由于電極SO、Sl兩端得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)很微弱，極易受到干擾，在排版布線的時(shí)候需要特別注意，送入儀表差分放大器正負(fù)輸入端的兩路信號(hào)通道無論電路設(shè)計(jì)還是空間位置都要*對(duì)稱，這樣才可以在差分后的消除共模干擾。同時(shí)，信號(hào)線要盡量短，注意空間電磁屏蔽等，防止引入附加的干擾， 影響后級(jí)電路的信號(hào)提取放大。
   (二)信號(hào)的分級(jí)放大及濾波【37’38】
   本系統(tǒng)需要對(duì)輸入信號(hào)做高倍放大處理，增益系數(shù)高達(dá)千倍，為了避免一次性放大倍數(shù)太高不利于有效信號(hào)的提取處理，所以分為兩級(jí)放大、濾波。根據(jù)系統(tǒng)的要求，運(yùn)算放大器芯片選取了ON公司的MC3320，這是一款低電壓供電的、軌對(duì)軌的增益放大器。運(yùn)放的輸入電位通常要求高于負(fù)電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)放可以允許輸入電位在從負(fù)電源到正電源的整個(gè)區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負(fù)電源也被允許。軌到軌(rail-to．rail)輸入運(yùn)算放大器其實(shí)就是正負(fù)電源(士v)供電運(yùn)算放大器，在低電源電壓和單電源電壓下可以有寬的輸入共模電壓范圍和輸出擺幅。軌至軌輸入，有的稱之為滿電源擺幅(R．R) 性能，可以獲得零交越失真，適合驅(qū)動(dòng)ADC，而不會(huì)造成差動(dòng)線性衰減。實(shí)現(xiàn)高精密度應(yīng)用。際嘲際諷儀表放大器輸出信號(hào)第1級(jí)MC3320 鼗肇霜霉H籌盈望翥鬈第1I級(jí)MC3320 爰象磊霉H贛望黧薦圖5．5信號(hào)分級(jí)放大濾波模塊本系統(tǒng)采用的濾波模塊為無源RC低通濾波器，設(shè)計(jì)原則即遵循濾波器的一般設(shè)計(jì)規(guī)則： 以=面】幾2砍C (、5。—。27) 其中，￡為低通濾波器的截至頻率。本系統(tǒng)的有效信號(hào)頻率為50Hz倍分頻，頻率較低，所以截至頻率可以選擇1000Hz甚至更低。根據(jù)運(yùn)算放大器的反饋電阻R， 計(jì)算濾波電容c的容值。反饋信號(hào)是消除零漂的關(guān)鍵，也是信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容。在每個(gè)周期起始的零勵(lì)磁階段，通過模擬信號(hào)的放大通道提取基準(zhǔn)參考零漂電壓，由DAC 輸出經(jīng)過區(qū)間映射反饋回輸入點(diǎn)，每個(gè)周期定時(shí)更新反饋值，而其他時(shí)間保持反饋值不變，進(jìn)行信號(hào)的放大處理。I 。廠]廠]一I在零勵(lì)磁下。I ． 豁墨羹滸瞼譬點(diǎn)緩咎I＼ J L Jr _- ， ●‘n1 J卜●m r p l| ～ 1‘n 1白I+l 一圖5．6反饋信號(hào)處理示意圖43 一此皂竺一
  5．2．4模擬信號(hào)的區(qū)間映射關(guān)系
   輸入信號(hào)經(jīng)過儀表差分放大器和運(yùn)算放大器的處理，得到的信號(hào)為正負(fù)對(duì)稱的模擬信號(hào)。而CPu的工作電壓為+3．3v，即ADC的有效信號(hào)識(shí)別范圍為0．2．5V。所以要想把模擬信號(hào)送入ADC進(jìn)行處理，必須對(duì)其進(jìn)行區(qū)間映射處理，將其對(duì)應(yīng)到ADC信號(hào)識(shí)別的范圍內(nèi)。同樣，DAc的輸出信號(hào)范圍為O．2．43V，而需要的反饋信號(hào)有正有負(fù)，信號(hào)在正負(fù)3．3v的范圍內(nèi)變化。要想把DAc的輸出信號(hào)用做消除零漂的反饋信號(hào)，也必須對(duì)其進(jìn)行區(qū)間映射處理。還卜-] k卜-]一r尸r I 送入ADC 的信號(hào)2．5 1．25 O 卜-] k卜一]一r— r I 圖5．7信號(hào)送入ADC前的區(qū)間映射關(guān)系如圖5．7所示，運(yùn)放的輸出信號(hào)的范圍大概在正負(fù)1．25V之間對(duì)稱變化，送入ADC之前，需要對(duì)應(yīng)到0．2．5V的區(qū)間內(nèi)。這個(gè)映射關(guān)系可以借助加法器來實(shí)現(xiàn)。加法器的原理如圖5．8所示，輸出信號(hào)vo為兩個(gè)輸入端Vl、v2相加并反相。根據(jù)運(yùn)放原理，其關(guān)系式為： ％0魯K嚕_ p3， 假設(shè)放大器輸出信號(hào)為加法電路的路輸入Vl，加法器的輸出信號(hào)vo為送入ADC的信號(hào)，則根據(jù)圖5．7的信號(hào)范圍，可以計(jì)算得到加法電路的第二路輸入v2應(yīng)為一個(gè)固定的電壓值．1．25V。這個(gè)電壓值可以通過分壓電路取得。R1 Rf V1 、，2 圖5-8加法電路原理圖DAC輸出信號(hào)的映射關(guān)系如圖5．9所示。其中信號(hào)在上下兩條虛線之間的范圍內(nèi)變化，實(shí)線信號(hào)為假設(shè)的示意信號(hào)，即DAC輸出信號(hào)在每個(gè)周期的起始零勵(lì)磁階段被更新，之后一個(gè)周期內(nèi)保持不變。DAC 輸出反圖5．9 DAC輸出信號(hào)的區(qū)間映射關(guān)系DAC輸出信號(hào)的區(qū)間映射關(guān)系的實(shí)現(xiàn)與ADC輸入信號(hào)的變換同理，也是通過加法電路實(shí)現(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5．10所示。.氣弋.。一、一一rr‘ .r“r11中”中～rL¨。1 l l}{ {l ～Jr .．“} 尊一．翦’# J-■ l}l l；l {一l l—l .}一.¨ 卜}，多嘎上爹唑￡i兇女∞∥}Ⅲ ㈡I}} l l D^C l} t一一4 { }l i：l 赫.一}L多P毪； 一；；∞酞}{ ·{j l } 一{．卜}． F r *抽＆‘昭， 《≮卜÷1{ 靜l t+÷{二函} ’I．t2_ 一}呼”i～ ”{}Ⅲ1～ 耳手一{r孓J 。j {懈；}騫}}鼉}{ {鼉¨㈠是v k～ I．瓢《；3E帕l l l{ l l l{ {i 甜碧!稿二l l}；I ．二b一} ==i=：：：L 二ii士H}=撾：蔓。二i：上±l二¨+}¨·卜卜j 圖5．10 DAC輸出信號(hào)的區(qū)間映射實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、V錐流量計(jì)、V型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)，更多信息請(qǐng)?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：