本章首先簡要介紹了2016一款電磁流量計ARM的流量測量系統的硬件基本結構，然后分別對硬件系統各部分進行詳細的介紹，包括ARM微處理器、勵磁信號產生電路、信號采集與處理電路、模數輸出電路、通訊電路等。
3．1測量系統硬件基本結構
基于ARM的電磁流量計轉換器的硬件部分主要由以下幾部分構成(見圖3 —1)：輸入輸出接口、流量測量接口、通訊接口和入機對話接口。輸入輸出接口包括數模輸出和開關量輸入輸出；流量測量接口包括信號采集處理、勵磁信號產生和ARM微處理器；通訊接口包括RS***232、RS-485和HART；人機對話接口包括鍵盤和LCD顯示。圖3—1測量系統硬件結構圖其工作過程如下：傳感器由對勵磁線圈和對對稱分布的檢測電極構成； 線圈接受勵磁電路送出的經功率放大后的勵磁信號而產生感應磁場，在電極上產生因流體切割磁力線而產生的感應電動勢(即測量信號)；并將之送入信號處理電路進行處理，信號處理電路對傳感器輸入的信號進行放大、濾波處理后通過A／D轉換器采樣后輸入單片機系統，通過LCD顯示測量值。
3．2電源系統
本系統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。本系統設計了***輸入式的集成開關式穩壓電源， 此電源可輸出兩個+24V和一個±15V。其它電源電壓則通過小型開關芯片或***三端穩壓芯片產生，如圖3—2所示。表3—1系統電源明細表電源電壓單片機系統+5V、+3．3V、+1．8V 信號處理電路±12V 勵磁電路+24V、+5V 通訊電路+5V D／A輸出單獨+24v 期：ljRsil0"13 圖3—2電源系統電路圖
3．3單片機系統
本測量系統MCU選用的是Philips的32位ARM單片機LPC2106㈣，與晶振輸入模塊、復位電路、LCD顯示模塊和鍵盤模塊共同構成單片機系統。詳細電路圖如圖3—3所示。圖3—3單片機系統電路圖器LPC2106是一款支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI．S微處理器。自帶128KB高速Flash存儲器，采用3***流水線技術，取指、譯碼和執行同時進行， 能夠并行處理指令，提高了CPU運行速度。由于內含多個32位定時器、PWM 輸出和32個GPIO，且無需外擴RAM 具有較高小的尺寸和較高低的功耗，非常適用于本系統的小型化要求。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根數據線和控制線即可擴展所有外圍器件，大大提高了系統的可靠性、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和高沖當量。LPC2106可使用外部晶振或國外部時鐘源，時鐘頻率為10～25MHz，內部PI，L電路可調整時鐘，使系統運行速度***快(CPU***操作頻率為60Hz)。系統時鐘電路如圖3—3，用1M Q電阻R3并接到晶振的兩端，使系統一容易起振。由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導致其噪聲容限低，因此對電源的紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性提出了的要求。所以本系統的復位電路使用了專用上電復位芯片MAX803。RST引腳為施密***觸發器輸入引腳， 帶有一個額外的干擾濾波器。上電復位芯片提供的芯片復位會啟動喚醒定時器， 只有當外部復位撤除后，震蕩器才開始運行。當計數達到一個固定個數的時鐘時， Flash控制器完成其初始化。
單片機系統的LCD顯示模塊使用一種內置8192個16"16點漢字庫和128個16*8點ASCII字符集圖形點陣液晶顯示器，LCD顯示屏與LPC2106通過SPI完成數據和命令通訊。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。液晶只需要接受數據即可，無需反饋數據回來， 所以在LPC2106與LCD顯示屏的通訊中，不需要MISO這條口線。系統的鍵盤模塊采用***立按鍵式鍵盤。由四顆***立按鍵分別與四個上拉電阻共同和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勵磁電路
本系統勵磁電路由信號產生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。在低頻矩形波勵磁方式中，通常采用以下兩種勵磁電路：1)首先對工頻50Hz 交流電進行變壓，然后通過方波整形產生50Hz矩形波，最后通過八進制計數器分頻后得到所需要的勵磁頻率(如6．25Hz)的勵磁信號。之后再經過開關管進行功率放大后輸入到勵磁線圈，如圖3—4(a)所示。2)采用更寬調制的方法，由四個模擬開關組成橋式開關，傳感器勵磁線圈接在橋式開關的對角線問，兩組開關分別受勵磁控制高沖控制，交替地導通和截止，產生勵磁信號，之后接基本恒流源進行功率放大，如圖3—4(b)所示。(a)低頻矩形波勵磁信號產生示意圖(b)低頻矩形波勵磁信號產生示意圖圖3--4低頻矩形波勵磁信號產生示意圖在智能化的轉換器中，低頻矩形波勵磁的控制高沖和同步采樣控制高沖可以由時鐘高沖經定時計數器的軟件分頻送入中斷得到。本系統勵磁信號產生電路通過LPC2106單片機的定時器進行分頻，可軟件編程修改勵磁頻率，為電磁流量計選擇不同的勵磁頻率提供了很大的方便。本系統的恒流源是采用集成的調整式三端穩壓器組成恒流源勵磁電路，此方法較高為簡單。由于LMll7的基準電壓是1．25V，若恒流源使用5 Q基準限流電阻，即可得到250mA的恒定電流。而傳統的方法是1．25V基準電壓集成在調整晶體和比較高放大器等器件之內，其基準電壓的精度和溫度穩定性不能象圖3—4那樣有的選擇。所以應用三端穩壓器構成的勵磁恒流源，精度和穩定性不如分立組合的恒流源勵磁電流***。不過勵磁電流達±0．1％精度沒有問題，所以在中小121徑傳感勵磁電路中經常使用。基本的恒流源勵磁電路和三端穩壓器構成的恒流源電路都屬于模擬的調整電路，它們的調整晶體管必須工作在線性放大區內，集電極和發射***間必須有適當的工作電壓降。這樣調整晶體管必須承擔一定的功率損耗，這就帶來了要求選擇充分大的功率***限調整晶體管和配備大的散熱器及散熱空間。所以為了降低調整晶體管的直流工作電壓降，進而降低穩壓器功耗、提高效率，我們設計了基于開關原理的恒流源電路，它可以根據負載自動調節輸出，適用范圍大、功耗低，并且體積縮小、可靠性提高、方便生產。
3．5信號處理電路
電磁流量計是法拉第電磁感應定律的具體應用。導電流體在磁場中流動切割磁力線，產生感應電動勢。此感應電動勢是一個微弱的交變信號，在實際測量中基本上可以測出lm／s流速對應O．1mV感應電動勢[eli。且此信號內阻***，為兆歐***，同時噪聲信號多，尤其為50Hz工頻干擾，幅值遠遠大于流量的感應電動勢信號。信號處理電路是傳感器和單片機系統的中介，它是測量系統中硬件的關鍵部分，作用是將傳感器的感應電勢信號(微伏***毫伏***的交流信號)轉變為A／D 轉換器可按受的直流信號(O～3．3"9)，送入ARM單片機。其電路原理框圖如圖3—5所示。SIG+ 濾＼ 低二電通隔***平A，D 直放平轉換墨波／放大凈波大移預濾_． SIG高處理圖3—5信號處理電路原理框圖下面以模擬信號發生器在3m／s檔位處為輸入信號，來觀察信號處理后輸出的波形，從模擬信號發生器輸出的信號見圖3—6的通道2，肉眼完全無法分辨出信號。圖3—6輸出信號波形信號處理電路由以下單元組成：
(1)濾波預處理單元
電路如圖3—7所示。圖3—7濾波預處理單元電路電阻心和電容C7構成低通濾波器，消除高頻干擾。
(2)***高信號放大單元電路如圖3—8所示。圖3—8***高信號放大電路為了對電極檢測到的小信號進行處理，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量兩個輸入端之間的電位差，并以設定的增益對信號進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)平衡的差動輸入；5)具有良好的溫度穩定性；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據手冊。使用AD620時只需外接***增益電阻即可，我們選用了5K電阻作為AD620 的增益電阻，放大倍數約為10倍。由于***放大電路的輸入端直接與測量電極相連，而電極在導電液體處于靜止狀態時兩電極間就已經有電動勢存在。這個電動勢是由液體中的各種帶電離子和孫界電磁場對液體及管壁的干擾而產生的。由于這個電動勢變化無常、時大時小，因此如果******輸入不使用隔直電容，電極兩端這個變化無常的電動勢就會直接被放大。為了不讓的輸出進入飽和或截止區域就必須使放大倍數稍小一些。u2的作用是屏蔽驅動。有源屏蔽驅動電路就是將差動式傳感器的兩個輸出經兩個運算放大器構成的同相比例差動放大后，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)加到傳感器的兩個電纜屏蔽層上。即兩個輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅動，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。.高信號放大電路處理后信號波形見圖3～9。圖3--9***高信號放大電路輸出波形
(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過前面各單元的處理，感應電動勢信號有可能仍然存在一定的高頻尖峰噪聲，這將對后續的電平提升電路產生.定的影響。因此設計了此單位增益的二***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) 此頻率約為勵磁頻率的7倍。濾波后使用滌綸電容C20，濾除直流信號，以免第二***的輸出進入飽和或截止區域。處理后信號波形見圖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算放大器組成同相放大電路，公式如下： vo州半)：Vjn(1+導(3--2) 式中Vo為輸出，Vin為輸入，R2對應于圖中電阻R15，Rl對應于圖中電阻則放大倍數約為21，所以整個模擬電路的放大倍數約為2t0倍。處理后信號波形見圖3***13。圖3—13二放大電路輸出波形
(5)信號電平提升單元電路圖如圖3—14所示。Ⅸ L蛐舡zIi5 圖3—14信號電平提升電路由于AD7715只能輸入***正的電壓，而經過信號處理電路后的流量信號為雙特性信號，因此必須經過電平提升電路將信號轉換為單特性信號。在電平提升電路中，通過與參考電壓反向相加后變為單特性信號，再通過反相器將要送入電壓跟隨器信號變成與原流量信號N*H，最后送入A／D轉換器。電平提升電路處理后信號波形見圖3—15，反相電路處理后信號波形見圖3—16。圖3—15信號電平提升電路輸出波形浙江犬學碩士學位論文
(6)A／D轉換
電路圖如圖3—17所示。圖3—16反相電路輸出波形圖3—17A／D轉換電路圈SS趁j 信號經過電壓跟隨器后送入A／D轉換器。AD轉換單元采用的AD公司16 位Σ***△型AiD轉換器AD7715。這種ADC只需少外接元件就可直接處理微弱信號，適合嵌入式系統的應用，也適合應用在很多測量分析儀器中，取代傳統的A／D轉換器。AD7715模數轉換器是美國模擬器件公司(ADD出品的采用和差轉換技術(Σ．A技術)的系列ADC之一。該系列A／D轉換器均由信號緩沖、可編程增益放大、Σ-△調制器、數字濾波、三線串行接口等幾部分組成，此類ADC 可以應用到手持儀器、工業儀表、DSP設備等便攜式系統中，以發揮其小體積、低功耗的特點。本系統在A／D轉換單元采用AD7715，它不僅簡化了電路、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的阻抗要求上比逐次逼近式的574靈活方便。轉換速度其實也是可變的，其滿足精度要求后的速度雖然和574不是一個數量***，但遠比7109快， 足以滿足系統的轉換頻率要求。由于其可直接處理微弱信號，使得模擬信號的放大倍數只需200左右就可以滿足所有的測量要求。
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模轉換器芯片。它由電流環路供電，16位數字信號以串行方式輸入，4-20mA電流輸出，是為滿足在工業自動控制領域的智能變送器要求而設計的。它提供了精度、全集成、低功耗的解決方案，可實現低成本的遠程智能工業控制。AD421包含一個16位Σ-△數模轉換器，可將輸入鎖存器中的數字信號轉換為電流信號。Σ***△ 結構在***分辨率下固有的單調性，在工業控制環境的相對較高低的帶寬要求下特別有用。AD421環路供電4-20mA數模轉換器還預留HART調制解調器的接口。工作過程為Σ-ADAC在時鐘(CLOCK)的作用下，輸入位移寄存器把DATA 引腳上的數據逐次讀入，LATCH鎖存高沖把寄存器的數據鎖存到DAC中。16 位Σ_△的DAC輸出***串變換后的電流，然后經過三***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算放大器和NPN型三***管構成，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轉換電路圖系統的通訊模塊包含RS．232接151和RS***485接1：3，用戶可以根據需要選擇相應的通訊方式，方便地與上位機進行通訊。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2500V。可以承受高電壓、持續時間長的瞬態干擾，系統實現容易。
本章在前***章提出總體結構方案的基礎上，重點對電磁流量計轉換器的信號處理電路，勵磁電路，數模轉換電路，通訊電路進行設計，并給出以上各部分的實際電路。本章為電磁流量計系統軟件設計奠定了堅實的基礎。