電磁流量計信號處理系統的硬件設計

信號處理系統的硬件設計
  對于電磁流量計的信號處理系統，必須實現以下一些功能：
   (1)輸入模塊： A．電磁流量傳感器電極間產生的感應電壓信號； B．50HZ工頻同步信號；
   (2)信號處理模塊： A．輸入信號的差分； B．模擬信號的分級放大及濾波； C．模擬信號的區間映射； D．基于基線控制的信號反饋；
  (3)輸出模塊： A．雙頻矩形波勵磁信號； B．反映流量的感應電動勢信號；
  在整個信號處理系統中，主要解決的難點在于：
  (1)模擬信號的區間映射關系
  為了把經過差分、放大的模擬信號送入cPU的ADC，必須通過模擬電路信號映射到ADC正常工作的信號區間；同時CPU的DAC輸出信號，為了可以正常反饋至放大級的輸入端，也必須經過區間映射。
  (2)信號測量時序設計
  為了保證每個勵磁周期兩次采樣的對稱性，以及消除磁場變化時產生的正交與同相干擾和共模干擾等，需要從電源取出一個50Hz同步信號，以之為標準設計勵磁波形以及采樣時刻；同時基于基線控制的反饋信號也是通過ADC送入cPu，需要在每個勵磁周期起始階段勵磁為零時進行。
    信號處理系統的硬件設計
   c805lF060是高度集成的片上系統混合信號單片機㈣，片內集成了兩個16 位lMsps的ADc、兩個10位200K5ps的DAc和八個lO位ADc，*可以滿足電磁流量計信號處理系統的應用需求，不需要再另外擴展模擬外設。此型號單片機采用與8051兼容的cIP一5I內核．有多達59個數字U0口，使井j方便，功能豐富．為系統設計提供了極大的便利。
   5．2．1∞05tF∞O單片機簡介
   美國cygnal公司推出的c8051F系列單片機．將51系列單片機從McL級推向了soc時代。特別是c8051 F06x系列，更是集當前單片機發展技術于一身，其功能已完牟達到板卡級水平㈣。圖5 1 c8051F06x系列單片機內部模塊示意圖
   (1)高速805l位控制器內核
  ——流水線指令結構：70％的指令的執行時間為一個或兩個系統時鐘周期——速度可達25M口S(25MHz時鐘)； ——靈活的中斷源；
  (2)強大的模擬外設——兩個16位SAR ADC 16位位分辨率； 0．75LSB INL，保證無失碼； 可編程轉換速率，1Msps； 可作為兩個單端或一個差分轉換器； 直接存儲器存取；數據存儲器到RAM中，不需額外軟件開銷數據相關窗口中斷發生器內建溫度傳感器； ——1 0位SAR ADC 可編程轉換速率，200kSps； 8個外部輸入，單端或差分方式； 內部溫度傳感器； ——兩個12位DAC 可用定時器觸發同步輸出，用于產生無抖動波形； ——三個模擬比較器可編程回差電壓／響應時間； ——電壓基準——精確VDD監視器和欠壓檢測器
   (3)存儲器及數字外設片上集成有64I(B Flash、4352B內部RAM(256+4kB，可外擴至64KB)、59個I／O口、以及可編程的16位計數器陣列(PCA)有6個捕捉／比較模塊和5個通用的16位計數器／定時器等功能。由于C8051F060的高集成度，因而無需外擴RoM、RAM、AD、DA、watchdog、可編程I／0口和EEPRoM(用片內Flash實現)，從而大大簡化了硬件電路，并為構成以C8051F060為核心的單片機系統創造了條件，同時也提高了系統的可靠性。同時還集成了Bosch控制器局域網(CAN2．OB)和可同時使用的硬件舢喱鼬、SPI及兩個U觸汀串行端口。
  (4)獨立工作的片上系統
   具有片內VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F060是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能／禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新805l固件。
   (5)片內JTAG調試
   片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式(不占用片內資源)、全速、在系統調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時， 所有的模擬和數字外設都可全功能運行。
   5．2．2硬件電路的總體設計
   相對于以往由數字邏輯電路組成控制的設計來說，采用微處理器進行設計控制系統更為容易，且可以完成更為復雜的控制功能。由于本系統需要進行復雜的控制及數據處理工作，因此采用了以CPU為中心進行各種控制及數據處理的數字化的總體設計方案，用高速混合信號ISP Fl嬲h微控制器C805lF060來實現數據的采集計算，完成勵磁、數據采集、放大器電路的調零所需的各種控制，并完成計量所需的相關數據計算。瓢管道J I差分《J二：： 判別信號是否正常? 模擬信號區間映射模擬信號區間映射面習鬯塑—‘’。。1。。1 I nnD ADcl CP廣C805lF060 墜叫nF DACO F一————J lUART 工頻信號提取模塊工同步信號幽圖5．2信號處理系統組成框圖根據5．1節系統設計方案，信號處理系統主要包括輸入、輸出和信號處理模塊，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電動勢信號，還有一個做時序控制的同步信號。本系統基于4．3節的基線控制法，勵磁、采樣和反饋要滿足特一射放濾一醫愜署磊瞅一號射定的時序關系，幾個信號需要*同步。所以就把工頻信號通過模擬電路提取出一個50Hz的同步信號用作時序控制的基準信號。輸出部分除了要把計算得出的感應電動勢信號(流量信號)通過UART送到PC，還要輸出勵磁信號給勵磁驅動模塊，控制電磁流量傳感器的磁場變化。本系統采用三值低頻正負矩形波勵磁(如圖5．3所示)即在低頻方波的每個周期內有兩次零態，勵磁的波形為：零態一正值一零態一負值。三值低頻矩形波勵磁比低頻矩形波勵磁具有更優良的零點穩定性，而且改善了微分干擾的影響，最關鍵的是零態的存在更便于基線控制法的反饋信號時序控制。‘5 ] 門n． U U — t 圖5．3三值低頻矩形波勵磁
   智能型電磁流量計信號處理系統的核心在于把電磁流量傳感器電極兩端的感應電動勢信號分級高倍放大，同時根據4．1節的內容濾除各種干擾信號。信號處理模塊的具體設計思路將在下面章節給出。
   5．2．3信號處理模塊的設計
   信號處理模塊為本系統的核心組成部分，主要包括以下幾部分：輸入信號的差分、模擬信號的分級放大及濾波、基于基線控制的信號反饋以及模擬信號的區間映射。
   (一)輸入信號的差分【36】輸入信號為電磁流量傳感器電極兩端取得的感應電動勢信號，對測量的有效值為電極間的電勢差，故需要對輸入信號做差分處理。輸入信號通過差分放大器同時可以消除共模干擾。
   整個系統的供電電壓為正負3．3V，并且輸入的感應電動勢信號十分微弱，只有毫伏級，極易受到污染和干擾。本系統選用了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，可以滿足系統的設計要求。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電極，R4為儀表放大器的反饋增益電阻lb，此級的放大倍數為： G-1+警(5-1) ＆ 、～7 芯片供電電壓與系統電壓一致，為正負3．3V。儀表差分的輸出信號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通過儀表差分放大器后，先送入CPU進行比較判別，當信號在可處理范圍時，再進行后續的放大、濾波及反饋處理，否則要暫停信號處理系統，釋放累積在電極處的零漂電壓后再重新運行。由于電極SO、Sl兩端得到的感應電動勢信號很微弱，極易受到干擾，在排版布線的時候需要特別注意，送入儀表差分放大器正負輸入端的兩路信號通道無論電路設計還是空間位置都要*對稱，這樣才可以在差分后的消除共模干擾。同時，信號線要盡量短，注意空間電磁屏蔽等，防止引入附加的干擾， 影響后級電路的信號提取放大。
   (二)信號的分級放大及濾波【37’38】
   本系統需要對輸入信號做高倍放大處理，增益系數高達千倍，為了避免一次性放大倍數太高不利于有效信號的提取處理，所以分為兩級放大、濾波。根據系統的要求，運算放大器芯片選取了ON公司的MC3320，這是一款低電壓供電的、軌對軌的增益放大器。運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數值，而低于正電源某一數值。經過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許。軌到軌(rail-to．rail)輸入運算放大器其實就是正負電源(士v)供電運算放大器，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，適合驅動ADC，而不會造成差動線性衰減。實現高精密度應用。際嘲際諷儀表放大器輸出信號第1級MC3320 鼗肇霜霉H籌盈望翥鬈第1I級MC3320 爰象磊霉H贛望黧薦圖5．5信號分級放大濾波模塊本系統采用的濾波模塊為無源RC低通濾波器，設計原則即遵循濾波器的一般設計規則： 以=面】幾2砍C (、5。—。27) 其中，￡為低通濾波器的截至頻率。本系統的有效信號頻率為50Hz倍分頻，頻率較低，所以截至頻率可以選擇1000Hz甚至更低。根據運算放大器的反饋電阻R， 計算濾波電容c的容值。反饋信號是消除零漂的關鍵，也是信號處理系統實現的核心內容。在每個周期起始的零勵磁階段，通過模擬信號的放大通道提取基準參考零漂電壓，由DAC 輸出經過區間映射反饋回輸入點，每個周期定時更新反饋值，而其他時間保持反饋值不變，進行信號的放大處理。I 。廠]廠]一I在零勵磁下。I ． 豁墨羹滸瞼譬點緩咎I＼ J L Jr _- ， ●‘n1 J卜●m r p l| ～ 1‘n 1白I+l 一圖5．6反饋信號處理示意圖43 一此皂竺一
  5．2．4模擬信號的區間映射關系
   輸入信號經過儀表差分放大器和運算放大器的處理，得到的信號為正負對稱的模擬信號。而CPu的工作電壓為+3．3v，即ADC的有效信號識別范圍為0．2．5V。所以要想把模擬信號送入ADC進行處理，必須對其進行區間映射處理，將其對應到ADC信號識別的范圍內。同樣，DAc的輸出信號范圍為O．2．43V，而需要的反饋信號有正有負，信號在正負3．3v的范圍內變化。要想把DAc的輸出信號用做消除零漂的反饋信號，也必須對其進行區間映射處理。還卜-] k卜-]一r尸r I 送入ADC 的信號2．5 1．25 O 卜-] k卜一]一r— r I 圖5．7信號送入ADC前的區間映射關系如圖5．7所示，運放的輸出信號的范圍大概在正負1．25V之間對稱變化，送入ADC之前，需要對應到0．2．5V的區間內。這個映射關系可以借助加法器來實現。加法器的原理如圖5．8所示，輸出信號vo為兩個輸入端Vl、v2相加并反相。根據運放原理，其關系式為： ％0魯K嚕_ p3， 假設放大器輸出信號為加法電路的路輸入Vl，加法器的輸出信號vo為送入ADC的信號，則根據圖5．7的信號范圍，可以計算得到加法電路的第二路輸入v2應為一個固定的電壓值．1．25V。這個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輸出信號的映射關系如圖5．9所示。其中信號在上下兩條虛線之間的范圍內變化，實線信號為假設的示意信號，即DAC輸出信號在每個周期的起始零勵磁階段被更新，之后一個周期內保持不變。DAC 輸出反圖5．9 DAC輸出信號的區間映射關系DAC輸出信號的區間映射關系的實現與ADC輸入信號的變換同理，也是通過加法電路實現，其具體實現電路如圖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輸出信號的區間映射實現。擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、V錐流量計、V型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入渦街流量計、智能渦街流量計，更多信息請訪問開封中儀網站：