电磁流量计信号处理系统的硬件设计信号处理系统的硬件设计
对于电磁流量计的信号处理系统，必须实现以下一些功能：
(1)输入模块： a．电磁流量传感器电极间产生的感应电压信号； b．50hz工频同步信号；
(2)信号处理模块： a．输入信号的差分； b．模拟信号的分级放大及滤波； c．模拟信号的区间映射； d．基于基线控制的信号反馈；
(3)输出模块： a．双频矩形波励磁信号； b．反映流量的感应电动势信号；
在整个信号处理系统中，主要解决的难点在于：
(1)模拟信号的区间映射关系
为了把经过差分、放大的模拟信号送入cpu的adc，必须通过模拟电路信号映射到adc正常工作的信号区间；同时cpu的dac输出信号，为了可以正常反馈至放大级的输入端，也必须经过区间映射。
(2)信号测量时序设计
为了保证每个励磁周期两次采样的对称性，以及消除磁场变化时产生的正交与同相干扰和共模干扰等，需要从电源取出一个50hz同步信号，以之为标准设计励磁波形以及采样时刻；同时基于基线控制的反馈信号也是通过adc送入cpu，需要在每个励磁周期起始阶段励磁为零时进行。
信号处理系统的硬件设计
c805lf060是高度集成的片上系统混合信号单片机㈣，片内集成了两个16 位lmsps的adc、两个10位200k5ps的dac和八个lo位adc，*可以满足电磁流量计信号处理系统的应用需求，不需要再另外扩展模拟外设。此型号单片机采用与8051兼容的cip一5i内核．有多达59个数字u0口，使井j方便，功能丰富．为系统设计提供了极大的便利。
5．2．1∞05tf∞o单片机简介
美国cygnal公司推出的c8051f系列单片机．将51系列单片机从mcl级推向了soc时代。特别是c8051 f06x系列，更是集当前单片机发展技术于一身，其功能已完牟达到板卡级水平㈣。图5 1 c8051f06x系列单片机内部模块示意图
(1)高速805l位控制器内核
——流水线指令结构：70％的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期——速度可达25m口s(25mhz时钟)； ——灵活的中断源；
(2)强大的模拟外设——两个16位sar adc 16位位分辨率； 0．75lsb inl，保证无失码； 可编程转换速率，1msps； 可作为两个单端或一个差分转换器； 直接存储器存取；数据存储器到ram中，不需额外软件开销数据相关窗口中断发生器内建温度传感器； ——1 0位sar adc 可编程转换速率，200ksps； 8个外部输入，单端或差分方式； 内部温度传感器； ——两个12位dac 可用定时器触发同步输出，用于产生无抖动波形； ——三个模拟比较器可编程回差电压／响应时间； ——电压基准——精确vdd监视器和欠压检测器
(3)存储器及数字外设片上集成有64i(b flash、4352b内部ram(256+4kb，可外扩至64kb)、59个i／o口、以及可编程的16位计数器阵列(pca)有6个捕捉／比较模块和5个通用的16位计数器／定时器等功能。由于c8051f060的高集成度，因而无需外扩rom、ram、ad、da、watchdog、可编程i／0口和eeprom(用片内flash实现)，从而大大简化了硬件电路，并为构成以c8051f060为核心的单片机系统创造了条件，同时也提高了系统的可靠性。同时还集成了bosch控制器局域网(can2．ob)和可同时使用的硬件舢喱鼬、spi及两个u触汀串行端口。
(4)独立工作的片上系统
具有片内vdd监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c8051f060是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能／禁止和配置。flash存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新805l固件。
(5)片内jtag调试
片内jtag调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品mcu进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用jtag调试时， 所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
5．2．2硬件电路的总体设计
相对于以往由数字逻辑电路组成控制的设计来说，采用微处理器进行设计控制系统更为容易，且可以完成更为复杂的控制功能。由于本系统需要进行复杂的控制及数据处理工作，因此采用了以cpu为中心进行各种控制及数据处理的数字化的总体设计方案，用高速混合信号isp fl嬲h微控制器c805lf060来实现数据的采集计算，完成励磁、数据采集、放大器电路的调零所需的各种控制，并完成计量所需的相关数据计算。瓢管道j i差分《j二：： 判别信号是否正常? 模拟信号区间映射模拟信号区间映射面习鬯塑—‘’。。1。。1 i nnd adcl cp广c805lf060 坠叫nf daco f一————j luart 工频信号提取模块工同步信号幽图5．2信号处理系统组成框图根据5．1节系统设计方案，信号处理系统主要包括输入、输出和信号处理模块，其硬件组成如图5．2所示。输入部分除了电磁流量传感器电极两端的感应电动势信号，还有一个做时序控制的同步信号。本系统基于4．3节的基线控制法，励磁、采样和反馈要满足特一射放滤一医惬署磊瞅一号射定的时序关系，几个信号需要*同步。所以就把工频信号通过模拟电路提取出一个50hz的同步信号用作时序控制的基准信号。输出部分除了要把计算得出的感应电动势信号(流量信号)通过uart送到pc，还要输出励磁信号给励磁驱动模块，控制电磁流量传感器的磁场变化。本系统采用三值低频正负矩形波励磁(如图5．3所示)即在低频方波的每个周期内有两次零态，励磁的波形为：零态一正值一零态一负值。三值低频矩形波励磁比低频矩形波励磁具有更优良的零点稳定性，而且改善了微分干扰的影响，最关键的是零态的存在更便于基线控制法的反馈信号时序控制。‘5 ] 门n． u u — t 图5．3三值低频矩形波励磁
智能型电磁流量计信号处理系统的核心在于把电磁流量传感器电极两端的感应电动势信号分级高倍放大，同时根据4．1节的内容滤除各种干扰信号。信号处理模块的具体设计思路将在下面章节给出。
5．2．3信号处理模块的设计
信号处理模块为本系统的核心组成部分，主要包括以下几部分：输入信号的差分、模拟信号的分级放大及滤波、基于基线控制的信号反馈以及模拟信号的区间映射。
(一)输入信号的差分【36】输入信号为电磁流量传感器电极两端取得的感应电动势信号，对测量的有效值为电极间的电势差，故需要对输入信号做差分处理。输入信号通过差分放大器同时可以消除共模干扰。
整个系统的供电电压为正负3．3v，并且输入的感应电动势信号十分微弱，只有毫伏级，极易受到污染和干扰。本系统选用了bb公司的inall8芯片，这是一款低电压供电的、高精度仪表放大器，可以满足系统的设计要求。仪表差分放大模块的电路如图5-4所示，so、s1为电磁流量传感器的两个电极，r4为仪表放大器的反馈增益电阻lb，此级的放大倍数为： g-1+警(5-1) ＆ 、～7 芯片供电电压与系统电压一致，为正负3．3v。仪表差分的输出信号直接送入放大滤波模块，芯片的参考电压引脚ref接地。图5．4仪表差分放大电路信号通过仪表差分放大器后，先送入cpu进行比较判别，当信号在可处理范围时，再进行后续的放大、滤波及反馈处理，否则要暂停信号处理系统，释放累积在电极处的零漂电压后再重新运行。由于电极so、sl两端得到的感应电动势信号很微弱，极易受到干扰，在排版布线的时候需要特别注意，送入仪表差分放大器正负输入端的两路信号通道无论电路设计还是空间位置都要*对称，这样才可以在差分后的消除共模干扰。同时，信号线要尽量短，注意空间电磁屏蔽等，防止引入附加的干扰， 影响后级电路的信号提取放大。
(二)信号的分级放大及滤波【37’38】
本系统需要对输入信号做高倍放大处理，增益系数高达千倍，为了避免一次性放大倍数太高不利于有效信号的提取处理，所以分为两级放大、滤波。根据系统的要求，运算放大器芯片选取了on公司的mc3320，这是一款低电压供电的、轨对轨的增益放大器。运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。轨到轨(rail-to．rail)输入运算放大器其实就是正负电源(士v)供电运算放大器，在低电源电压和单电源电压下可以有宽的输入共模电压范围和输出摆幅。轨至轨输入，有的称之为满电源摆幅(r．r) 性能，可以获得零交越失真，适合驱动adc，而不会造成差动线性衰减。实现高精密度应用。际嘲际讽仪表放大器输出信号第1级mc3320 鼗肇霜霉h筹盈望翥鬈第1i级mc3320 爰象磊霉h赣望黧荐图5．5信号分级放大滤波模块本系统采用的滤波模块为无源rc低通滤波器，设计原则即遵循滤波器的一般设计规则： 以=面】几2砍c (、5。—。27) 其中，￡为低通滤波器的截至频率。本系统的有效信号频率为50hz倍分频，频率较低，所以截至频率可以选择1000hz甚至更低。根据运算放大器的反馈电阻r， 计算滤波电容c的容值。反馈信号是消除零漂的关键，也是信号处理系统实现的核心内容。在每个周期起始的零励磁阶段，通过模拟信号的放大通道提取基准参考零漂电压，由dac 输出经过区间映射反馈回输入点，每个周期定时更新反馈值，而其他时间保持反馈值不变，进行信号的放大处理。i 。厂]厂]一i在零励磁下。i ． 豁墨羹浒睑譬点缓咎i＼ j l jr _- ， ●‘n1 j卜●m r p l| ～ 1‘n 1白i+l 一图5．6反馈信号处理示意图43 一此皂竺一
5．2．4模拟信号的区间映射关系
输入信号经过仪表差分放大器和运算放大器的处理，得到的信号为正负对称的模拟信号。而cpu的工作电压为+3．3v，即adc的有效信号识别范围为0．2．5v。所以要想把模拟信号送入adc进行处理，必须对其进行区间映射处理，将其对应到adc信号识别的范围内。同样，dac的输出信号范围为o．2．43v，而需要的反馈信号有正有负，信号在正负3．3v的范围内变化。要想把dac的输出信号用做消除零漂的反馈信号，也必须对其进行区间映射处理。还卜-] k卜-]一r尸r i 送入adc 的信号2．5 1．25 o 卜-] k卜一]一r— r i 图5．7信号送入adc前的区间映射关系如图5．7所示，运放的输出信号的范围大概在正负1．25v之间对称变化，送入adc之前，需要对应到0．2．5v的区间内。这个映射关系可以借助加法器来实现。加法器的原理如图5．8所示，输出信号vo为两个输入端vl、v2相加并反相。根据运放原理，其关系式为： ％0鲁k噜_ p3， 假设放大器输出信号为加法电路的路输入vl，加法器的输出信号vo为送入adc的信号，则根据图5．7的信号范围，可以计算得到加法电路的第二路输入v2应为一个固定的电压值．1．25v。这个电压值可以通过分压电路取得。r1 rf v1 、，2 图5-8加法电路原理图dac输出信号的映射关系如图5．9所示。其中信号在上下两条虚线之间的范围内变化，实线信号为假设的示意信号，即dac输出信号在每个周期的起始零励磁阶段被更新，之后一个周期内保持不变。dac 输出反图5．9 dac输出信号的区间映射关系dac输出信号的区间映射关系的实现与adc输入信号的变换同理，也是通过加法电路实现，其具体实现电路如图5．10所示。.气弋.。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凶女∞∥}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{ 静l t+÷{二函} ’i．t2_ 一}呼”i～ ”{}ⅲ1～ 耳手一{r孓j 。j {懈；}骞}}鼍}{ {鼍¨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}=挝：蔓。二i：上±l二¨+}¨·卜卜j 图5．10 dac输出信号的区间映射实现。扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入涡街流量计、智能涡街流量计，更多信息请访问开封中仪网站：