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两种数字涡街流量计的硬件研制 摘要 数字信号处理技术和低功耗技术是近年来涡街流量计研究的热点。我们针 对不同的应用情况，根据合作厂商的要求，研制了基于m s p 4 3 0 的低功耗、两 线制数字涡街流量计系统和基于数字信号处理器d s p i c 的抗强干扰的数字涡街 流量计系统。 基于m s p 4 3 0 的低功耗、两线制数字涡街流量计系统采用了数字频谱分析 与模拟带通滤波器组相结合的方式，既最大程度地滤除信号中混杂的噪声，又 保证低功耗工作。利用高效率、低功耗d c d c 从系统中高电位处取电，提供系 统最大的可用电流。设计了一种三运放差分电荷放大器，能够有效的提取涡街 信号，滤除共模干扰。在系统中加入了温度和压力补偿模块，使系统能够对气 体流量进行准确测量。 基于数字信号处理器d s p i c 的抗强干扰的数字涡街流量计系统利用d s p 的 高速计算能力，采用基于f f t 的功率谱分析方法和陷波滤波方法处理涡街传感 器的输出信号，从含有噪声的传感器输出信号中有效地提取出流量信息。通过 隔离的d c d c 电源模块供电，满足涡街流量计型式试验的要求。通过隔离的通 信端口与上位机之间进行通讯。 关键词：涡街流量计低功耗频谱分析带通滤波抗强干扰 2 d e v e l o p m e n to fh a r d w a r ef o rt w ok i n d so fd i g i t a l 场r t e xf l o w m e t e r s a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dl o w - p o w e rt e c h n o l o g yh a v eb e e nt h e h o ts p o t so fr e s e a r c h i n gv o r t e xf l o w m e t e r si nr e c e n ty e a r s a c c o r d i n gt od i f f e r e n t a p p l i c a t i o n sa n dr e q u i r e m e n t so fo u rp a r t n e r s ，w ed e v e l o p e dt w ok i n d so fd i g i t a l v o r t e xf l o w m e t e r s o n ei st h em i c r o c o n t r o l l e r - m s p 4 3 0b a s e dd i g i t a lv o r t e x f l o w m e t e rw i t hl o w p o w e ra n dt w o w i r e ，a n dt h eo t h e ri st h ed i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r d s p i cb a s e dd i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rw i t hh i g ha n t i - j a m m i n ga b i l i t y t h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rw i t h l o w p o w e ra n dt w o w i r ec o m b i n e st h e d i g i t a ls p e c t r a la n a l y s i sw i t ha n a l o gb a n d p a s sf i l t e r st of i l t e rn o i s e sc o n t a i n e di n t h ev o r t e xs i g n a lw i t ht h eg r e a t e s te x t e n ta n dw e r k sa t l o w p o w e r i no r d e rt o p r o v i d et h em a x i m u mc u r r e n tf o rt h em e t e rt h ed c d cw i t hh i g he f f i c i e n c ya n d l o w p o w e ri su s e df o rc o n v e r t i n gp o w e rf r o mh i g hv o l t a g ei nt h es y s t e m ak i n do f d i f f e r e n t i a la m p l i f i e ri sd e v e l o p e du s i n gt h r e ea m p l i f i e r st o a c q u i r et h ev o r t e x s i g n a le f f e c t i v e l ya n df i l t e rt h ec o m m o n m o d en o i s e t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e c o m p e n s a t i o nm o d u l ei sb u i l ts oa st om e a s u r et h eg a sf l o w r a t ea c c u r a t e l y t h ed i g i t a lv o r t e xf l o w m e t e rw i t hh i g ha n t i - j a m m i n ga b i l i t ya d o p t sb o t ht h e s p e c t r a la n a l y s i sb a s e do nf f ta n dt h en o t c hf i l t e rt op r o c e s st h eo u t p u ts i g n a lo f v o r t e xs e n s o r ，a n de x t r a c t st h ef l o w - r a t ei n f o r m a t i o nf r o mn o i s yv o r t e xs e n s o r s i g n a l t h ei s o l a t e dd c d cp o w e rm o d u l ei su t i l i z e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h et y p i c a lt e s t sf o rv o r t e xf l o w m e t e r t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em e t e ra n d t h eu p p e r s y s t e mi si m p l e m e n t e dt h r o u g ht h ei s o l a t e dc o m m u n i c a t i o n p o r t k e yw o r d s ：v o r t e xf l o w m e t e r s ；l o w - p o w e r ；s p e c t r a la n a l y s i s ；b a n d - p a s sf i l t e r ；h i 班 a n t i j a m m i n ga b i l i t y ； 3 插图清单 图2 1 低功耗、两线制数字涡街流量计系统硬件框图5 图2 。2 系统实物图1 6 图2 3 系统实物图2 6 图2 4 两线制4 - 2 0 m a 环路供电和测量示意图7 图2 54 2 0 m a 电流输出和电源管理电路8 图2 6d a c 的传输曲线。1 0 图2 7l t l9 3 4 1 的工作电路1 2 图2 8t p s 7 1 5 0 1 的工作电路1 3 图2 9t p s 7 15 0 1 输入电压波形1 4 图2 1 0t p s 7 1 5 0 1 输出电压波形1 4 图2 1 1 右手定则1 5 图2 1 2 开关断开瞬间导线各处电压关系1 6 图2 1 3 电流环路面积变化导致电弹l 1 6 图2 1 4 电流环路面积变化导致电弹2 1 7 图2 15 对于高频开关大电容乙v n 和大电感l b u c k 可以看成电压源和电流源1 7 图2 1 6 开关对环路面积的影响1 7 图2 1 7 采用半导体开关对分析接地反弹的基本原理1 8 图2 1 8 精心放置乙v 1 7 、r 可以大大减小接地反弹1 8 图2 1 9 电荷放大器等效电路1 9 图2 2 0 单运放差动式电荷放大器电路原理2 0 图2 2 1 单运放差动式电荷放大器实际模型2 0 图2 2 2 单运放差动式电荷放大器同相端电压2 1 图2 2 3 单运放差动式电荷放大器输出端电压2 1 图2 2 4 单运放差动式电荷放大电路共模干扰仿真模型2 2 图2 2 5 单运放差动式电荷放大电路共模干扰仿真结果。2 2 图2 2 6 三运放差分电荷放大器电路原理2 3 图2 2 7 单个电容负反馈输出电压一2 3 图2 2 8 三运放差分电荷放大器输出端的电压2 4 图2 2 9 三运放差分电荷放大电路仿真模型2 4 图2 3 0 三运放差分电荷放大电路仿真结果2 5 图2 3 1 可变增益程控放大器2 6 图2 3 2 程控放大器电路图2 6 图2 3 3 峰值检测电路原理图2 7 图2 3 4 峰值检测电路m u l t i s i m 仿真结果a 2 8 7 图2 3 5 峰值检测电路m u l t i s i m 仿真结果b 2 8 图2 3 6 低通滤波器2 9 图2 3 7 低通滤波器m u l t i s i m 幅频特性仿真结果2 9 图2 3 8 双运放级联带通滤波器3 0 图2 3 9 单运放带通滤波器3 0 图2 4 0 单运放带通滤波器幅频特性3 1 图2 4 1 级联带通滤波器幅频特性3 1 图2 4 2 第一个频率段电路参数3 2 图2 4 3 第一个频率段m u l t i s i m 仿真结果3 3 图2 4 4 第二个频率段高通电路参数3 3 图2 4 5 第二个频率段高通仿真结果3 3 图2 4 6 第二个频率段低通电路参数3 4 图2 4 7 第二个频率段低通仿真结果3 4 图2 4 8 迟滞触发器电路3 5 图2 4 9 迟滞触发器传输曲线3 5 图2 5 0 温压补偿电路模块的框图3 6 图2 5 1 低数字部分电流的数模混合i c s 的正确接地3 7 图2 5 2 系统模拟部分、数字部分接地点和去耦点3 9 图2 5 3 数字部分电流较大的a d c 布局4 0 图2 5 4 单片机电路一4 2 图2 5 5r c 上电复位电路4 3 图2 5 6 掉电检测电路4 4 图2 5 7f r a m 存储器4 4 图2 5 8 主信号为9 5 h z 原始信号4 6 图2 5 9 主信号为9 5 h z 低通输出信号4 6 图2 6 0 主信号为9 5 h z 带通滤波结果4 7 图2 6 1 主信号为9 5 h z 整形结果一4 7 图2 6 2 主信号为4 5 h z 原始信号4 8 图2 6 3 主信号为4 5 h z 低通输出信号4 8 图2 6 4 主信号为4 5 h z 带通滤波结果一4 8 图2 6 5 主信号为4 5 h z 整形结果4 9 图3 1 系统硬件整体结构框图5 4 图3 2 系统实物图正面5 5 图3 3 系统实物图反面5 5 图3 4 隔离型d c d c 电路：5 6 图3 5l d o 电路5 6 8 图3 6 偏置电压电路5 7 图3 7 两导线电场耦合干扰的模型5 8 图3 8 通讯接口框图6 1 图3 9 模拟信号输入调理模块的输出6 2 9 表格清单 表2 1 系统功耗测试4 9 表2 2 电流精度测试5 0 表2 3 温度和压力补偿测试5 0 表2 44 0 m m 口径数字涡街流量计气体标定实验数据5 l 表2 58 0 r a m 口径数字涡街流量计气体标定实验数据5 1 表3 1 液、气体流量频率上限与传感器口径6 0 表3 2 隔离d c d c 输入和输出端电流6 2 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金起工些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：文三加签字日期：山7 年 斗月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒星王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：美- i 三如 签字日期：怠鼬c 年牛月如日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 争驴 矛埠 务” 彳刀u 致谢 首先感谢我的导师徐科军教授。本论文在选题及研究和实验过程中，无不 倾注着徐老师的心血。徐老师一直关注着课题的进程，经常组织大家进行汇报 和讨论，在讨论中开拓了大家的思路，同时也为我们指点了迷津。在整个研究 生学习期间，徐老师不仅教授了我知识，同时也用他勤奋的工作、严谨的作风、 务实的态度和创新的理念，时时影响和督促着我。在此，谨向恩师致以诚挚的 谢意和崇高的敬意! 感谢实验室的黄云志老师、赵锐老师，感谢他们三年来对我学习上的鼓励 和帮助。感谢实验室朝夕相处的兄弟姐妹们，他们是：已毕业的师姐刘晓丽， 师兄余向阳、周扬、梅楠楠、张进、高学海、曾宪俊，以及罗清林、李祥刚、 刘家祥、朱志海、朱永强、李叶、陈佳臻、梁利平、张磊、杨双龙、方敏、李 苗、侯其立和姜鹏，大家一起学习，互相讨论，共同分享思路，让我从中受益 匪浅。感谢你们的帮助，使我的课题得以顺利进行。 感谢我的师长、同学和朋友们，感谢他们对我的关心、帮助和鼓励。 感谢一直激励我上进的人们。 感谢我的爸爸和妈妈，养育之恩，无以回报，正是由于他们默默且辛苦的 支持，我多年来的求学之路才显得平坦而顺利，平安健康是我对他们最大的祝 愿。感谢姐姐及其他亲人们多年来对我的关心和鼓励。 4 作者：刘三山 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 研制涡街流量计的目的和意义 在特定的流动条件下，一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流 速( 流量) 有确定的比例关系，依据这种原理工作的流量计称为流体振动流量 计。目前流体振动流量计有三类：涡街流量计、旋进( 旋涡进动) 流量计和射 流流量计。流体振动流量计具有以下一些特点：( 1 ) 输出为脉冲频率，其频率与 被测流体的实际体积流量成正比，它不受流体组分、密度、压力、温度的影响； ( 2 ) 测量范围宽，一般量程比可达1 0 ：1 以上；( 3 ) 精确度为中上水平；( 4 ) 仪表 内无可动部件，可靠性高；( 5 ) 结构简单牢固，安装方便，维护费较低；( 6 ) 应用 范围广泛，可适用液体、气体和蒸汽。本文介绍的涡街流量计是在流体中安放 一根( 或多根) 非流线型阻流体( b l u f fb o d y ) ，流体在阻流体两侧交替地分离释 放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均 流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。 早在18 7 8 年斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速关系的文 章，斯特劳哈尔数就是表示旋涡频率与阻流体特征尺寸，流速关系的相似准则。 人们早期对涡街的研究主要是防灾的目的，例如，锅炉及换热器钢管固有频率 与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究 始于2 0 世纪5 0 年代，如风速计和船速计等。6 0 年代末开始研制封闭管道流量 计一一涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计。7 0 、8 0 年代 涡街流量计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法的涡街流量计，并 大量生产投放市场，像这样在短短几年时间内就达到从实验室样机到批量生产 过程的流量计还绝无仅有。我国涡街流量计的生产亦有飞速发展，全国生产厂 达数十家，这种生产热潮国外亦未曾有过。数字信号处理技术和低功耗技术是 近年来涡街流量计研究的热点。数字信号处理算法一般通过d s p 实现，计算结 果准确、抗干扰能力强、测量精度高。但是，d s p 功耗大，无法做到低功耗和 两线制。现有的低功耗、两线制仪表般采用常规的信号处理方式，方法简单， 抗干扰能力差，测量精度比较低。因此我们针对不同的应用情况，根据合作厂 商的要求，研制了基于m s p 4 3 0 的低功耗、两线制数字涡街流量计系统和基于 数字信号处理器d s p i c 的抗强干扰的数字涡街流量计系统。基于m s p 4 3 0 的低 功耗、两线制数字涡街流量计系统将数字信号处理方法与传统的脉冲计数方法 相结合，既很好的解决了抗干扰和精度问题，又满足了低功耗的要求。基于数 字信号处理器d s p i c 的抗强干扰的数字涡街流量计系统以d s p i c 3 3 f j 2 5 6 m c 7 1 0 为核心，具有抗干扰能力强，响应速度块的特点。 目前，在涡街流量计测量流量过程中存在的主要问题有：( 1 ) 易受噪声影响， 特别是管道振动和动力设备噪声，这些噪声信号将直接叠加于涡街流量计信号 1 之上，导致卡门漩涡的形成和释放受到很大影响，从而影响敏感元件的输出， 造成流量测量出现偏差；( 2 ) 受流体本身的稳定性和均匀性影响较大。流体的稳 定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响，而且对各种敏感元件的检 测效果也有直接影响。由流体不稳定而产生的附加漩涡干扰了涡街信号，降低 了信噪比；( 3 ) 工业现场的两线制4 - - - 2 0 m a 电流输出要求，使得基于d s p 的涡 街流量计由于其自身的功耗无法满足要求，而现有的基于单片机的涡街流量计 只是采用传统的放大、滤波、整形和计数方法处理涡街信号，其抗噪声能力和 精度都比较差。 以上因素无不影响着涡街流量计流量测量精度。为解决这些问题，可通过 设计专门的二次仪表，采用先进的信号处理方法，降低上述因素对流量测量的 影响。传统两线制涡街流量计系统信号处理过程是放大、滤波、整形和计数， 电路简单、成本低廉、系统功耗较小，但是，在这种处理过程中，工频干扰、 管道振动及其谐波干扰都处于信号的频带范围内，信号易受噪声影响，无法较 精确地提取信号的频率信息。近年来发展起来的基于d s p ( 数字信号处理器) 芯片的数字信号处理系统，采用有针对性的特殊算法，对流量计的输出信号进 行细致地分析处理，取得了较高的精度，同时也有很好的实时性，但是这种方 法功耗大，无法满足某些工业现场需要两线制电流传输或者需要电池供电场合 的要求。近年来有提出采用m s p 4 3 0 系列高性能、低功耗单片机实现数字信号 处理，采用数字频谱分析与模拟滤波相结合的处理方法，从试验数据来看，其 研制出的数字信号处理系统在实验室环境下中已经取得很好效果。 1 2 涡街流量计的国内外研究现状 为改善涡街流量计测量流量的性能，国内外专家、学者和生产涡街流量计 的公司，开展了大量的研究工作，提出了许多数字信号处理算法，并设计专门 的、以微处理器为核心的涡街流量计数字信号处理系统以实现算法。 m i a u 专门研究了冲击振动情况下对压电式涡街流量计输出的影响，通过 改进传感器的设计降低传感器对脉冲振动的检测，在传感器和电荷放大器之间 加入低通滤波器，去除脉冲振动产生的尖峰噪声。 l9 9 7 年，m e n z 首次将传感器融合应用于流量计测量心1 ，研究了以超声波 为探测元件的涡街流量计，超声波涡街流量计可以直接测量涡街信号频率，然 后计算出流量，也可以先测出两个测量点之间旋涡通过的时间，再计算流量。 将两种测量原理结合在一起，将两种测量方法的测量结果进行融合，得到新的 流量值，提高了流量测量的精度，削弱流体噪声的影响。 r o s e m e n t 公司研制了以数字跟踪滤波器( d i g i t a lt r a c k i n gf i l t e r ) 为核心的 涡街流量计数字信号处理系统b 1 ，数字跟踪滤波器由系列具有不同截止频率 高低通滤波器组成，处理器根据涡街信号的特点，选择合适的滤波器处理输入 2 信号。采用数字滤波器提高了流量测量和控制的可靠性和准确性。 原机械工业部重庆工业自动化仪表研究所的专家和北京公用事业研究所的 专家分别针对工业现场的电磁干扰、管道振动干扰和流场干扰，研究了涡街流 量计在屏蔽、结构设计和安装上的对策。同时认为，在电路和信号处理方面可 以有效地抑制振动噪声随1 。原机械工业部上海工业自动化仪表研究所的专家认 为，数字信号处理方法应用于流量计是一项先进技术，可以解决流量测量中存 在的一些难题，大有发展前途。 合肥工业大学自动化研究所从上个世纪九十年代开始，分别将周期图谱法、 基于b u r g 算法的最大熵谱法等算法应用于涡街流量传感器的信号处理，并且研 制了以d s p 为核心的涡街数字信号处理系统。研究生吕迅兹第一次运用周期图 谱方法分析流量计信号阳1 0 3 、计算信号频率、估计流量，并且成功研制了基于 a d s p 的涡街数字信号处理系统，测试和验证了周期图谱分析算法，该套系统 获得国家发明专利。研究生汪安民分别对自适应陷波滤波和小波变换方法进行 了研究12 1 4 3 ，成功地在涡街数字信号处理系统上实时实现，并进行了试验测 试。研究生黄云志对系统的进行了完善引；之后，又对基于时频分析的涡街频 率估计方法进行了研究。研究生李永三采用连续小波变换方法估计涡街流量传 感器的信号频率n6 1 ，研究了算法，并研制了以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 为核心的 信号处理系统。研究生王肖芬和陈智渊采用数字滤波与频谱分析相结合的方法 n e l 9 2 0 1 ，重新设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心的涡街流量计数字信号处 理系统，申请了国家发明专利，现已通过实质性审查。 在低功耗涡街流量计研究方面，专家和学者也做了大量的工作。 北京化工大学的莫德举、孙丽等研制基于p i c 单片机的两线制涡街流量计 心射，从理论上计算出实际的功耗满足两线制电流传输的要求，但实际系统的测 试结果未见说明。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的胡海清和陈章位等设计了基于 m s p 4 3 0 系列单片机的低功耗涡街流量计乜7 1 ，结合a d 4 2 1 实现了两线制电流输 出，并配备有r s 4 8 5 等工业通讯接口，但在涡街信号的处理上仍采用传统的放 大、滤波和整形，没有采取其他更有效的措施提高测量精度；并且使用a d 4 2 1 导致系统成本较高，不利于推广。 中国科技大学的黄丹、陈听和周康源等利用小波变换的方法晗利，处理涡街 信号，去除信号中所含的噪声。但是，没有深入考虑涡街信号幅值变化范围宽 等问题，并且没有说明实际系统在计算精度、单片机资源占用等情况，对能否 真正实现低功耗也没有做相应测试。 合肥工业大学的曾宪俊，对于固定频带范围的标准频率信号心引，提出了使 用软件频谱分析加硬件带通滤波的方法对涡街信号进行处理，将信号加工成方 波，最后通过脉冲计数的方法计算出信号频率，该套系统己获得国家发明专利。 3 但该系统能够测量的频率范围太窄，无法用于实际测量，并且脉冲计数得出的 频率的始终存在0 5 h z 的系统误差，这也不能满足实际工业现场的要求。 总之，国内已经提出了相关的低功耗处理方法，但是，其测量精度及系统 稳定性都没有真正的达到工业级标准，导致这些系统在不能真正满足工业生产 现场的要求。 1 3 课题来源和主要研究内容 基于m s p 4 3 0 的低功耗、两线制数字涡街流量计系统课题来源于美国德州 仪器( t i ) 公司创新基金“基于m s p 4 3 0 的低功耗、两线制数字涡街流量计研制 和重庆耐德正奇流量仪表有限公司“低功耗涡街流量计抗干扰信号处理系统 。 针对低功耗、两线制数字涡街流量计各种研究方法中软件频谱分析加硬件带通 滤波研究方法，在保证系统功耗满足两线制电流传输要求的前提下，从软件角 度对整套方案提出改进，力图使系统的测量精度和稳定性都达到工业级标准。 主要的研究内容为： ( 1 ) 针对低功耗、两线制仪表系统电源线和信号线复用的情况，选择合适的 供电方案，提高系统可用电流范围，满足系统供电和信号输出的要求。 ( 2 ) 解决传统差动式电荷放大器输出信号幅值小，共模干扰抑制能力差的问 题。 ( 3 ) 针对固定电阻、电容带通滤波器不能匹配不同口径传感器，不同流体介 质涡街信号频率范围的问题，提出解决办法。 ( 5 ) 针对测量气体流量时需要进行温度和压力的补偿，如何对温度和压力信 号进行采集，同时保持测量精度。 ( 6 ) 保证系统在掉电时对仪表参数，流量信息等重要数据进行保存。 ( 7 ) 将涡街信号处理系统进行现场实验，考核信号处理链路的实际性能，依 据实验情况，改进系统的硬件。 基于数字信号处理器d s p i c 的抗强干扰的数字涡街流量计系统是为重庆川 仪总厂有限公司流量仪表分公司开发的抗强干扰数字式涡街流量计。系统采用 上、下位机的结构，即下位机实现模拟信号调理、涡街频率测量，上位机实现 其他后续处理。我们课题组主要完成的是下位机部分的软硬件实现。 主要研究内容为： ( 1 ) 针对涡街流量计防爆和静电抗扰度型式试验的要求，选择一种合适的电 源供电方案。 ( 2 ) 对高输出阻抗压电传感器的屏蔽进行理论分析和实验，选择一种合适的 屏蔽方式，提高抗工频干扰能力。 ( 3 ) 针对上、下位机间数据通信的要求，选择一种合适的通讯方式。 4 第二章基于m s p 4 3 0 的低功耗、两线制数字涡街流量计的硬件 研制 2 1 系统概述 本章介绍我们研制的低功耗、两线制数字涡街流量计信号处理系统的硬件 部分。图2 1 为本系统硬件框图。系统由电荷放大器，程控放大器，低通滤波 器，电压跟随器，带通滤波器组，多路选择开关，峰值检测电路，脉冲整形电 路，温、压补偿模块，单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 ，时钟管理模块，复位电路，电源 监测模块，按键输入模块，l c d 显示模块，4 2 0 m a 电流输出模块，电源管理 模块组成。 图2 1 低功耗、两线制数字涡街流量计系统硬件框图 压电传感器检测流体中产生的涡街信号，输出等量异种电荷经过差分电荷 放大器后转换为电压信号，再由程控放大器进行电压放大，低通滤波器滤除高 频噪声后分为两路：第一路信号经电压跟随送至单片机的a d c 输入端，被单 片机自带的a d c 采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行少点数快速傅 立叶变换( f f t ) ，做周期图谱分析，得到信号的频率值，通过多路选择开关来选 择带通滤波器组的通道，对信号进行有选择性滤波；第二路信号经电压跟随送 至带通滤波器组滤波。经过多路选择开关后的信号分为两路：其中一路送至峰 值检测电路，利用峰值检测电路检测出信号峰值，送至单片机的a d c 输入端， 单片机对其进行采样和转换，并调整程控放大器的放大倍数，使信号保持在一 定幅值范围：另一路信号送至脉冲整形电路进行整形，将交变的电压信号整形 为脉冲信号送至单片机的定时器输入端，进行多周期等精度频率测量。单片机 根据频率计算结果，将流量信息显示在l c d 上，并通过自身的d a c 转换，经 5 过v 1 转换控制4 2 0 m a 电流输出 圈22 系统实物图 图23 系统实物图2 6 2 24 - - 2 0 m a 电流输出简介与电源管理电路 2 2 1 两线制4 - - 2 0 m a 输出简介 工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、物位、流量等， 都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种 将非电物理量转换成电信号的设备称为变送器。而且在工业应用中，测量点一 般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上，两者之间距 离可能数十至数百米，省去两根导线意味着成本降低近百元，因此，在应用中 两线制传感器必然是首选。工业上最广泛采用的是用两线制4 2 0 m a 电流环来 传输模拟量。 采用电流传输信号的原因是其不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导 线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取 2 0 m a 是因为防爆的要求，2 0 m a 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯； 下限没有取0 m a 的原因是为了能检测断线，正常工作时环路电流不会低于 4 m a ，当传输线因故障断路，环路电流降为0 m a 。常取2 m a 作为断线报警值。 两线制电流传输的特点是仅用两根导线实现电源线和信号线复用，完成系 统供电和信号输出，这就要求系统自身消耗的电流不能超过4 m a 。因此，系统 的电源管理电路与4 2 0 m a 电流输出是一个不可分割的模块，这部分是整个系 统能否实现低功耗、两线制的关键。图2 4 为两线制2 4 v 、4 - - 2 0 m a 环路供电 和测量示意图。 测量仪表 图2 4 两线制4 2 0 m a 环路供电和测量不意图 图2 4 中的2 4 v 为上位机的供电电压，r 。上位机电流检测电路，4 - - - 2 0 m a 接收器实际上就是一个i v 转换电路，某些半导体厂商已经提供了相应的集成 电路，例如t i 公司有一个集成芯片r c v 4 2 0 可以实现转换，使用起来很方便。 为简单起见，在这里用取样电阻尺。表示，通过检测电阻两端的压降v ，根据 i o = 矿r 。即可得出对应的输出电流值。 2 2 2 电源管理电路 我们研制的低功耗、两线制数字涡街流量计电路系统属于数、模混合电路 系统，需要对系统数字部分和系统模拟部分进行分开布局、布线。考虑到防止 系统数字电路部分噪声通过电源线路对系统模拟电路部分造成干扰及模拟电路 部分与数字电路部分电平匹配的问题，系统采用模拟与数字分开供电的方案。 7 为了增加系统中的可用电流，将电源输入端2 4 v 直流电压通过非隔离d c d c 降压变换成3 3 v 电压，将小的电流“变 为大的电流。3 3 v 电压经过一路l d o 变成3 v 电压，作为系统数字电路部分的电源；3 3 v 再通过另一路l d o 降低电 源纹波变换成3 v 电压，作为系统模拟电路部分的电源。模拟地和数字地之间 通过磁珠连接。由于温、压补偿电路部分对电源纹波要求较高，我们直接从电 源输入端2 4 v 电压通过一片l d o 变换成7 v 电压，作为温度和压力补偿电路部 分的电源。系统中所用的全部电流最终都要由4 2 0 m a 环路电流产生器件 x t r l1 5 检测。图2 5 为4 - - - 2 0 m a 电流输出和电源管理电路示意图。 图2 54 - - - 2 0 m a 电流输出和电源管理电路 图中x t r ll5 为4 - - - 2 0 m a ，它不仅能实现流量信号的v i 转换，同时内部 集成了一个输出电压为+ 5 v 的线性稳压器和2 5 v 的电压基准。4 - - 2 0 m a 电流 环路的4 m a 电流偏置使用x t r l l 5 内部集成的2 5 v 电压基准提供，这样既简 化了电路设计，又节省了成本，尽量使用集成度较高的低功耗器件可以减小系 统自身消耗的电流。x t r l15 在正常工作情况下，典型静态电流仅为2 0 0 u a ， 很符合低功耗的需要。 2 2 2 14 2 0 m a 电流环控制 图2 5 中标明了两线制4 - - 2 0 m a 环路电流产生器件的原理和系统中各部分 电流的走向，其中2 4 v 为上位机供电电压，b 为上位机取样电阻，五。是f 16 1 1 的d a c 输出电压经r 。转换后的电流和2 5 v 电压基准经兄，转换后的电流之 和，即l = 吃。r 删+ 如。i r e t 为系统模拟部分，温、压补偿部分和数字部 分消耗电流之和，最终送入x t r l1 5 ，由其检测系统模拟部分，温、压补偿部 分和数字部分消耗的电流，并控制最终输出的电流。虚线框部分为x t r l1 5 内 8 部结构，l 是x t r l 15 自身静态消耗电流，l 是流经三极管q 的补偿电流。l 是变送器实际输出电流，它是乇、厶、厶、t 之和。其中，模拟部分，温、 压补偿部分和数字部分，以及x t r l 15 消耗电流为系统自身消耗的电流，。，即 k = 乇+ l 。x t r l 15m - r - 作原理是：通过比较墨和尺：上压降大小决定三极管 q 的通断，从而控制t 的大小。根据r 和r ：的阻值关系，当k 9 9 i t 时，三 极管不导通，t = 0 ，l = ，。+ 厶，由于t , o 很小( 厶最大时为x t r l1 5 输出2 0 m a 电流的情况，此时i 抽= 2 0 m a 1 0 0 = 2 0 0 u a ) ，因此可近似认为当，。 9 9 i t 时输出 l 为系统自身消耗的电流，l i s y s ；当k 9 9l 时，三极管导通， t o = k + 厶+ l = 1 0 0 t t , , ，此时输出电流值为d a c 控制输出值。总结起来就是： ti 驰+ i l i l 锚i 弧，i 够s 9 9 1 弧f 、1 、 i m s 七i 魄+ iq = 1 0 0 i , , ，i 峭ss 9 9 i h 、i 系统通过输出不同电流值代表不同的涡街信号频率，也就是代表不同的流 量。涡街信号频率的上、下限分别对应于输出电流的上、下5 曼( 2 0 m a 和4 m a ) ， 按照比例关系，则每一个信号频率值都对应一个电流输出值。这个电流输出值 代表流量信号的大小，它由f 1 6 l1 的d a c 输出电压控制。在实际工作中，这 种对应关系由f 1 6 1 1 根据公式计算得出，再通过更新d a c 输出实现。 在实际工作，输出电流信号前需要对4 - - 2 0 m a 电流环进行校准工作。校准 的理论依据是系统的输出电流与f 1 6 1 1 输入到d a c 的数字量成一次方程： y = a x + b ( 2 2 ) 其中x 为系统的输出电流，y 为d a c 的输入数字量。 校准的工作就是求出a 和b 两个参数，为此需要得到两个流量点的输出电 流和此时d a c 的输入数字量，通过解方程得到参数a 和b 。此后，f 1 6 1 1 根据 涡街信号的频率按照与流量上、下限的比例关系计算出此时应该输出的电流大 小，利用公式： x ：= y - b 口 ( 2 3 ) 计算出d a c 的输入数字量，更新d a c ，即可在4 - - - 2 0 m a 电流环路上得到 相应大小的电流。校准时通过菜单让f 1 6 1 1 给d a c 输入固定的数字量，然后 测得此时对应的输出电流大小。 根据f 16 11 的数据手册，其d a c 存在输出失调电压，最坏的情况达到 2 1 m v ，这样使得d a c 的传输线不是理论上的一条通过原点的直线，如图2 6 所示。为了保证输出电流的大小与d a c 的输入数字量成线性关系变化，即d a c 的输出电压与d a c 的输入数字量成线性关系变化，我们可以将d a c 的最小输 入数字量定为5 0 ，最大的输入量定为4 0 5 0 ，避开使用d a c 非线性的传输线部 分，虽然在一定程度上减小了输出电流的分辨率，但这样就可以避免由于失调 电压造成的非线性误差。 9 图2 。6d a c 的传输曲线 由于d a c 的最小输入数字量为5 0 ，必须保证这个时候d a c 的输出电压对 应的输出电流不能大于4 m a ，否则系统的输出电流将始终大于4 m a ，不能表示流 量为零的情况。同时d a c 输入数字量为5 0 的时候，输出的电流不能远小于 4 m a ，否则输出4 m a 时，d a c 的输入数字量需要远大于5 0 ，使输出电流的分 辨率变差。同理，d a c 的最大输入数字量为4 0 5 0 时，必须保证d a c 的输出电 压对应的输出电流不能小于2 0 m a ，否则系统的输出电流始终小于2 0 m a ，不能表 示满量程的情况。同时，为了保证输出的分辨率，d a c 输入数字量为4 0 5 0 的 时候，输出的电流不能远大于2 0 m a 。 d a c 的整个输入数字量变化范围5 0 - - - 4 0 5 0 ，需要对应输出电流4 - - - 2 0 m a 的电流变化，根据x t r ll5 的输入电压和输出电流关系，可得 ! q ! q 二塑2 5 r s e t 2 4 0 9 5 ( 2 0 4 ) 1 0 0 = 1 5 3 k ，由于必须保证输出电流2 0 m a ，4 m a = 1 6 m a 的变化范 围，取r e t 一- - 1 5 k 。d a c 输入5 0 时，输出电流为：( ( 右去2 5 ) 如) 1 0 0 = 0 2 m a 。 那么偏置电流可取在3 7 5 m a 左右。尺。，= 2 5 v 3 7 5 m a = 6 6 6 7 k ，可用6 2 k 和4 7 k 串联，在实际调试中，由于与理论计算值之间存在误差的原因，兄，需要多加一 个1 k 的电阻。同时由于f 16 1 1 片上d a c 的基准电压存在初始精度的问题，r ， 和足，都存在需要调整的情况。 整个4 一- , 2 0 m a 电流环控制电路中没有用到可调电阻，利用软件的方法进行 校准，避免了由于可调电阻带来的温漂。 2 2 2 2 高效率电源电路 由于两线制电流传输的特点，要求系统自身消耗的电流不能超过4 m a ，但 是单片机在正常工作时自身耗电就有4 5 m a ，系统还有其它数字、模拟电路 需要供电，因此采用普通线性稳压器进行供电的方法显然是