（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式多维智能电磁水处理系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文是在对电磁除垢研究之后，继续进一步对智能化电磁水处理系统深入的 研究与探索。以循环水和湖泊中藻类为研究对象，针对当前电磁水处理器处理频 率单一，智能化程度低，无法适应各种环境的问题研发了一套新型电磁水处理系 统，并对交变电磁场在灭藻方面进行了一定的研究。 首先，我们基于a r m 7 微处理器l p c 2 2 2 0 和u c o s i i 嵌入式实时操作系统 研制了可调频调压并能实时电流反馈的智能电磁式水处理平台。该系统主要包括 基于a r m 7 的主控模块，基于a d 9 8 5 0 的可调频率发生模块，频率合成模块， 电源功率模块，反馈模块还包括液晶、键盘的人机交互模块等。还实现了多维频 率合成输出的功能。 在硬件平台的基础上进行了基于嵌入式实时操作系统的应用程序设计。本课 题的创新之处在于设计了一套水处理效果寻优的算法。通过p i 调节使原边电流 不变，对副边线圈感应电流突变的检测寻优出谐振频率，再通过模糊控制更好地 跟踪谐振频率，以达到更好的处理效果，为了进一步的指导实践，我们进行了一 些假设，做了初步的m a t l a b 仿真。 在上述软硬件的基础上搭建了电磁灭藻实验平台，进行了大量的灭藻实验研 究。包括分组研究影响灭藻因素实验和扫频寻优实验，并对实验结果进行了藻液 颜色对比、藻细胞荧光显微镜鉴定和扫频电流反馈曲线分析，在一定程度上验证 了本文设计的寻优算法的效果。实验结果表明：该系统除了保持原有的除垢、杀 菌、灭藻等功能外，在处理效果和性能上也有了很大提高。尤其是在灭藻方面， 通过颜色对比和荧光显微镜分析，灭藻处理效果并不完全与频率成正比关系，在 1 0 0 k h z 范围内6 0 k h z 1 0 0 l ( h z 的处理档位效果最好，同时处理时间和电磁感应 强度也是影响处理效果的重要因素，得出处理时间必须足够长，电磁感应强度必 须足够大，才能获得很好的处理效果的结论。并且通过对输出电流的p i 调节和 扫频后采集副边电流的分析，初步确定了谐振频率，在电磁水处理的自动化和智 能化方面有了很大的突破。在一定数量实验的前提下，对有藻水样和无藻水样进 行扫频对比分析，系统自动寻优识别，在输出频率为6 0 k h z 和2 9 0 1 ( h z 附近反馈 电流有突变，为进一步研究谐振频率提供数据依据。并且可以看到，它与前面的 效果实验中处理效果最好的频率带( 6 0 k h z 1 0 0 l ( h z ) 有一定的相关性，进而论 证了扫频寻优算法的可行性。 关键词：循环水系统；电磁水处理：灭藻；谐振频率；模糊控制 北京工业大学丁学硕士学位论文 a bs t r a c t a r e rt h er e s e 2 u n c ho n 也es c a l e ，t h i sp a p e rc o n t i n u e dt 0s t u d yi ni n t e l l i g e n t e l e c t r o m a g n e t i cw a t e rp r o c e s s o rs y s t e md e e p ly i tt a k e st h er e c y c l e dw t 旺e ra n da l g a e i nt h el a k e 勰t h es t u d yo b j e c t a i m m i n ga tt h ec u 仃e n te l e c t r o m a g n e t i cw a t e r 口e 绷e n te q u i p m e l l tw h o s ep r o c e s s o r 丘e q u e n c yi ss i n 9 1 e ，i n t e l l i g e n c ei sa tal o w l e v e l ，a n dc a nn o ta d a mt 0av a r i e t yo fe n v i r o m e n t a l i s s u e s ，w ed e v e l o p e das e to f n e we i e c t r 。o m a 阴e t i cw a t e rt r e a t m e n ts y s t b ma n dr e s e a r c hi nac e r t a i ni ne l i m i n a t i n g a l g u n d e rt h ea l 把m a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d f i r s t ，w ed e v e l o p e d 锄a d v a n c e de l e c t i 0 m a g n e t i cw a t e rd r o c e s s o rw h i c hi sb a s e d o na 砌7l p c 2 2 2 0a n du c o s i i i tc a na d i u s tt h e 觚q u e n c v ，v 0 1 t a g ea n dt l l ec u l l r e n t r e 神t i m ef e e d b a c k t h i ss v s t e mc o n t a i n st h em a i nc o n t r o lm o d u l eb a s e do na d 9 8 5 0 ， m ef - r e q u e n c ys v n t h e s i z i n g t h ep o w e rm a g n i 母m o d u l e ，t 1 1 ef e e d b a c km o d u l e 锄d c o m m u n i c a 土i o nm o ( 1 u l eb a s e do nk e v b o a r da n dl c d e t c o nt h eh 砌w a r ep l a t f o mw et o o kt h ea p p l i c a t i o np r o 印锄d e s i g no nt h eb a s i so f e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e rl i e si nt h a ti t d e s i g n e da ne f f e c t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi nw a t e rt r e a t m e n t t h r o u g l lt l l ep i a d i u s t m e n tt 0m a k es u r et h ec u r r e n to ft h eo r i g i n a le d g ec o i lc e r t a i l l ，i td e t e c t e d v i c e i i l d u c e dc u r r e n t si n f l e c t i o np o i n tt 0s e a r c ht h eo d t i m i z a t i o ns y n t o n i cf k q u e n c y 锄dt 聪l c k e ds v n t o n i cf r e q u e n c yt oa c h i e v eb e t t e rt r e a n n e n te f f e c tu s i n gt h e l z z y c o n _ t r d l i no r d e rt o 譬m i d ep 咒l c t i c dw e l l ，w em a d es o m ea s s u m p t i o l l sa i l dd i da d r e l i i n i n a r ys i m u l a t i o ni nm a t l a b o nt 1 1 eb a s i so ft h eh a r d w 锄ea n ds o f t w a r ew eb u i l t 锄e l e c t r d m a g ：n e t i ce l i m i n a t e a l g a ee x p e r i m e n t a lp l a t f - o 砷a n dh a dal 踟g en m l l b e ro fe x p e r i m e n t i ti n c l u d e st 1 1 e s t u d i n gm ee l i m i n a t i n ga l g f a c t o r si nt e 锄s 锄dt h es w e p te x p e r i m e n t t h e nw e c o n t r a s t e dt h ec o l o ro fa l g a e ，w a t c h e da lg a lc e l l su s i n gt h en u o r e s c e n c em i c r o s c o p y a n da n a l y z e dt l l ec u n 。e mf e e d b a c kc u r v e t bac e r t a i ne x t e n t ，w ev e r i j e i e dt l l ed e s i 匦 n l ee 恐c to fo d t i m i z a 矗o na i g o r i t l l m 1 、h er e s u l t ss h o wt h a ti na d d i t i o nt ot h ep r e v i o u s c l e a i l i n g ，s t e m i z i n g ，a n t ia l g a e ，锄do t h e r 如n c t i o n s ，i ta l s oh 硒b e e ng r e a t l yi m p r o v e d i 1 1e 蔬c ta 1 1 d 口e r f o m a r i c e e s p e c i a l l yi nt h e 锄1 t ia l g a e ，t h r o u g l lt h ec o l o rc o n t r a s ta n d n u o r e s c e n c em i c r o s c o p v 趴a l y s i s ，t h e 仃e 咖e n te 伍：c ti sn o t 如l l ya i l dd i r e c t l y p r o p o n i o n a lt ot l l ef 沁q u e n c y t h ee f f e c ti st h eb e s tf r o m6 0l ( 】h z 10 0k h z a tm e s 锄et i m et l l ep r o c e s s i n gt i m ea n di n t e n s i 西o fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o na r ea l s 0t l l e i m p o r t 硼1 tf h c t o r s 疵c t i n g l et r e 舳e n t 1 1 1o t h e rw o r d s ，t h ep r o c e s s i n gt i m em u s tb e l o n ge n o u 曲锄dt h en e n s 埘o fe l e c t r o m a 印e t i ci n d u c t i o nm u s tb cb 迢e i l o u 曲t og e t g o o d 仃e a t m e n te a e c t t h r o u g ht h ep ia d i u s t m e n to f t h eo u t p u tc u r r e n ta i l dt h ec u r r e n t f e e d b a c k 锄a l y s i s ，w ed e t e m l i n e dt l l es y n t o n i c f k q u e n c ya l l dm a d eag r e a tp r o g r e s si i l i 1 1 t e l l i g e n t 锄da u t o m a t i o n i nm ep r e m i o fac e r t a i nn u m b e ro fe x p e r i e n c e s ，t h e s y s t e ma u t o m a t i c a l l yi d e n t i f i e dt h ec u r r e n tm u t a t i o ni n6 0 k h za n d2 9 0 l j n i 5 j 射随嚣 r 八 l 射髓器 卜 叫 隔直 一 领牢合成器 数字电f l ，器廿 压射l ；f l 嚣 二二 巾一 u 图3 3 系统信号流程图 f 嘻3 3t h es i g n a lf l o wo ft h es y s t e m 3 3 改进的s t d 总线设计 功率放大嚣 卜、 ) 反相器 广j 。 s t d 总线又称为i e e e 9 6 总线，在1 0 多年前是工业控制领域内最流行的标准 总线之一，主要用于8 位微处理机和单片机工业控制系统1 1 6 j 。现在虽然s t d 总线 已经过时，但是因为实验室具有s t d 总线插槽，并且经过论证，经过改进的s t d 总线插槽数目仍能满足本系统的需要，尤其是在使用了3 2 位的嵌入式a r m 芯片 后，由于其片上资源极其丰富，因而还大大节省了信号线的数量。图3 - 4 和表3 1 是改进的s t d 总线各引脚排列及名称。 g n da 3a 1d 7d 5d 3d ln o ep 2 1 6p o 3p 3 2 8 p 0 1 9p o 2 3+ 1 5 v l3 | 5 79 | 1 l 1 3 l1 5 i1 7 i1 9 i2 11 2 3 i 2 5 1 2 7 2 9 l3 l 3 3 3 5i 3 7 f 3 9 | 4 l4 3 | 4 5 4 71 4 9i 5 l 5 3 f5 5 5 v3 3 va 2a od 6d 4d 2d op o 2 7p 2 2 4p 2 3 0p o 1 2p o 1 0s p a r e g n da 7a 5n b l s 0d 1 3d 1 1d 9n 它p 2 1 7p 0 2 1p 3 2 9p o 1 4p o 2 41 5 v 2f468l o l1 2 i1 4 j1 6 l1 8 1 2 0 2 2 1 2 4 f2 6 i 2 8 3 03 2 f3 4 1 3 6 1 3 8f 4 0 i4 2 4 4 】4 6 1 4 8 1 5 0 1 5 25 4 i5 6 5 v 3 3 va 6a 4n b l s ld 1 2d 1 0d 8n c sp o 2p 2 3 lp 0 1 3p 0 1 1s p a r e 图3 - 4s t d 引脚排列 f i g 3 - 4t l l ep i nf i o 册o fs t db u s - 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 表3 1s t d 总线引脚名称 1 a b l e3 1t h ep i nn 踟eo f s t db u s 元件面焊接面 类引信号名方向说明引信号名方向说明 型 脚称脚称 逻 1v c c入 电源+ 5 v 2v c c 入电源+ 5 v 辑3g n d入 电源地 4g n d 入电源地 电53 3 v入 电源3 3 v 6入 源 地7a 3 双向 8a 7 双向 址9a 2双向 地址总线 1 0a 6 双向地址总线 总 1 1 1双向1 2a 5 双向 线 1 3a o 双向 1 4a 4 双向 1 5d 7出1 6n b l s 0出 1 7d 6 出1 8 n b l s l 出 地 1 9d 5 出 2 0d 1 3 出 址 2 1d 4出 数据总线 2 2d 1 2 出数据总线 总 2 3d 3出2 4d 1 1 出相关 线 2 5d 2出2 6d 1 0出 2 7d 1 出2 8 d 9 出 2 9d o 出 3 0d 8 出 3 ln o e 出读信号 3 2n w e 出总线写信号 3 3a i n 0入 模拟输入 3 4n c s 出地址片选 控 3 5 d 7 出 串行输入 3 6 wc l k 出 写数据w c l k 制 3 7 f q d 出装载信号 3 8s c l 出 1 2 c 时钟线 总 3 9s d a 双向1 2 c 数据线 4 0p 1 ；| m 出 p w m 4 1g p 】o a l 2 双向 i 04 2g p i o a l 3双向i 0 线 4 3g p i o b 0 双向 i o4 4g p i o b l 双向 i 0 4 5g p i o c 0 双向 i o4 6g p i o c l 双向 i o 4 7g p l 0 c 2 双向 i o4 8 i n t l 入 外部中断 4 9r d 5 入c a n 总线 5 0t d 5 入c a n 总线 5 1r d 2入c a n 总线5 2t d 2入c a n 总线 辅 助 5 3+ 1 5 v 入辅助电源 5 41 5 v 入 辅助电源 电 5 5入 辅助正电源 5 6入 辅助负电源 源 1 2 第3 章多维电磁水处理系统的硬件设计 3 4 主控模块设计 主控模块是系统的核心，一切控制命令都是由此发出的，是所有信息处理和 交互的中心。 3 4 1 器件选型 主控模块分上下两层板：c p u 核心板和功能板。 核心板我们采用了目前较为流行的a 蹦7 处理器，处理速度快，能满足较大 规模寻优算法的要求。经过调研，最终选择了p h i l i p s 公司a r m 7 处理l p c 2 2 2 0 1 1 7 j ， 该：芯片价格低廉，片上设备和接口丰富，具有很高的性价比，且方便系统扩展。 核心板主要由l p c 2 2 2 0 ( a i u l 7 t d m l ) 微控制器、程序存储器、数据存储器、工业 级以太网控制器c s 8 9 0 0 a 组成。总线通过缓冲保护电路与底板接口以保证微控制 器总线运行不受外界干扰。产品标配可校准的实时时钟和带2 5 6 b y t e s e z p r o m 的 复位监控电路。图3 5 为核心板的硬件结构图。 图3 5 核心板硬件结构图 f 嘻3 5n e h a r d w a r cc o n f i g u m t i o no fc o r eb o a r d e i n t l ，i n r 3 p w m a i n o a 玎q l g p t 0 0 g p l 0 2 g p l 0 3 一一一一一一一一一 舵叭 n n 啪 触麒 i s i 【 北京工业大学工学硕士学位论文 核心板通过p a c k 插槽与主控板相连。在主控板扩展了一路s p i 接口、一路1 2 c 接口、外部总线接口、实时时钟、外部存储器、键盘接口、l c d 接口和一个c f 卡接口。主控板硬件结构图如图3 6 所示。 图3 6 主控板硬件结构图 f j g 3 6t h eh a r d w a 佗c o n f i g u r a t i o no fm a i nb o a r d 3 4 2 系统地址分配 考虑到整个系统的复杂性，1 1 维频率输出的可控性，必然要进行地址分配， 使各个模块工作起来互不干扰。下表是整个系统的总线地址分配。 。表3 2 系统总线地址分配 t a b l e3 - 2t h ea d d r e s sd i s t r j b u t i o no fs y s t e mb 璐 总线器件地址分配 n o rf l a s h 0 x 8 0 0 00 0 0 0 o x 8 0 l ff f f f ( 2 mb y t e s ) 片外p s r a m 0 x 8 1 0 00 0 0 0 0 x 8 11 ff f f f ( 2 mb y t e s ) 以太网 0 x 8 3 0 00 0 0 0 o x 8 3 f ff f f f 1 2 c 0 x 8 0 ，o x a o ，0 x a 2 同时本系统也设计了总线扩展模块，为片外存储器提供了一个接口，支持 s r a m 、r o m 、f l a s h 和外部i o 器件。2 4 根地址总线a 0 a 2 3 ，1 6 根数据总线 第3 章多维电磁水处理系统的硬件设计 d 0 d 1 5 ，读使能信号o e 、写使能信号w e 、字节定位选择信号b l s 0 和b l s l ， 片选信号为n c s _ - y 2 ，地址译码电路如图3 - 7 所示，所以外设p a c k 的地址为0 x 8 2 0 0 0 0 0 0 0 x 8 2 1 ff f f f 。 1 6 v c c c 5 6 1 0 4 一 一 8 g n d r p 2 8占g n 。y o a 2 1b l 8l a y 1 a 2 2b 272 b y 2 a 2 3b 3 63 p y 3 l 4 vvv 5 y 4 b 、 v 。 一 y 5 也、 旦y 6 t 、n ，i6 e 2 y 7 u r ) 3e 3 7 4 l v c l 3 8 图3 7 译码电路图 f i g 3 7c 0 d i n gc i r c u i t 因此，在上述地址范围内分配模块地址。经过分析，目前应用系统只用后8 位地址线即可完成寻址。图3 8 规划了扩展地址分配。 a 7 = l a 6 = i a 7 = 日 a 5 = l 频率发生 a 5 0 频率合成 a 4 = 1 l a 3 a 2 a l a qa 4 a 3 a 2 1 l a 1 a 0 i 一j a 4 = o r 一一一一一一一一一一一一一1 i i i l i l i i i i i l： i i l 一一l a 6 = 劬 一 图3 8 扩展地址分配图 f i g 3 8t h ed i s t n b u t i o n0 fe x p a n d i n ga d d r e s s 寻址分两部分，一部分是频率发生器的选择，另一部分是频率合成维数的选 择。频率发生器的选择即通过寻址确定哪个频率发生器工作，哪个频率发生器不 工作。一共有4 块频率发生板。每个频率发生器的地址如表3 3 所示。 北京丁、i 芝大学工学硕士学位论文 表3 3 频率发生器地址 t a b l e3 3t h ea d d r e s so ft h ef r e q u e n c yp 似i u c e r 后四位地址 板名 频率发生器总线地址 a 3a 2a 1a 0 频率发 频率发生器1 oo00o x 8 2 0 0 0 0 f 0 频率发生器2 o0o10 x 8 2 0 0 0 0 f1 生板l 频率发生器3 o01 o0 x 8 2 0 0 0 0 f 2 频率发 频率发生器4 00llo x 8 2 0 0 0 0 f 3 频率发生器5 01000 x 8 2 0 0 0 0 f 4 生板2 频率发生器6 o l0l0 x 8 2 0 0 0 0 f 5 频率发 频率发生器7 0110o x 8 2 0 0 0 0 f 6 频率发生器8 oll1o x 8 2 0 0 0 0 f 7 生板3 频率发生器9 1 o00o x 8 2 0 0 0 0 f 8 频率发频率发生器1 0 10o1o x 8 2 0 0 0 0 f 9 生板4频率发生器1 1 10100 x 8 2 0 0 0 0 f10 频率合成维数选择是指对不同维数的选择，因为每一维都可发出可变频率和 可变幅值的电磁波，所以频率合成维数的组合如下表3 5 和3 6 所示。例如选择3 种频率合成输出，就同时选通第1 维、第2 维和第3 维，5 种频率合成输出就同时选 通第1 维、第2 维、第3 维、第4 维和第5 维，具体输出硬件结构图见后面几节介绍。 清除合成地址选择表如表3 - 4 所示。 表3 - 4 频率合成地址1 t 出e3 - 4t _ h ea d d r e s s0 f t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e 卜l 后八位地址 维数总线地址清除各维选通 a 7 a 6 a 5a 4a 3a 2a 1a o 第1 维1 1o000o1 o x 8 2 0 0 0 0 cl 0 x 8 2 0 0 0 0 c o 第2 维 1l0000100 x 8 2 0 0 0 0 c 2 第3 维 l10 100o 1o x 8 2 0 0 0 0 d1 o x 8 2 0 0 0 0 d 0 第4 维 11 01oo1o o x 8 2 0 0 0 0 d 2 第5 维 11oo10010 x 8 2 0 0 0 0 c 9 0 x 8 2 0 0 0 0 c 8 第6 维 1lo 01 o10o x 8 2 0 0 0 0 c a 第7 维 l1 01loo 10 x 8 2 0 0 0 0 d 9 o x 8 2 0 0 0 0 d 8 第8 维 l1 ol1o10 0 x 8 2 0 0 0 0 d a ， 第9 维 1 10o010l o x 8 2 0 0 0 0 c 5 0 x 8 2 0 0 0 0 c 4 第1 0 维 l1o0o110 0 x 8 2 0 0 0 0 c 6 第1 1 维 l1olo1o1 o x 8 2 0 0 0 0 d 50 x 8 2 0 0 0 0 d 4 第3 章多维电磁水处理系统的硬件设计 表3 5 频率合成地址2 t a b l e3 5t h ea d d r e s so ft t l ef r e q 嘴n c ys ”t h e s i 跫r 2 维数合成2 维地址合成3 维地址合成4 维地址合成5 维地址合成6 维地址 第1 维 0 x 8 2 0 0 0 0 c 3 o x 8 2 0 0 0 0 c 3 第2 维o x 8 2 0 0 0 0 c 3 o x 8 2 0 0 0 0 c 3 0 x 8 2 0 0 0 0 d1 o x 8 2 0 0 0 0 c 3 第3 维 o x 8 2 0 0 0 0 d 3 0 x 8 2 0 0 0 0 d 3 o x 8 2 0 0 0 0 d 30 x 8 2 0 0 0 0 d 3 第4 维 o x 8 2 0 0 0 0 c 9 第5 维 0 x 8 2 0 0 0 0 d 2 o x 8 2 0 0 0 0 c b 0 x 8 2 0 0 0 0 c b 0 x 8 2 0 0 0 0 c b 第6 维o x 8 2 0 0 0 0 c b 第7 维 o x 8 2 0 0 0 0 d b o x 8 2 0 0 0 0 c a o x 8 2 0 0 0 0 d b 0 x 8 2 0 0 0 0 d b 第8 维 0 x 8 2 0 0 0 0 d b 0 x 8 2 0 0 0 0 c 5 第9 维 0 x 8 2 0 0 0 0 c 7 o x 8 2 0 0 0 0 c 7 第1 0 维 第1 1 维 o x 8 2 0 0 0 0 d 5 表3 - 6 频率合成地址3 t a b l e3 - 6n ea d d r e 鹦o f t h e 缸q u e n c ys ”t h e s i r - 3 维数合成7 维地址 合成8 维地址合成9 维地址合成1 0 维地址合成1 1 维地址 第1 维 第2 维 第3 维 o x 8 2 0 0 0 0 c 3 o x 8 2 0 0 0 0 d 3 o x 8 2 0 0 0 0 c 3 0 x 8 2 0 0 0 0 c 3 第4 维0 x 8 2 0 0 0 0 d 3 o x 8 2 0 0 0 0 d 3 o x 8 2 0 0 0 0 c 3 0 x 8 2 0 0 0 0 c 3 0 x 8 2 0 0 0 0 c b o x 8 2 0 0 0 0 d 3 0 x 8 2 0 0 0 0 d 3 第5 维 o x 8 2 0 0 0 0 c b 0 x 8 2 0 0 0 0 c b 0 x 8 2 0 0 0 0 d 9 0 x 8 2 0 0 0 0 c b0 x 8 2 0 0 0 0 c b 第6 维 0 x 8 2 0 0 0 0 d b 0 x 8 2 0 0 0 0 d b o x 8 2 0 0 0 0 d b 0 x 8 2 0 0 0 0 d b 第7 维 o x 8 2 0 0 0 0 c 5 0 x 8 2 0 0 0 0 c 7 0 x 8 2 0 0 0 0 c 7 第8 维 o x 8 2 0 0 0 0 d 5 第9 维 第1 0 维 第1 1 维 3 5 频率发生模块 高频信号发生是水处理装置的关键部分，决定着系统最终的输出频率，该发 生器必须根据m c u 的设定输出必要的频率。根据本设计当前的需要和未来的扩展， 高频信号发生器应满足在1 0 0 h z 2 0 m h z 范围内可调，步进小于1 0 0 h z ，而且系统 北京工、i k 大学工学硕七学位论文 对波形失真度的要求不高。为了降低系统电路设计复杂度，本系统采用了数字频 率发生芯片来生成所需的频率。 3 5 1 模块设计 如图3 9 是频率发生板的硬件框图。每个板可以输出3 路信号。 输出可调频调压信号 图3 9 频率发生板硬件框图 f i g 3 9t h eh a r d w a r ec o n f j g u r a t i o no ff r e q n c yp r o d u c i n gb o a r d 系统通过i o 控制频率发生器，使其输出可变频率的正弦波或者脉冲方波： 通过1 2 c 总线控制d a c 芯片，在经中功率射随器给频率发生器供电，调整d a c 芯片的输出使频率发生器的电源在3 3 5 v 之间，以对输出波形的幅值进行微调； 通过板内译码电路，对每一个频率发生器( 包括其对应的d a c 芯片) 进行寻址。 ( 1 ) 译码电路图3 1 0 是板内译码电路。s n 7 4 h c 7 5 是双稳态透明锁存器。 表3 7 是它的真值表。 表3 7s n 7 4 h c 7 5 真值表 1 a b l e3 71 飞et r u t ht a b l eo fs n 7 4 h c 7 5 输入 输出 dcq q 三h上h hhh三 一 三 骁 q o 厅= 高电平；三= 低电平；蜴= 原来q 的状态；q 。= 原来q 的状态； = 任意 第3 章多维电磁水处理系统的硬件设计 它的特点是所有输入端均与t t l 电平兼容，当e = h 时，q = d ，q = d ；e = l ， 时，锁存数据。这样就能在译码时，锁住后端译码器的g l 、g 2 的状态，既满足 译码器译码时两引脚的要求，也不会影响a 3 a 2 a l a o 译码和吼的锁存。 图3 1 0 频率发生译码电路图 f i g 3 10t h ec o d i n gc i r c u i to f 丘e q u e n c yp r o d u c i n gb o a r d s n 7 4 h c l 3 7 是带锁定功能、反码输出的3 8 译码器，当g l 为高电平，g 2 为 低电平，吼为低电平时，地址译码，被选地址输出为低电平，其余为高电平。 当皿跳变到低电平时，输出状态被锁住，即选通了当前的频率输出通道。 而图中把写信号和片选信号先取反再进行与操作是因为p h i l i p sl p c 2 2 2 0 输 出双写信号，所以采取了此措施，滤掉一个写信号。 ( 2 ) d a 输出和射随器电路硬件框图中3 9 中的m a x 5 1 7 为8 位电压输出 型数模转换器，它采用1 2 c 的双总线串行接口，内部有精密输出缓冲源，支持双 极性工作方式。这样可以减少i o 的控制线数量和数据总线并行操作的麻烦。 m a x 5 1 7 的内部结构如图3 1 l 所示，主要包括译码电路、开始停止检测电 路、8 位移位寄存器、输入锁存、输出锁存和d a c 电路。 北京工业大学工学硕士学位论文 v c c r e f 图3 1 1m a x 5 1 7 结构图 f i g 3 一l1 1 h ec o n f i g u r a t i o no fm a x 517 1 2 c 总线是p l l i l i p s 公司开发的一种简单、双向二线同步串行总线。它只需要 两根线( 串行数据线和串行时钟线) 即可连接位于总线上的器件之间信息传送， 同时可通过对器件进行软件寻址，而不是通过对硬件进行片选寻址的方式来节约 通信线数目，从而减小了硬件所占空间。1 2 c 总线上所有的器件都可以通过软件 寻址，并保持简单的主从关系。其中，主器件即可作为发送器，又可作为接收器。 1 2 c 总线是一个真正的多主总线，它带有竞争监测和仲裁电路。总线采用8 位双 向串行数据传送方式，标准传送速率为1 0 0 k b p s ，快速方式下可达4 0 0 k b p s ，其 同步时钟可以作为停止或重新启动串行口发送的握手方式。1 2 c 总线的工作时序 如图3 1 2 所示。 s 0 x 翱审n 矗八八小 竹 ； 图3 1 21 2 c 总线的工作时序示意图 f i g 3 一l2t 、v o - w i r es e r i 和i n t e r f k et i m i n gd i a g r 锄 利用1 2 c 总线进行数据通信时，应遵守如下的基本操作： 空闲时，总线应处于不忙状态。当数据总线( s d a ) 和时钟总线( s c l ) 都为高电平时，为不忙状态。 当s c l 为高电平，s d a 电平由高变低时，数据传送开始。所有的操作 必须在开始之后进行。 当s c l 为高电平，s d a 电平由低变高时，数据传送结束。在停止条件 下，所有的操作都不能进行。 数据有效转换开始后，当时钟线s c l 为高电平时，数据线s d a 必须保 持稳定。若数据线s d a 改变，必须在时钟线s c l 为低电平时方可进行。 第3 章多维电磁水处理系统的硬件设计 根据时序要求，一次串行d a 转换过程应按以下步骤进行。 首先a r m 通过1 2 c 总线给m a x 5 1 7 一个地址字节，m a x 5 1 7 收到后回 送一个应答信号a c k 。 然后删通过1 2 c 总线再给m a x 5 1 7 一个命令字节，m a x 5 1 7 收到后 又回送一个应答信号a c k 。 最后a r m 将要转换的数字量( 输出字节) 送给m a x 5 1 7 ，m a x 5 1 7 收 到后在回送一个应答信号a c k 。至此，一次完整的串行数据传送即告结 束。 地址字节的格式如表3 8 所示。 表3 8 地址字节格式表 1 a b l e3 81 1 1 ef o mo f a d d r e s sb y t e 第7 位第6 位第5 位第4 位第3 位第2 位第1 位第0 位 01011a d la d 2o 该字节格式中，最高三位“0 1 0 ”出场时已设定。而对于删5 1 7 ，第4 位 和第3 位均取“1 ”。1 2 c 总线上接入1 1 个m a x 5 17 。本系统中a d l 和a d o 均与 译码器s n 7 4 h c l 3 7 的输出相连，通过寻址选通工作的m a x 5 1 7 。 控制字节格式如下表3 9 所示。 表3 9 控制字节格式表 t a b l e3 9t 1 1 ef o mo fc o n t r o lb y t e 第7 位第6 位第5 位第4 位第3 位第2 位第1 位第0 位 r 2r 1r 0r s tp d a 0 在该字节格式中，r 2 、r 1 、r o 已预先设定为“o ”；r s t 为复位位，改位为 “l ”时，复位所有的寄存器。p d 为电源工作状态位，为“1 时，m a x 5 1 7 工 作在4 u a 的休眠模式；为“0 时，返回正常的操作状态。a 为地址位，对于 m a x 5 1 7 ，此为应设置为“o 。 m a x 5 1 7 的输出限定为3 3 v 5 v ，参考电压接5 v ，输出电压为： 咿= ( ) 2 5 6 ( 3 1 ) 式中- d a c 二进制输入码的数字量； 圪胪参考电压 由于m a x 5 1 7 的输出要为数字频率发生器供电，而经过分析芯片说明书， m a x 5 1 7 的最大输出电流为5 0 0 u a ，无法驱动数字频率发生器正常工作。因此， 在m a x 5 1 7 后，连接了由中功率运算放大器组成的射随器，以提高驱动能力。 本系统中功率放大器选择了o p a 5 5 l 。电路图如下图3 1 3 所示。 北京下业大学工学硕士学位论文 图3 1 3d a 电路图 f i g 3 13d a c i r c u i t o p a 5 5 1 是一款低功耗高输出的运算放大器。转换速率高，带宽宽。还具有 过温保护过流保护的功能。在输出士3 v 的电压时，它的最大输出电流可达到 2 0 0 n 认，满足本系统的需要。 3 5 2 频率发生芯片选型 目前频率发生的基本方法主要有3 种：直接式频率合成( d s ) ，锁相环频率 合成( p l l ) 以及直接数字频率合成( d d s ) 。由于直接数字合成于其他合成方 法相比，具有合成频率信号相位连续1 分辨率高、频率转换速度快，同时还具有 低价和良好的可再制造性能，很容易实现线性调频和其他各种相位、幅度调制。 目前国外生产的d d s 芯片大多包含相位累加器、正弦波形存储器以及d a c ，在 国内使用的d d s 芯片多为价格便宜、杂散性能好的c m o s 产品【1 9 j 。 直接数字频率合成( d c td i g i t a ls y n t h e s i ，d d s ) 是在采样时钟信号亿的 控制下，通过频率控制的相位累加器输出相位码，将存储于只读存储器中的波形 量化采样数据按一定的规律读出，经d a 转换输出正弦信号。 本系统中我们选用美国a d 公司生产的d d s 芯片a d 9 8 5 0 。 3 5 3 频率发生电路设计 a r m 7 对a d 9 8 5 0 芯片进行数字控制，从而输出一个频率由数字可调的正弦 波，如果系统需要的是频率可调的方波，则在正弦输出后外接滤波电路，滤波后 的输出接入a d 9 8 5 0 内部的高速比较器，这样就可以得到方波信号。 a d 9 8 5 0 其性能指标主要包括【2 1 ：接口简单，可用8 位并行口或串行口直接 装载频率和相位调制数据；片内有高性能d a 转换器和高速比较器，可输出正 第3 章多维电磁水处理系统的硬件设计 弦波和方波；最高工作时钟1 2 5 m h z ，3 2 位频率控制字保证在1 2 5 m h z 的工作时 钟下，频率分辨率达0 0 2 9 1 h z ；低功耗：在1 2 5 m h z 时钟频率、+ 5 v 电源工作 时，功耗为3 8 0 m w ；1 1 0 m h z 时钟、+ 3 3 v 工作时，功耗为1 5 5 m w 。此芯片可 产生0 0 2 9 h z 到6 2 5 m h z 的正弦波信号和标准的方波信号。 本课题的前期研究论文中已经介绍a d 9 8 5 0 的引脚结构和工作原理，所以这 里只介绍本系统中采用的串行工作方式。工作时序图如图3 1 4 所示。 队卧匦五逦 s 炮( s 梦 ) 尺时， 对中间来说，可认为其等效于无限长的螺线管。此时届= 0 ，厦= 万，代入( 3 8 ) 式得 8 = o 时 ( 3 9 ) 在螺线管任一端的轴线上，设在左端j v 点有：岛= 吾，届= o ，b = 譬刀，。 从上面分析可以得出，对于理想长螺线管，其内部各点的磁感应强度b 是均 匀的，为心丹j ，端点为譬刀，无限远处为o 。这里指的是轴向磁场，因为径向 磁场相对而言非常小所以忽略不计。 综上所述，螺线管在其中心磁场强度最强，而随着离中心距离的增大磁场强 度减小，因此处理线圈和感应线圈采用了互感的方法，如图3 3 2 所示。 处理线圈 图3 3 2 线圈的缠绕图 f i g 3 3 2t h et w i s to f t h ec o i l 水流 当处理线圈中的电流随时间变化时，它的磁场也随时间变化，于是通过感应 线圈的总磁通量亦随时间而变化，由此导致感应线圈出现感应电动势。根据毕奥 萨伐尔定律，处理线圈在任何一点上产生的磁感应强度与它的电流成正比。因 而通过感应线圈的总磁通量也应当与处理线圈中的电流成正比。因为对于系统输 出电流的具体数值，并不是本装置所关心的，关键是其变化的趋势，从其变化的 趋势就可以找到电流变化的拐点，因此就省去了具体感应电动势的计算公式。按 北京工业大学工学硕士学位论文 照上图的方法，设计成两个叠绕的的蝶线管。把处理线圈称为原边线圈，反应线 圈称为副边线圈。 在调试过程中发现，即使在线圈气隙中没有加入待处理藻液，副边线圈的感 应电流也不是一个常数，而是表现出非常不规则的变化