【《基于Altium Designer软件的流量计系统硬件结构设计案例》8400字】

基于AltiumDesigner软件的流量计系统硬件结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u16153基于AltiumDesigner软件的流量计系统硬件结构设计案例 1198061.1原理图的绘制工具 2280341.2系统硬件结构框图 4317901.3发射电路 4212701.1.1DDS电路 453821.1.2功率放大电路 5196931.4信号接收处理电路 6304701.2.1放大电路 6252181.2.2声道切换电路 713241.2.3AGC自动增益控制电路 8180491.2.4带通滤波电路 9154751.2.5混频电路 10191921.2.6低通滤波电路 12132571.5TMS320F2812处理单元 13194321.3.1模/数转换 1373711.3.2DSP芯片 14275331.6外围电路 17213661.6.1JTAG接口电路 1756001.6.24−20mA输出电路 18153921.6.3远程数据传输 18115441.6.4电源电路 19272551.7换能器的设计与安装 2138911.8设计实物 231.1原理图的绘制工具系统硬件结构设计使用AltiumDesigner软件进行原理图的绘制。AltiumDesigner是由Altium公司开发的集多种功能于一体的电子开发系统，它能够进行原理图绘制、PCB图绘制、电路仿真等工作，在官方网站上能够获取丰富的元件库和详尽的使用教程，设计者也可根据设计需要按照一比一的实际尺寸绘制元件并进行封装，对比传统的电路绘制软件，该软件使用简单，易于操作，提高了电路图绘制的效率。使用AltiumDesigner绘制原理图有以下几个基本步骤：（1）创建工程文件并命名保存，如图1.1所示。图1.1在AltiumDesigner中创建工程文件的步骤图Fig.1.1ThestepofcreatingaprojectfileinAltiumDesigner在工程文件中添加原理图文件，如图1.2所示。在元件库中查找所需的元件，若不存在，需按规格绘制元件或下载元件库，并添加将其勾选并添加到库中，方便查找和获取，如图1.3所示。（4）选择电路所需元件，从元件库将其拖至图纸适当位置，进行引脚分配和电路连接。图1.4是电路绘制的过程图。按以上设计思路完成电路绘制后进行保存，之后可进行PCB图的生成等操作。图1.2在工程文件中添加原理图文件的步骤图Fig.1.2Thestepofaddingschematicfiletoprojectfile图1.3向元件库中添加元件的步骤图Fig.1.3Thestepofaddingcomponentstothecomponentlibrary图1.4电路绘制的步骤图Fig.1.4Thestepofcircuitdrawing1.2系统硬件结构框图系统整体硬件结构框图如图1.5所示。图1.5系统硬件整体结构框图Fig.1.5Blockdiagramoftheoverallstructureofthesystemhardware该系统硬件结构包含发射、接收、数据处理及相关电路模块几个主要组成部分。发射模块包含DDS超声波信号发生电路和功率放大电路；接收模块包含放大、切换、AGC增益控制、带通滤波、混频、低通滤波电路；数据处理以TMS320F2812芯片为核心，外围接键盘、存储、显示、JTAG接口及GPRS模块。该系统为实现流量的测量、存储、显示等功能搭建硬件电路：电路需产生声波发射驱动信号，驱动换能器发射1MHz的超声波信号。双声道接收反射信号，通过切换控制切换声道，经增益控制、滤波、混频电路对信号降噪、选频，最终进入到TMS320F2812芯片进行功率谱分析得到频移值，根据建立的管道流体流速数学模型求解得到管道流体流通截面平均流速，再通过键盘输入的管道参数进行流量计算，最后完成对所得流量信息的存储、显示、远程传输等工作。1.3发射电路1.1.1DDS电路系统中选用的DDS芯片为AD9851，芯片内置比较器、D/A转换器及时钟6倍频器，具有低功耗、高工作效率、高分辨率等特点，满足了DDS电路的设计要求。该芯片能够产生过高精度、频率变化速度快、波形失真小的可编程控制的模拟信号，用来驱动超声波发射换能器。AD9851通过内置相位累加器随时钟输入进行相位累加，结合正弦查询表寻址，就能够把输入的地址信息转换为振幅，再转换为模拟信号，最后经过低通滤波将信号进一步处理的工作原理，最终得到特定频率和相位的波形信号[40-41]。本文中设计的DDS信号产生电路如图1.6所示。这里放置两个高速8位上升沿脉冲锁存的D锁存器MC74HCT574在DSP芯片与AD9851之间，起保护DSP芯片和确保AD9851能够获取数据同步的作用。当OE输入高电平时，成高阻态，所以用低电平进行使能控制。AD9851的D0-D7引脚用于接收DSP芯片发送的数据以产生特定频率的正弦波信号，W_CLK、FQ_UD、RESET等引脚输入相应的控制信号，控制产生正弦脉冲信号。产生的信号一路进入到功率放大电路作为发射换能器的驱动信号，一路进入到接收模块的混频电路作为基准信号。图1.6DDS电路连接图Fig.1.6DDScircuitconnectiondiagram1.1.2功率放大电路由DDS电路产生的正弦波脉冲信号的电压幅值在0.5~1.5V之间，输出的电流在5~图1.7功率放大电路Fig.1.7Poweramplifiercircuit由DDS电路产生的信号的正向电压与负向电压交替使Q3和Q4导通，同时要想实现换能器的阻抗匹配需要通过变压器对输出电压升压[42]，本文设计发射超声波的频率为1MHz，所以这里选用高频变压器以便获得足够驱动换能器的驱动电压。1.4信号接收处理电路1.2.1放大电路本文设计的超声波多普勒流量计换能器的安装方式为外夹式，超声波从发射端发射，穿过管壁进入流体介质中，经过一系列的散射后，穿出管壁被接收换能器接收，信号强度极大的减弱，电压幅值范围减弱到几十到几百毫伏，此时的信号无法满足最终信号采样的要求[43]。因此，对接收的信号进行放大处理，分为两级，第一级信号放大用来提高信号电压幅值，保证信号通过切换电路时能够被识别，同时也满足了之后的信号处理电路对输入信号的要求，第二级信号放大是对已处理的频移信号进行放大，以满足DSP芯片内部模数转换和对信号采样对象的采样要求。对于第一级信号放大电路，放大的倍数不宜过大，要考虑到声道切换电路对输入信号的要求，同时还要考虑到接收到的未经处理的声波信号中含有噪声信号，声波信号放大的同时噪声信号同时也进行了放大，若放大倍数过大，会导致噪声信号与想要的声波信号掺杂重合，使信号失去信息价值，最终导致较大的测量误差。本文设计第一级信号放大电路的放大倍数为10，与第二级放大电路的放大倍数相同，100倍的信号放大可以满足信号处理的要求。第一级信号放大电路选用LM358双运算放大器，单位增益频带宽约为1MHz，能够满足接收信号的通过，电路如图1.8所示。图1.8信号放大电路Fig.1.8Signalamplifiercircuit1.2.2声道切换电路由于本文设计采用双声道测量流速的方法，每个声道接收超声波反射信号后，都要经过对信号降噪、混频、放大等操作，为节约设计成本，本文选用模拟开关控制两声道的关断。TS5A3359是一个单刀双掷模拟开关，它具有良好的通态电阻匹配和总谐波失真性能，能够保证其控制对象的完整性[44]。它还具有极短的声道切换时间，通过DSP芯片控制其电路切换，并且采取先断后合的控制顺序，使两个声道信号之间不产生干扰，保持每个声道信号的独立和完整性。图1.9为声道切换电路图，表1.1为其功能真值表。图1.9声道切换电路Fig,1.9Channelswitchingcircuit表1.1TS5A3159功能真值表Table1.1TS5A3159FunctionaltruthtableNONCCOMLLOFFLHNOHLNC1.2.3AGC自动增益控制电路接收到的信号由于存在较多的噪声干扰，经过信号放大后，噪声信号同时被放大，使信号的电压幅值浮动范围变大，AGC电压限幅增益控制电路自动调节信号电压幅值，减小噪声引起的信号波动，增强信号传播的稳定性。AGC电压限幅增益控制电路选用放大器AD603，它具有低噪、90MHz带宽增益可调的特点，满足AGC增益控制电路对带宽的要求。AD603的5、7管脚间连接方式决定电路的增益范围，-11～+30dB的增益对应90MHz的带宽，+9～+41dB的增益对应9MHz的带宽，当两管脚间的连接电阻发生变化时，电路的增益处于以上两个范围之间[45-47]。其引脚功能如表1.2所示。表1.2AD603引脚功能表Table1.2AD603pinfunctiontable引脚代号功能1GPOS控制增益输入“高”电压端（正电压控制）2GNEG控制增益输入“低”电压端（负电压控制）3VINP运放输入4COMM运放公共端5FDBX反馈端6VNEG负电源输入7VOUT运放输出8VPOS正电源输入AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。引脚3端输入信号衰减，经增益放大器输出，衰减量由加在引脚1、2端的电压决定。增益只与差值VG有关，由于1、2引脚的输入电阻高达50MΩ，所以导致输入电流很小，片内控制电路对外电路影响很小，很符合构成程控增益放大器的需要。本文设计的AGC增益控制电路图如图1.10所示。AGC自动增益控制电路的检波由2N3904完成，2N3904同时输出AGC的控制电压。当输入信号增大时，2N3904的基极瞬时电流也增大，使R9两端的瞬时压降增大，集电极瞬时电压减小，经滤波后得到的VAGC减小；同样，输入信号减小时，VAGC增大，VAGC与输入信号的强度存在反比关系，符合AGC电压幅值控制要求。VAGC取决于R9的阻值和集电极电流的大小。在无信号输入时，2N3904发射极的PN结处于截止状态；当有小信号输入，PN结未导通时，AGC处于失控状态，输出信号随输入信号强度的增大而增大；当信号强度使2N3904发射极的PN结导通时，2N3904处于AGC检波状态，AGC起控，VAGC下降。当AGC进入饱和点，无论输入信号强度多么大，AGC失去控制作用，输出信号随着输入信号强度的增大而增大。这就是AGC电路失控、起控、饱和、再次失控的整个控制过程[48-49]。图1.10AGC增益控制电路图Fig.1.10AGCgaincontrolcircuitdiagram1.2.4带通滤波电路带通滤波电路用于滤除接收的信号中的噪声信号，输出指定频段的信号。本文设计采用具有巴特沃斯响应的二阶RC有源滤波器[50]。接收电路中接受的信号的中心频率仍为1MHz，带宽比较宽，因此，选用增益带宽积较大的AD8038放大器，它具有低噪声、高带宽、低失真的特性，能够满足带通滤波电路对信号的选频要求。带通滤波电路如图1.11所示。图中，R7、C5构成低通部分，R10、C3构高通部分，高通、低通部分组合构成带通滤波电路。这里所需的带通增益为0dB，中心频率为1MHz，带宽设为200kHz，Av=1，由FilterPro滤波电路设计软件得出R7=13.9kΩ，R11=2.5kΩ。图1.11带通滤波电路图Fig.1.11Bandpassfiltercircuitdiagram1.2.5混频电路混频电路将带通滤波处理后的接收信号与DDS电路产生的1MHz基准信号进行混频得到频移信号，极大的降低了信号的频率，有利于DSP芯片进行模数转换，提高转换速率。（1）混频原理混频又称变频，改变信号的频率，也是频谱线性迁移的过程[51-52]。在工程上常用的混频方法有：单管混频、差动对管混频和模拟乘法器混频[53]。下面分析模拟乘法器混频的方法，其混频原理如图1.12所示。图1.12混频原理图Fig.1.12Mixingprinciplediagram图中，Us(t)为输入信号，Uc(t)为本振信号，Uo(t)为输出信号。若设 Us(t)=Usm Uc(t)=Ucm则 Up(t)=Us其中，Am对上式进行三角函数变换：U =12A由上式可以推出：Up(t)含有两个频率分量，(w为差频分量。若选频条件理想，那么输出Uo Uo(t)=12由式1.5可看出，输出信号含有差频分量。（2）混频电路混频电路采用模拟乘法器LM1496来进行设计，通过对基准信号与滤波电路处理后的信号进行混频，得到频移信号，混频电路如图1.13所示。图1.13混频电路图Figure1.13MixingcircuitdiagramLM1496是根据双差分模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器,其内部电路如图1.14所示。图1.14LM1496内部结构图Fig.1.14LM1496internalstructurediagram其中，V7、V8、V9、R1、R2、R3和R5组成多路电流源电路，V7、R1、R5是电流源的基准电路，V8、V9分别供给V5、V ic1−ic2= ic4−ic3当Ry ic5−ic6最后输出差值电流i： i=i13 i=2u2R式中，ic1、ic2、ic3、ic4、ic5、ic6分别是三极管V1.2.6低通滤波电路混频后信号信号得频率由1MHz左右降低到几kHz，在所得的频移信号中，存在高频噪声信号，将信号通过低通滤波电路滤除噪声，得到有频差信息的低频信号。本文设计选用MAX293构成低通滤波电路，MAX293低通八阶开关电容滤波器，截止频率范围为0.1Hz-25kHz，符合流体流速范围对应得频差范围，电路连接如图1.15所示。图1.15低通滤波电路图Fig.1.15Low-passfiltercircuitdiagram1.5TMS320F2812处理单元数据处理模块是将接收模块处理后的信号送入到TMS320F2812的模数转换模块，再进行信号采样，分析频移信号频谱得到频移值，再根据建立的流量计算数学模型进行流量计算，将计算结果送入其他外围功能电路中。1.3.1模/数转换DSP芯片TMS320F2812的模数转换模块将连续的模拟信号离散化，为数据采样提供数据支持。经接收模块电路的处理后，频移信号的频率最高为20kHz，而TMS320F2812的分辨率为12B，最大转换速率为3μs，完全能够满足对于频移信号的模数转换和采样分析条件。TMS320F2812的模数转换模块是一个12位16通道的模数转换器，16个转换通道可配置成两个独立的8通道转换模块TMS320F2812的自动排序模式允许用户对同一通道进行多次采样转换,或者采用特殊采样算法,可提高系统的采样和转换精度[55]。图1.16为TMS320F2812的ADC模块图。图1.16TMS320F2812的ADC模块图Fig.1.16ADCmodulediagramofTMS320F2812TMS320F2812的ADC模块主要特点有：（1）具有12位的ADC核，内置双采样保持器；（2）具有顺序或同步采样模式；（3）模拟输入电压幅值范围：0V～3V；（4）快速转换时间为25MHz；（5）16通道，多路选择输入；（6）自动序列化，在一时间段内最大能提供16个自动A/D转换，每个转换可编程对16个；（7）序列发生器可按2个独立的8状态序列发生器或1个16状态序列发生器[52]。1.3.2DSP芯片本文设计以TMS320F2812为系统控制核心和数据处理核心。图1.17是TMS320F2812的引脚图，可以整体把握该芯片的各功能引脚分布。TMS320F2812是32位定点微控制单元，主频可达到150MHz，6.67ns的指令周期时间；具备I2C、SPI、CAN、PWM等总线接口，能够用作工业生产中的多种类型设备的控制单元。图1.17TMS320F2812引脚图Fig.1.17ThediagramofTMS320F2812pinTMS320F2812采用哈佛总线结构，具有4M可寻址程序空间和4M可寻址数据空间，128*16B的片内FLASH存储器和18K*16B的片内SRAM，以及4K×16B的引导ROM。最大支持外扩512K×16B的SRAM和512K×16B的FLASH。下面就TMS320F2812的外围相关功能电路进行介绍：SRAM由于TMS320F2812的内部存储空间很小，无法存放大量的程序，所以需要外扩SRAM增加系统的存储空间[56]。扩展的存储空间最多可达1M*16B。SRAM的存储速率很快，当进行数据存储时可无需进行电路刷新，极大的减少了存储时间，提高了存储效率。本文选用的IS62WV51216是一款高性能CMOS技术的SRAM芯片，最大存储空间为512k*16b。它存储速度快，存储时间仅有45ns；能够兼容TTL电平接口；采用单电源供电的供电方式；工作时无需时钟信号和复位信号；三态输出等。其电路连接如图1.18所示。图1.18IS62WV51216的电路连接图Fig.1.18IS62WV51216circuitconnectiondiagramEEPROMEEPROM是带电可擦可编程只读存储器，掉电后数据不丢失，通常用于数据的存储[57]。本文选用AT24C02芯片，能够兼容I2C协议的串行EEPROM。AT24C02用于存储流量测量得到的各种数据信息，这些数据可以在其中保存较长的时间，不易丢失。AT24C02的连接电路连接图如图1.19所示。图1.19AT24C02的电路连接图Fig.1.19CircuitconnectionofAT24C02RS-232RS-232串行通信接口连接DSP芯片与上位机，进行程序调试或连接其他功能模块。它是数据终端设备与数据通信设备之间的物理接口标准。为了实现RS-232C和TTL的电平接口，本文选用了SP3232芯片。其电路连接图如图1.20所示。图1.20SP3232的电路连接图Fig.1.20SP3232circuitconnectiondiagramTMS320F2812的串行通信接口采用发送、接收双线制的异步串行通信接口，支持16级的接收发送FIFO，能够有效提高串行通讯的效率[58]。本文设计中，RS-232串行通信接口还可以作为控制单元与无线远程传输设备传输数据和互通命令的通道，以及控制单元与上位机进行通讯的桥梁。1.6外围电路1.6.1JTAG接口电路JTAG(JointTestActionGroup)是一种国际标准测试协议，它用于对DSP芯片进行FLASH烧写，对系统进行仿真和调试，在本设计中采用14针标准接口，其电路连接图如图1.21所示。在实际应用中，为了能与仿真器通信，设计的电路板上应有一个14引脚的标准双列直插管座。如果电路板和仿真器之间的连接电缆低于2.572寸，就可以忽略管座直接进行连接。图1.21JTAG仿真接口电路连接图Fig.1.21JTAGsimulationinterfacecircuitconnectiondiagram1.6.24−20mA输出电路该部分电路用于实现仪表4−20mA标准电流输出的功能，能够将瞬时流量以4−20mA范围的电流输出，电路连接如图1.22所示。本设计中，GP8102是一个PWM信号转模拟信号转换器，相当于一个PWM信号输入、模拟信号输出的数模转换器。由于4−20mA的电流输出是由信号经过接收模块电路对信号进行处理后，将信号数据送入DSP芯片中，经对数字信号处理后与具体的流速数据同时得到。图1.224−20mA输出电路连接图Fig.1.224−20mAoutputcircuitconnectiondiagram1.6.3远程数据传输对于测量到的流量信息，可以通过串口与电脑进行数据的连接，同时还可以应用远程数据传输，GPRS无线技术在远程数据传输和实时监控上有巨大优势。作为附加功能模块，本文选用SIM800A模块实现数据远程传输的功能[59]，电路图如图1.23所示。图1.23SIM800A外围接口电路和SIM卡电路连接图Fig.1.23SIM800AperipheralinterfacecircuitandSIMcardcircuitconnectiondiagramGPRS模块可以将测得的流量数据实时发送到远端的PC机上，实现数据的监控和采集。因此要求GPRS芯片能够保证传输数据稳定、传输速度足够快能够达到实时目的。SIM800A模块的最大的上行传输速度可达42.8kbps，下达指令的最高传输速度可达83.6kbps，并且它通过特定的AT指令集将数据打包传输给上位机，实现了数据的快速传输，同时确保了数据能够完整、安全的送达PC端。1.6.4电源电路本文硬件系统设计中，DSP采用1.3V供电电压，其他功能电路芯片需要±5V（1）12V转5V和1.3V电源电路设计如图1.24示。78M05、LM1117分别是三端口电流正固定电压稳压器和低压差电压调节器系列，均具有在过流过热时关断的保护功能。前者输入电压的最大值为35V，后者选用系列中固定的1.3V电压输出调节器，最终得到5V、1.3V相关电路电压。图1.2412V转5V和1.3V电源电路连接图Fig,1.2412Vto5Vand1.3Vpowersupplycircuitconnectiondiagram（2）5V转1.8V电源电路设计如图1.25所示。TPS76801Q是一种低压稳压器，输入电压范围在2.7V-10V之间，能够产生1.2V-3.5V的输出电压，能够满足产生1.8V电压的要求。图1.255V转1.8V电源电路连接图Fig.1.255Vto1.8Vpowersupplycircuitconnectiondiagram（3）5V转-5V电源电路设计如图1.26所示，ICL7660是小功率极性反转电源转换器，实现将5V电压转换为-5V电压。图1.265V转-5V电源电路连接图Fig.1.265Vto-5Vpowersupplycircuitconnectiondiagram（4）5V转-8V电源电路设计如图1.27所示。MC34063在此处作为降压转换器产生混频电路所需-8电源电压。图1.275V转-8V电源电路连接图Fig.1.275Vto-8Vpowersupplycircuitconnectiondiagram1.7换能器的设计与安装换能器是超声波流量计实现电信号转化为声波信号的关键器件。换能器材料的选取一般采用压电材料，因为它具有良好的正逆压电效应，能够通过电信号激励产生超声波信号，可使用性极好，且能够产生高频的声波信号。本文设计超声波倾斜射入管壁，所以除压电晶片外，还需要声楔形成倾斜角度，换能器由外壳、压电陶瓷晶片和声楔、连接线缆构成，声楔材料一般选取环氧树脂。此外，为了保证信息窗足够小，增大测量精度，还可在换能器上加装平凹面镜和方向选择透镜[60]。对于本文设计的流量计换能器，出于制作工艺和稳定性的考量，本文选用定制的声楔角度为45°图1.28超声波换能器图Figure.1.28Thediagramofultrasonictransducer该换能器的设计要满足以下要求：首先，超声波发射换能器需要发射1MHz的超声波信号，所以换能器要满足高频率的需求。第二，对于超声波的入射角度，要满足在管壁表面不会只发生全反射，并且发生折射时，入射角不得小于发生折射的第一临界角（纵波折射临界角），同时也不得大于第二