科氏流且计的设计开发

1万 · 2019-5-16 11:58

如图3-1为变送器系统的硬件系统框图。根据具体完成的任务，将整个系统分为
六部分。
(1)信号调理模块:对传感器输出信号进行信号调理和A/D转换工作;
(2)数字信号处理模块:以FPGA芯片为核心的电路模块，主要功能是对A/D转
换的数据作相应的处理计算工作:
(3)信号输出激励模块:由D/A、模拟开关和功率放大电路组成，驱动传感器并
维持其连续正常工作;
俨)人机交互模块:以STM32芯片为核心的电路模块，主要功能是根据FPGA的
处理结果计算相位、流量等参量并在液晶LCD I 2864上显示，通过按键来实
现参数设置、界面切换，并将一些必要设置参数存储在EEPROM存储单元中:
(S)串行通讯模块:包括RS-232和RS-485电路，其中RS-232电路是FPGA和
STM32之间的接口，RS-485是STM32和上位机之间的接口。
(6)输出模块:将流量信息以电流和脉冲方式传输出去。

1万 · 2019-5-16 11:58

科氏流量计传感器的工作输出信号为差分信号，其信号特征为正弦信号，幅度为
mV级，当有流体经过时，输出信号会有相位差。所以在进入ADC采样之前需要增
加信号放大、滤波的信号调理电路。两路调理电路的电路结构，元器件参数均一样，
以保证两路信号前后的一致性。具体原理图如图3-2所示。

1万 · 2019-5-16 11:59

1万 · 2019-5-16 12:00

本课题选用的是crystal公司的CS5330，如图3-3所示，该芯片有两个通道的模
拟数字转换，芯片内部具有抗混叠滤波器，可以同时对两路信号进行数据采集。具体
参数为+SV单电源供电、18位采样精度、功耗低、采样频率可供选择。在程序设计
中，采样频率选取为48 kHz，能够满足实际测量需求。

1万 · 2019-5-16 12:00

1万 · 2019-5-16 12:50

该激励方法具体过程为:传感器产生的信号经过信号调理，进入A/D采样转换成
数字信号，处理器根据其信号的幅值和理想条件下的幅值进行比较，计算得到相应的
激励信号的增益值，然后将该增益值传递给MDAC } MDAC根据得到的增益值对激
励信号进行相应的功率放大，进而能够更加有效地驱动传感器更好地运转。

1万 · 2019-5-16 12:50

1万 · 2019-5-16 13:29

信号输出激励模块的电路原理图如图3-5所示，MDAC芯片选用的是TI公司的
16位串行总线数模转换器DAC8811。该芯片的转换效果具有很好的稳定性和准确度，
不会使系统出现大范围的震荡或者信号超调现象。功率放大器选用LM 1875，该芯片
所涉及的元器件较少，电路简单而且内部有电路过载保护功能，输出的最大功率可达
30W，能够满足变送器的要求。

1万 · 2019-5-16 13:30

人机交互模块包括STM32核心电路、液晶显示、按键和EEPROM四部分。主要
功能是将STM32计算得到的瞬间流量和累积流量等信息通过液晶显示，以及将一些
重要的参数信息进行实时保存。
综合各种因素考虑选择STM32F407微控制器来完成该模块功能，其优势如下所
示:
(1)核心处理器为168MHz/210 DMIPS Cortex-M4，且拥有一个单周期DSP MAC
   和浮点单元。该处理器具有较好的代码效率，提升了控制算法的运行，给应
   用带来了很多便利。
(2)芯片高集成度:FLASH存储器为1M字节，SRAM为192K，还包含了复位
   和PLL. RC等部分。
(3)非常适用于高速数据传输场合:该芯片内多个DMA控制器，多达7层的AHB
   总线矩阵，ART加速器和简化的资源分配。FLASH的连续执行时间几乎为Oa

1万 · 2019-5-16 13:32

1万 · 2019-5-16 13:33

利·氏流量计变送器在运行过程中，重要的参数信息需要进行保存，确保重启后能
l E:常工作，这就需要川到存储器来存储相应的信息。在本课题‘!，方而需要存储的参
数较多，如流量单位、流量量程、密度系数、小流量切除、波特率、通讯地址、各个
参数的上卜限值等儿卜个参数，另一方而需要将每次计算得到的瞬间质t i,t流量和体
积流量、累积质量流t}_和体积流量等测量参数存储起来。这些功能需要存储器的擦写
次数足够多以及有足够的存储空间。
本课题选川FM24C L 16B，其存储容量为16KB，其读写次数}}r达1 }}a次，完全能
够满足对变送器存储器的要求。’该芯片接口通讯形式为I2C,高达1 MHz的千专输速度，
无操作时工作电流仅为1 OuA，有读写操作时为150uA，对应的功耗很低。电路原理
图如图3-8所示。

1万 · 2019-5-16 13:36

1万 · 2019-5-16 13:38

工作中变送器需要内部通讯以及和上位机间的远程通讯，所以需要增加相应的通
讯功能。在本课题中用到了RS-232和RS-485串行通讯方式。
RS-232是很普遍的一种通讯方式，适合短距离传输，设计起来也很方便。课题
中变送器用到了两个核心处理器芯片FPGA和STM32，在科氏流量计处理过程中，
需要FPGA将计算得到的数据传输给STM32，以便下一步处理。两者间的通讯距离
短，同时也只是进行简单的数据交流，所以选择RS-232通讯方式来完成，选取的芯
片是MAX3232。具体电路原理图如图3-9所示。

1万 · 2019-5-16 13:38

1万 · 2019-5-16 13:39

RS-485拥有比RS-232更远的通讯距离，通常情况可达数百米。另外，RS-485
采用的传输模式是差模信号的半双工方式，并不会受到地电平的影响，具有很强的抗
干扰能力，很适合用于工业现场。在本课题中涉及到基于Modbus通讯协议的监控机
与变送器间的通讯工作，用于监测科氏流量计现场的工作情况。通讯过程需要一定的
距离和抗干扰性。RS-485通讯方式非常合适。在本课题中选用MAX3843芯片来完成
相应的通讯功能，电路图如图3-10所示。

1万 · 2019-5-16 13:39

在实际工业运行中，往往需要以不同形式进行长距离的传输，此时需要将流量信
息转换为易识别的信息。本课题采用电流输出和脉冲输出方式将流量信息传输出去。
电流输出方式不易受到干扰，其中4}20mA的方式则可以减少接线的复杂性。本课题
选择DAC8051和AM462芯片来完成电流输出电路。数字信号通过DAC8051实现数
模转换，然后经过AM462实现V/I转换，最终以电流形式输出。
DAC8051是三线制串行接口，兼容SPI协议，工作始频率能够达到30MHz，其
工作时需要一个标准参考电压4.096V，本课题使用REF3240来实现。AM462是带有
保护功能的电压电流转换芯片，由可调增益放大电路和电压电流转换电路组成，其内
部有恒压恒流源、输出电流限制保护和短路保护等设置，非常适用于变送电路。
由于脉冲信号是数字信号，所以传输信号的精度更高，使用起来更方便，被应用
在很多标定装置中。本课题通过设置FPGA的IO引脚的高低时间间隔来实现脉冲信
号，用光祸开关隔离变送器电路，保证电路的安全。相对应的电路原理图如图3-11
所示。