章丘四中校園新聞發(fā)布管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換器的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u205991.1信號轉(zhuǎn)換器的硬件組成 1317601.2單片機(jī)的選擇 2114841.2.1單片機(jī)的特點(diǎn) 2164781.2.2單片機(jī)系統(tǒng)電路圖 246291.3勵磁電路 3159791.4信號采集與處理 4169961.2.1流速信號 449231.2.2干擾信號 5254421.2.3信號采集與處理模塊 6246011.5本章小結(jié) 717115第2章信號轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì) 8283022.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 849892.2本章小結(jié) 9第1章信號轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)1.1信號轉(zhuǎn)換器的硬件組成信號轉(zhuǎn)換器是電磁流量計(jì)系統(tǒng)中的主體部分，對流量儀表的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性起著決定性的作用。轉(zhuǎn)換器的功能十分的眾多，一方面是收集和計(jì)算數(shù)據(jù)的基本功能。隨著技術(shù)的發(fā)展，信號轉(zhuǎn)換器還附加了故障自診斷、人機(jī)交互和自動補(bǔ)償?shù)裙δ堋１疚慕榻B的這款32位的LPC2106單片機(jī)采用了具有較高集成度的ARM處理器，具有智能化程度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并且采用了更加復(fù)雜的算法，比起現(xiàn)有的信號轉(zhuǎn)換器其響應(yīng)速度大大加快。信號轉(zhuǎn)換器的硬件組成如圖所示。電源信號處理與采集勵磁信號ARM微處理器LCD顯示模數(shù)輸出通訊鍵盤復(fù)位晶振電磁傳感器圖3-1電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)圖3-1電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)1.2單片機(jī)的選擇電磁流量計(jì)的智能化程度伴隨著嵌入式處理器的發(fā)展成熟有了迅速的提升。而單片機(jī)既可以滿足特定功能的要求，而且體積小、價(jià)格低，使其能夠成為流量計(jì)的關(guān)鍵核心設(shè)備。單片機(jī)在中小型測量流量儀表中有著十分廣泛的應(yīng)用。1.2.1單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)單片機(jī)直接的由英語名“Single

Chip

Microcomputer”譯成而來，簡稱為SCM。所謂的單片機(jī)其實(shí)就是這樣一類能夠集成化控制電路的設(shè)計(jì)處理芯片,是選用較大規(guī)模實(shí)現(xiàn)集成化管理電路現(xiàn)代信息技術(shù)把具備關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析正確處理問題能力的中央處理器、隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、VO接口、中斷服務(wù)系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行通信接口等幾部份（可能還包含A/D轉(zhuǎn)換器電路、脈寬調(diào)制電路、顯示驅(qū)動電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器）集成化到一塊處理芯片上構(gòu)成的一個精小而完善的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。單片機(jī)盡管僅僅是一個處理芯片，但從構(gòu)成和基本功能上來講它具備微機(jī)系統(tǒng)的概念。因此也一般稱其為微控制器、嵌入式微控制器,它是一個芯片級的電子計(jì)算機(jī)。單片機(jī)除了設(shè)備體積較小、價(jià)格便宜、性能強(qiáng)、效率高、操作靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、運(yùn)用覆蓋面廣、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。與一般微機(jī)相比較，在硬件配置構(gòu)造和指令系統(tǒng)、I/O端口、功耗和穩(wěn)定性等方面也有其獨(dú)特之處。最特殊的特長之一即是具備十分有效的操縱基本功能。單片機(jī)的硬件配置基本功能具備廣泛的實(shí)用性。同一類單片機(jī)能夠用于不同的控制技術(shù)，但軟件配置不同。換句話說,給單片機(jī)固化上不同的軟件,便能夠通過形成一個用途不同的專用人工智能操縱處理芯片。1.2.2單片機(jī)系統(tǒng)電路圖本文所采用的流量計(jì)在測量運(yùn)行中采用的是32位單片機(jī)，其主要的工作流程如下所示，用于后續(xù)作業(yè)的鬧鐘所使用的是具有超級精細(xì)功能的微處理器，并且利用能夠提高相應(yīng)的CPU的三級流水線技術(shù)，使得運(yùn)行速度大大加快。在機(jī)械運(yùn)行的過程當(dāng)中，可以實(shí)現(xiàn)降低能耗的作用。該單片機(jī)工作過程當(dāng)中不僅可以用于輸出頻率信號還能夠作用于脈沖當(dāng)量。當(dāng)需要時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整的作用時(shí)，必須要將頻率輸出控制在合理的范圍內(nèi)。必要時(shí)也可利用具有優(yōu)化作用的相關(guān)芯片，確保時(shí)鐘源的工作質(zhì)量，還能夠提升時(shí)鐘源工作運(yùn)行過程中的穩(wěn)定程度，使得流量計(jì)的精度進(jìn)一步提高。整體的工作運(yùn)行過程中都可能需要用到液晶顯示屏的內(nèi)外系統(tǒng)，相關(guān)的工作芯片無需要進(jìn)行對輸出信息的反饋，只要求注意對于輸入的信號源的液晶控制作用，使得在執(zhí)行運(yùn)作的過程當(dāng)中可以進(jìn)一步控制相關(guān)的對應(yīng)路線。圖3-2圖3-2單片機(jī)系統(tǒng)電路圖1.3勵磁電路勵磁電路的設(shè)計(jì)在磁流量計(jì)信號轉(zhuǎn)換器的電路當(dāng)中是不可或缺的一環(huán)。穩(wěn)定均勻的工作磁場可以使儀表運(yùn)行在一個精度高、故障少的工作狀態(tài)。由上文對目前勵磁系統(tǒng)的分析總結(jié)，最終確定了本次電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)采取低頻矩形波勵磁的方式。該勵磁技術(shù)不僅抗干擾強(qiáng)而且不會產(chǎn)生極化反應(yīng)，比較適合本次題目的要求。勵磁電路的設(shè)計(jì)采取如圖所示的結(jié)構(gòu)，有單片機(jī)負(fù)責(zé)控制電子開關(guān)，在需求不同的使用場景下，可通過命令單片機(jī)來對開關(guān)進(jìn)行閉合控制已達(dá)到所需勵磁信號的應(yīng)用要求。圖3-3低頻矩形波勵磁信號1.4信號采集與處理1.2.1流速信號流速信號來自于流量計(jì)的傳感器測量管的工作磁場，當(dāng)具有導(dǎo)電性的測量介質(zhì)通過工作磁場時(shí)，由于電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生的微弱電信號就視為流速信號。該流速信號的性質(zhì)基本可以與勵磁工作磁場的性質(zhì)保持一致。在一般情況下為了防止傳感器的零點(diǎn)發(fā)生漂移，測量介質(zhì)的工作磁場頻率會盡可能降低以保持輸出零點(diǎn)的穩(wěn)點(diǎn)。如果當(dāng)需要進(jìn)行較高準(zhǔn)確度的測量結(jié)果時(shí)，不僅要求信號轉(zhuǎn)換器具有很高的噪聲處理水平還應(yīng)提升測量介質(zhì)的流速下限。其主要原因在于過低的流動介質(zhì)引起的感生電信號過于微弱，難以被轉(zhuǎn)換器檢測。在流量計(jì)運(yùn)行工作的過程當(dāng)中，主要的目標(biāo)是檢測感應(yīng)電動勢值的大小，為了確保數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性也同時(shí)需要考慮到多種因素的干擾。信號轉(zhuǎn)換器測量輸入信號的電極利用的是傳感器輸出電壓信號，其式(2-6)表示為:(2-6)其中BvD是流速信號，在運(yùn)行工作當(dāng)中其實(shí)信號轉(zhuǎn)換器理應(yīng)得到的是只反應(yīng)流量大小的真實(shí)信號，然而在實(shí)際操作的過程當(dāng)中總會受到各種相關(guān)因素的干擾，其主要的影響來源是勵磁工作磁場的不穩(wěn)定突變。、和：在進(jìn)行計(jì)算過程中產(chǎn)生的干擾源相對較少且數(shù)值影響也較小，前兩者主要是因?yàn)楦浇⑷蹼姶诺母蓴_以及不可避免的靜電產(chǎn)生，能夠利用相關(guān)技術(shù)的屏蔽以及接地處理進(jìn)行消除，最后通過對勵磁頻率的調(diào)整來消除直流極化電壓的影響。1.2.2干擾信號(1)正交干擾傳感器在運(yùn)行工作的過程當(dāng)中，其勵磁裝置的勵磁線圈會產(chǎn)生一定的磁場，而這部分勵磁磁場會產(chǎn)生相關(guān)測量數(shù)據(jù)的部分誤差，這中誤差被稱為正交干擾。而當(dāng)勵磁線圈進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，勵磁電流也會變得溫度穩(wěn)定所產(chǎn)生的的磁場強(qiáng)度相應(yīng)的也變?yōu)楹阒?，此時(shí)的正交干擾就能夠被忽略不計(jì)。所以當(dāng)處理信號時(shí)，盡可能選取穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，避免正交干擾的誤差。(2)同相干擾由電磁場相關(guān)的理論知識可以得到，在交變狀態(tài)中的電場會產(chǎn)生相應(yīng)交變狀態(tài)的磁場。而相應(yīng)的，磁場的交互變化也能夠引起電場的交互變化。這兩種現(xiàn)象會相互的轉(zhuǎn)變，有著密不可分的關(guān)系。當(dāng)傳感器中的主要工作磁場形成了上述的正交干擾時(shí)，就會形成對應(yīng)的閉合電流。而產(chǎn)生的這種閉合電流又會形成交變的二次感應(yīng)磁場。此現(xiàn)象引起的信號干擾被稱為同相干擾。我們能夠得到，同相干擾是隨著正交干擾的引起而產(chǎn)生的。(3)串模干擾當(dāng)電磁流量計(jì)在實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行工作時(shí)，惠收到環(huán)境周圍會存在眾多的工頻信號的干擾。這些工頻信號會作用在勵磁系統(tǒng)、工作電極、前端放大器，就會形成串模干擾。串模干擾的信號會與低頻矩形波勵磁的信號進(jìn)行疊加，從而極大的影響了最后的測量結(jié)果。消除串模干擾影響的方法是將矩形波勵磁的工作周期設(shè)定為整數(shù)倍的工頻周期。這使得采樣時(shí)間與工頻信號同步在一個周期上，從而抑制了串模干擾的產(chǎn)生。(4)共模干擾當(dāng)被測介質(zhì)與測量管道或者是大地形成有接地電阻和對地電流時(shí)，就會在兩個工作電極間產(chǎn)生相同相位和幅度的共模電壓，該電壓就會引起共模干擾。共模干擾的信號幅度經(jīng)常會是正常信號的幅度好幾倍，因此需要對其進(jìn)行抑制處理，不然會影響正常測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。共模干擾還會由靜電感應(yīng)和回路中接地電阻的干擾電流產(chǎn)生。通常消除共模干擾影響的辦法是選取具有高共模抑制作用的放大器，并對測量的流量信號進(jìn)行相應(yīng)的放大。(5)直流干擾隨著流量計(jì)的工作運(yùn)行時(shí)間的增長，儀表中的電解質(zhì)會被測量介質(zhì)所腐蝕，從而引起了直流電流的變化，產(chǎn)生影響測量結(jié)果的誤差電位。因此，需要定期對流量儀表的相關(guān)器件進(jìn)行檢查，盡量避免直流干擾以及類似情況的發(fā)生。1.2.3信號采集與處理模塊作為流量計(jì)測量系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，信號處理電路主要的工作任務(wù)是收集從傳感器電極上得到的感應(yīng)電信號，并對其進(jìn)行相應(yīng)的濾波放大處理，得到能夠被微處理器利用的流量信號。信號處理模塊位于電磁傳感器和微處理器之間，其電路原理結(jié)構(gòu)如圖所示。信號采集與處理模塊主要內(nèi)容包含了對模擬信號的前端處理方面和對A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方面。對模擬信號處理的主要工作是建立后續(xù)的信號轉(zhuǎn)換器運(yùn)行等工作設(shè)備的基礎(chǔ)。與此同時(shí)為了能夠獲取較高的測量準(zhǔn)確度，在修改運(yùn)作模塊的過程中，使用了低頻交變磁場的相關(guān)的處理程序，并且通過測量介質(zhì)的流通，使其能夠達(dá)成對產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的收集與處理。然而由于其產(chǎn)生的信號較微弱，并且在操作接下來的處理工作時(shí)由于較多噪音的存在導(dǎo)致有效信息不能被及時(shí)被捕捉，因此還要求對于原先的信號作進(jìn)一步的差動放大處理。為了夠達(dá)成能實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的水準(zhǔn)的目的，還需要求設(shè)計(jì)更高質(zhì)量的信號處理模塊，根據(jù)相應(yīng)的使用情況進(jìn)行了以下處理的工作。當(dāng)信號轉(zhuǎn)換器需要對從傳感器得到的輸出感應(yīng)電動勢信號時(shí)，首先必須通過處理相關(guān)的工作才能繼續(xù)運(yùn)行，主要的操作是把信號中的干擾雜音進(jìn)行消除。在繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換器運(yùn)行中需要利用相應(yīng)的放大器時(shí)，應(yīng)對相應(yīng)的信號進(jìn)行輸出放大工作。如果出現(xiàn)較高的輸入阻抗，還需要在外部元件當(dāng)中安裝一個有增益功能的電阻。在進(jìn)行放大過程中的第一階段時(shí)。被測的導(dǎo)電介質(zhì)需要處于靜止不動的狀態(tài)而且還要盡可能的去除導(dǎo)電介質(zhì)的電動勢。經(jīng)過以上的處理步驟之后，得到的感應(yīng)電動勢信號依然有幾率存在影響穩(wěn)定性的高頻尖峰噪聲。此時(shí)可以繼續(xù)上述的操作流程，再在系統(tǒng)中裝置上具有信號放大增益功能的低通濾波器。利用這種方法，能夠確保干擾噪音更深程度的消除，提升測量信號的有關(guān)幅度，使得結(jié)果更為精確。1.5本章小結(jié)在本章節(jié)中主要詳細(xì)介紹了信號轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)過程。首先簡要的分析了信號轉(zhuǎn)換器的硬件組成，使其有了明確地框架結(jié)構(gòu)并且選擇了合適的單片機(jī)系統(tǒng)。再繼續(xù)分析了相配適的勵磁方式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的勵磁電路。同時(shí)也分析了可能出現(xiàn)信號的種類，最后著重介紹了信號采集處理模板的設(shè)計(jì)流程。第2章信號轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對于本次信號轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)形式主要采用的是結(jié)構(gòu)化和模式化的方式，將軟件系統(tǒng)分成數(shù)個獨(dú)立工作的單元，并且在后期的運(yùn)行流程中，加入了主程序的相應(yīng)操作和初始化處理。為了確保各個模塊能夠運(yùn)行正常，在設(shè)計(jì)中統(tǒng)籌規(guī)劃了模塊間的相互聯(lián)系。此項(xiàng)功能夠在執(zhí)行操作用戶的設(shè)定過程中，滿足用戶更深層次的需求并能實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有參數(shù)的創(chuàng)新。由于各個生產(chǎn)廠家之間設(shè)定了不同的儀表參數(shù)，因此用戶在購買不同的產(chǎn)品之后很難進(jìn)行統(tǒng)一的管理。為了能夠克服不同廠家生產(chǎn)的儀表無法關(guān)聯(lián)的問題，在系統(tǒng)運(yùn)行工作時(shí)需要將不同的數(shù)據(jù)類型和得到的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并且還將實(shí)時(shí)記錄下相關(guān)的流速信號以便后期進(jìn)行檢查核對的工作。軟件系統(tǒng)的主程序流程圖和定時(shí)器的中斷響應(yīng)處理程序分別如圖4-1和4-2所示。上電初始化上電初始化LCD初始化中斷初始化鍵盤響應(yīng)初始化通訊初始化