运用ARM和WinCE的嵌入式流量计设计

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随着经济和科学技术的迅速发展，流量计日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来。流量计显示的准确性和设备使用的安全性、可靠性等息息相关。然而，现实中常会出现仪表显示不稳或者无规则跳变现象。-方面是由于设备在加工、制造过程中的缺陷造成的；另-方面是传感器测得的信号在传输过程中会受到电源噪声、信号传输线以及脉冲的强电磁干扰。

其中最重要的-点是大部分信号是脉冲输出型和频率输出型，流量的变化对应的是方波的变频调制。典型的畸形频率信号如图1所示，采样频率为10 000Hz，采样点数为1 000点。

从图1所示可知，表面上观察，信号比较接近于方波，但其中夹杂着大量的脉冲型杂波，这就导致流量计的显示数值在-个固定的数值范围内左右跳变，计数不准。虽然仪表计数对脉冲量的脉宽和辐值有-定的要求，但是不能排除仪表将-部分杂波误认为是正唱关量而导致计数偏多或偏少。

针对此问题，本文提出采用多种信号调理电路和06> 采样点数图1 畸形频率信号软件整形技术，为流量信号的采集、整形和识别分析开辟了-条有效的途径。

1 流量计硬件结构流量计的硬件结构主要包括：处理器拈、电源拈、传感器拈、信号调理电路、模拟/数字(A/D)转换拈和 LCD显示拈。

王新晴，等：运用ARM和WinCE的嵌入式流量计设计 2013年第2期流量计硬件结构原理如图2所示。

LCD显示拈蔚 ]匦 ；l 器匹壹 ；l L-T T感-器I J L1-----] - 堂 匹亟 l D J图2 流量计硬件结构原理1.1 处理器拈为满足仪器功耗低、体积型便于携带的要求，本流量计选用 $3C6410A芯片作为处理器。该芯片工作频率最高可达667MHz，并含有以下部件：LCD触摸屏接口、标准 RS232串口、USB Host 1.1接口、8路A/D通道、4个 UART通道和24路外部中断等，能够与常用的外围设备实现无缝连接。

1.2 电源拈本流量计的处理器内核工作电压是 1.8V，存储器、LCD触摸屏以及 A/D转换通道接口工作电压均为3.3V，其他外围电路则使用5V电源。基于各拈供电电压的不同，设备采用 117系列低压直流稳压芯片将 5V的直流供电电源分别转为 1.8V和3.3V。电源拈电路设计时均采用电容滤波，以便减少高频干扰。

1.3 传感器拈传感器拈选用涡轮流量传感器，其特点是良好的重复性、宽广的线性工作区和高精度。基本原理是利用安装在流体通道上的流量传感器，把与流体流量成正比的转速信号转换成对应的电脉冲信号。该信号经过隔离、放大和整形后传输到 A/D转换拈。流体体积流量Q -般用式(1)表示，即 ]：Q f/k (1)式中 为电信号的频率； 为常数，亦称仪表系数2]。

1.4 信号调理电路拈本文设计的信号调理电路主要包括：光电隔离电路、单稳整流电路、频率/电压转换电路和放大电路。

信号经过调理拈以后转换成电压信号输人到处理器的A/D转换拈。

强电和弱电的隔离是保证系统工作稳定、设备与操作人员安全的重要措施。常用的隔离方式有：光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。典型的信号隔离是光电隔离，-方面使干扰信号不得进入被隔离电器，另-方面使被隔离电器本身的噪声也不会以传导的方式传播出去。线性光电隔离电路如图3所示。图 3中，TLP521-2为可控制的光电隔离芯片，MAX6125为电压转换芯片。，图 3 线性光电隔离电路图3所示的电路利用了极少的元件，采用模拟电路的原理，实现了信号的隔离，其精度高于0.20%。

该电路是通过调制电路和解调电路实现信号隔离的，它与以往的隔离电路完全不同，不是把输出信号反馈给输入信号进行调整，而是利用调制电路产生-个脉宽与输入信号成某-比例的方波，将方波利用光耦隔离，再利用与输入调制电路完全相同的解调电路进行解调，得到与输人信号完全成正比例的信号。

流量传感器采集的信号往往包含大量抖动产生的杂波信号或者电磁干扰等高频信号，目前在处理这类问题时，通常采用的方法是在信号处理中加入整流电路，以消除电磁干扰对流量计的影响。本文设计的单稳整流电路 如图4所示。

图5a所示为变频待调理信号波形。由图5a所示1072013年第2期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)可见，标号l、2段信号受到干扰而失真。经过电路调理后信号接近于方波，其调理后的信号波形如图5b所示。

> 出 出图4 单稳整流电路b调理电路输出信号图5 调理信号波形对比图由于大部分流量信号是脉冲输出型和频率输出型信号，流量的变化对应的是方波的变频调制。所以，本文设计了采用 AD650芯片的频率/电压转换电路来实现频率与电压的转换。频率/电压转换电路如图6所示。AD650转换时具有以下特点。

1)输入频率信号 首先经过微分电路c。、 。和VD变成负脉冲(正脉冲则被 VD短路)，然后加至比较器的输入端，用下降沿来触发单稳态电路进入-个新的测量周期 。

3)电路增加了积分电阻 R m 它与电容 C 并联在 端和lN-端之间。

图6 频率/电压转换电路为了验证输入频率与输出电压的线性度关系，确保频率/电压转换电路的有效性。根据电路原理，可设计各电阻、电容的大小，其中C 1 000pF，C30.1 ，RINT20kQ，R2R32kl'，R4500l，R62501)。频率/电压转换电路的测试数据如表 1所示。频率/电压转换曲线如图7所示。测试结果显示，频率与电压具有良好的线性度。

表 1 频率/电压转换电路测试数据频/kHz 电压/V 频率/kHz 电压/V0.050 8 0.0o6 7 70 4.20.1006 0.O11 1 79.5 4.75O.183 0.Ol81 9O 5.360.467 0.043 l1O.6 6.315.01 0.04 3 9 130.4 7.239.77 0.583 150.5 8.2629.7 2.01 159.2 8.6150.3 3.21 180 8.75> 频率/kHz图7 频 电压转换曲线经过以上信号调理电路的调理以后，基本上可以消除电源噪声、信号传输线以及脉冲的强电磁对流量信号的干扰。调理后的信号如图8所示。

$3C6410A芯片内部集成了8通道模拟输入的 l0或12位A/D转换通道，其中4路供LCD触摸屏使用。

王新晴，等：运用ARM和WinCE的嵌入式流量计设计 2013年第2期图8 调理后的信号该转换器输入电压为 3.3V，具有片上采样保持功能，并支持掉电模式，最大工作时钟为 5MHz，最大转换速率可达 1Msps，能够快速捕获 0～3.3V之间的模拟电压信号，并将其转换为10或12位数字量。

1.6 LCD显示拈$3C6410A支持黑白、4级灰度、16级灰度、256色、64K色、真彩色TFr液晶屏，屏幕分辨率可以达到1024×768像素。本流量计选用分辨率640×480像素、带触摸屏的4线电阻式真彩 LCD。

2 软件系统的设计ARM板上的操作系统选用了 WinCE操作系统，该系统是微软公司开发的-个开放的、可升级的32位嵌入式系统，具有拈化、结构化、基于 Win32的应用程序接口以及与处理器无关等特点。它继承了传统的Windows图形界面，用户不仅可以使用 Visual Bas-ic、Visual C等编程工具，也可使用同样的函数，同样的界面风格。

此流量计设计了存储系统，可根据需要存储实验数据，以便进行后期的数据处理工作。为了获得更好的效果，信号可以在后期处理中进行抗干扰设计，进- 步提高系统的可靠性。软件抗干扰方法有整形、滤波、小波降噪和数学形态滤波等。但是对于复杂干扰的变频流量信号，目前方法仍存在信号处理不准确或者效果不佳的问题，无法实现频率与流量之间的非线性关系的直接识别。因此需要寻找智能方法实现对信号有效成分的整形与识别。基于这-问题，本文在后期处理采用 BP神经网络整形技术对信号进行后期的整形与识别。

由于对流量信号进行频率识别，其中最重要的信息就是图像的边缘和轮廓，而神经网络能够很好地完成 Ⅳ维空间到M维空间复杂的非线性映射，且具有很强的学习能力和容错能力，经过训练后还能使网络具有记忆联想功能，故它具备图像边缘检测的能力 J。

神经网络设计的关键在于输入、输出设计。由于流量计采集到的信号是电压方波信号，而神经网络要求全数值输入，因此，可以根据A/D采集得到的电压信号，取50个点的电压作为网络的输入，l0个数字(即对应的频率值，此处假定50点信号最多只包含 10个方波，少于10个，其频率值以0代替)作为网络的输出。具体训练过程在此不做叙述。其中输入、输出的个数可根据实际情况而定。

3 结语本文通过硬件调理电路对流量传感器输出信号进行整形，并提出了后期软件整形的具体方案。实验结果证明，该方法能有效去除流量信号中的噪声、电磁脉冲等干扰，从而实现了流量计正确、稳定的显示。

与其他流量计相比，该流量计在识别精度与速度上有很大改善，保障了流量信号采集的准确性，具有较好的实用价值。