0.引言

        电磁流量计是20世纪中叶随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表，主要应用于供水和污水处理、食品饮料、制药、纸浆造纸和建筑材料等行业。近年来，由于水处理行业的快速发展，特别是新兴环保行业的发展，使得电磁流量计的销售市场份额迅速增长。目前，电磁流量计的设计一般采用单片机技术和计算机技术，只能对仪表信息进行简单的分析与处理，其测量精度、信息存储和人机操作等方面均存在着一定的局限性 ，已不能满足实际工业生产中流量测量与控制的需要。为此，本文提出一种基于STM32处理器开发平台，使用智能串口触摸屏进行图形用户界面设计。该设计提供了友好的人机界面、大量数据存储与管理以及网络通信等功能，实现了电磁流量计的智能化、信息化和网络化。

 

1.电磁流量计测量原理

        电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律，用于测量管内导电液体体积流量的感应式仪表。如图1 所示，导电液体在内壁绝缘的管道中以垂直于磁场的方向流动时，在与磁场和液体流动方向垂直的管径两端的电极引出线上将生成与流速成正比的感应电压，其感应电压可用公式表示成：E =KBDV式中，E即流量信号;K 为仪表系数; B 为磁感应强度; D 为测量管道截面的内径; V为测量管道截面内的平均流速。

2.电磁流量计总体设计方案介绍

        电磁流量计的总体结构如图2 所示。仪表以STM32为核心控制器，包含电源模块、励磁模块、信号采集与处理模块、数据存储模块、LCD 液晶显示模块、以太网接口模块等。STM32 是一款低功耗、高 集成度的32位RISC 微处理器，由于STM32提供丰富的外围模块，集成有LCD 控制器、4通道UART、2 通道SPI 和1 通道IIC 等功能，适用于工业控制、人机界面和POS机等电子产品的开发和设计。仪表系统初始化后，由STM32 的定时器控制励磁电路输出励磁信号，电磁流量传感器感应到励磁信号后产生一定强度的磁场，管道中的流体在传感器的电极上便产生感应信号( 即所测量的流量信号) ，最后信号经过处理电路后输入给STM32，进一步进行分析与处理。其中，使用LCD 液晶触摸屏给用户提供了友好的可视化界面，便于用户控制仪表; 存储模块用于存储大量的测量数据以及仪表信息; 以太网接口模块完成了网络数据的传输和控制，方便用户使用计算机对多个电磁流量计的测量数据进行查询、管理和控制。

 

3.主要模块设计方案介绍

3.1 励磁模块设计

        电磁流量传感器的工作磁场由励磁模块提供。励磁技术是电磁流量计中的关键技术之一，当前电磁流量计的主流励磁方式是低频矩形波励磁方式，其缺点是在磁场切换方向时容易产生微分干扰，而且零点稳定性不好。针对这一缺点，该设计在低频矩形波励磁技术的基础上，设计了低频三值矩形波励磁方式。低频三值矩形波励磁技术中，在正负方向的励磁切换之间添加了一段零值励磁，采样时，零值励磁段的电极输出信号动态的作为流量信号的零点，这样便可以动态地补偿零点漂移，同时削弱了微分干扰，增强了流量测量的准确性。励磁电路的任务是提供低频三值矩形波磁场，即相同波形的励磁电流。励磁模块示意图如下图所示。

        从上图可以看出该电路主要由恒流源、电子开关、励磁线圈等电路组成，恒流源是该电路的核心，它的稳定性关系到测量的精度。四个电子开关受单片机控制，两个一组交替打开。当K1、K4打开时(K3、K2断开)励磁电流经K1从左向右流过励磁线圈;K2、K3打开时(K1、K4断开)励磁电流经K3从右向左流过励磁线圈。开关K1、K4和K2、K3分别受励磁控制脉冲1和脉冲2的控制，在线圈上就产生正反交替电流，根据法拉第电磁感应定律，单片机通过对脉冲1和脉冲2的控制就能产生需要的工作磁场变化。

 

3.2 流量信号处理模块设计

        流量信号处理模块 [7] 的作用是对传感器输入的感应电动势信号(微伏至毫伏级的交流信号)进行放大、滤波处理，然后通过AD转换器采样后输入单片机系统，最终通过LCD显示测量值。信号处理模块是传感器和单片机系统的中介，其电路原理框图如图3-4所示：

        由于信号传输线的影响和电极表面阻抗的变化，进入信号处理电路的流量信号夹杂有微小的直流分量在内，如果让其直接进入放大电路，在很大的放大倍数下，那么一对电极信号中的直流分量差值很容易使放大的信号失真，为此在信号进行放大之前，需要经过滤波预处理，通过高通滤波器来实现隔直，同时利用运放的跟随作用提高输入阻抗。在预滤波处理后，需要将信号进行放大，为了抑制干扰，将流量信号从强干扰背景中分离出来，需要克服共模干扰。运算放大器、仪表放大器都可以提供共模抑制(CMR)，然而，仪表放大器适用于抑制共模信号以便它们不在其放大器的输出端出现;相反，按照典型的反相或同相放大器方式工作的运算放大器处理共模信号，将其送至输出端，但通常并不抑制它们。因此，在信号放大单元采用了高共模抑制比的仪用放大器传感器产生的流量信号经信号放大单元阻抗转换、抑制共模干扰电压后，由差动信号转换为单端信号，但并没有得到多大的增益，所以其输出幅度仍然较小，不能直接输入到模数转换电路，必须要经过再次放大。不过在进入二次放大电路以前，由于测量电路器件本身存在噪声以及其他干扰，信号中仍然可能含有多种频率成分的噪声，严重情况下，这些噪声信号会淹没真正的流量信号，在这种情况下就要采用滤波措施，将不需要的杂散信号抑制掉，增加系统的信噪比 [9] 。同时考虑到放大后的信号仍然可能会有直流干扰，采用带通滤波的结构。在计算机控制系统及各类用单片机构成的智能仪器仪表就必须先通过A/D转换，完成将检测出来的流量信号线性转换为数字信号的功能。因此在电磁流量计的硬件电路设计中，为了准确检出流量信号，系统采用高精度16位模数转换器ADS8320 [10] ，它采用逐次逼近法，可以将模拟量转换成16位数字量表示的值，通过单片机STM32对转换后的数据进行采集与处理。

 

3.3 人机接口和通信接口设计

        智能仪表电磁流量计的一个重要的功能是友好的人机界面设计，本设计采用市场上成熟的DGUS智能串口触摸屏作为显示模块，用DGUS来开发人机界面，主要是借助PC软件来对触摸屏的触摸界面切换、变量数据显示位置、变量数据录入等进行组态设计把人机交互和控制过程完全分开，程序开发人员只需要编写相关指令通过串口发送给触摸屏乙级编写串口接收中断函数来处理触摸屏的数据就可以了，大大简化了程序开发人员的工作。智能仪表电磁流量计的另一个重要功能是实现以太网通信。以太网通信电路采用市场上相当成熟的W5500模块，W5500模块使用硬件逻辑门电路实现TCP/IP协议栈的传输层及网络层（如：TCP， UDP， ICMP，IPv4， ARP， IGMP， PPPoE等协议），并集成了数据链路层，物理层，以及32K字节片上RAM作为数据收发缓存。使得上位机主控芯片，只需承担TCP/IP应用层控制信息的处理任务。从而大大节省了上位机对于数据复制、协议处理和中断处理等方面的工作量，提升了系统利用率及可靠性。在操作过程中，用户可以近似的将W5500作为MCU的一个外设RAM来使用，非常简易。W5500对外接口为通用的80MHz高速SPI，接口速度快稳定性高，用户可以把多个电磁流量计通过以太网连接在一起，通过电脑就可以对每台电磁流量计的数据进行查询，存储等从而实现了电磁流量计的智能化、信息化和网络化。

 

4.结束语

        文中介绍了基于STM32的智能电磁流量计系统的设计，分别从电磁流量计的测量原理，整体设计方案及主要模块设计方案三个方面进行了详细的阐述。该设计方案采用性能较高的32位微处理器STM32RCT6，结合电子线路技术等技术，将处理结果通过以太网接口输出的同时并送给智能串口触摸显示，从而完成了系统的软硬件设计，实现了数据采集与处理、人机交互、通信及测量数据的存储和管理等功能，从而实现了电磁流量计的智能化、信息化和网络化，预计按该设计方案设计电磁流量计将具有广阔的应用前景。

 

作者：电磁流量计

版权：中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，石俊杰 隋 峰 黄启勇