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基于STM32的低功耗涡街信号处理系统设计

蒋莉  
【摘要】:基于卡曼涡街原理的应力式涡街流量计因其灵敏度高、稳定性好、价格低廉等优点,被广泛应用于测量液体、气体和蒸汽的流量。但是,目前涡街流量计还普遍存在着两大问题:一是低流速时信号无法检测,使得量程比受限;二是功耗较高,不能应用于环境恶劣的工业现场。针对这两个问题,本文设计一个基于STM32的低功耗的涡街信号处理系统,采用模拟滤波和数字频谱分析相结合的方法,对涡街传感器输出信号进行采集和处理。 系统属于涡街流量计二次仪表的设计范畴,处理的对象是压电传感器输出的微弱的电荷信号,本文首先分析了一次仪表中压电传感器输出的涡街信号及噪声的特点,根据信号的特征,选用TI公司的低功耗运算放大器TLV2252和TLV2254设计了前置放大电路,主要包括电荷放大器、程控增益放大器、低通滤波器和施密特整形电路,完成对涡街传感器输出的信号的电荷/电压转换、放大、滤波、整形等预处理,成功输出两路信号:一是经低通滤波器后输出近似正弦的涡街信号;二是经施密特电路后整形出与涡街信号频率相等的方波脉冲信号。信号采集和运算电路选用ST公司的低成本、低功耗、内嵌Cortex-M3内核的处理器STM32F103RBT6作为控制核心。该部分电路主要包括STM32处理器电路、串口通信电路、LCD接口电路等,完成对信号的采集、分析、计算,并控制液晶显示出计算结果。 软件部分主要完成涡街信号的采集、程控放大倍数调整、频谱分析、频率计算和显示等功能。开发工具是IAR Embedded Workbench for ARM,采用C语言来编程。主监控程序通过调用各种子程序模块完成特定的功能。结合涡街信号频率、幅值跨度范围较大的特点,采用固定采样点数,变采样频率的FFT算法,根据FFT计算结果,计算功率谱;最后根据信号的幅值信息求出涡街信号的频率,既降低了测量下限,又满足了系统低功耗的要求。 本课题较好地完成了预期的设想,设计与实现了系统的硬件电路,完成了系统软件的编写和调试,并在实验室进行了水流量测试,实验结果表明:该系统抗干扰能力强、测量精度高、扩大了量程比、功耗低,可用于测量小流量。


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