作者：Colm Slattery and Ke Li

流量計(jì)在當(dāng)今工業(yè)中的應(yīng)用范圍在哪里？

“如果你不能衡量它，你就無(wú)法管理它。這是工業(yè)界經(jīng)常聽(tīng)到的一句話，尤其與流量測(cè)量有關(guān)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，越來(lái)越需要監(jiān)測(cè)更多的流量，而且往往要有更高的速度和準(zhǔn)確性。有幾個(gè)領(lǐng)域工業(yè)流量測(cè)量很重要，例如住宅垃圾。隨著人們?cè)絹?lái)越關(guān)注保護(hù)我們的環(huán)境，在我們努力創(chuàng)造一個(gè)更清潔、污染更少的世界時(shí)，廢物的處置和監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。人類(lèi)正在消耗大量的水，隨著世界人口的增長(zhǎng)，這種情況將繼續(xù)下去。流量計(jì)對(duì)于監(jiān)測(cè)住宅污水廢物以及作為廢水處理廠過(guò)程控制系統(tǒng)的組成部分至關(guān)重要。

圖1.簡(jiǎn)化的廢水處理廠。

流量計(jì)還可用于許多工業(yè)控制過(guò)程，包括化學(xué)/制藥、食品和飲料以及紙漿和造紙。此類(lèi)應(yīng)用通常需要在存在高含量固體的情況下測(cè)量流量，而大多數(shù)流動(dòng)技術(shù)都不容易實(shí)現(xiàn)。

在貿(mào)易交接領(lǐng)域需要高端流量計(jì)，它處理雙方之間產(chǎn)品轉(zhuǎn)讓的轉(zhuǎn)移和支付。一個(gè)例子是通過(guò)大型管道輸送石油。在這里，即使流量測(cè)量精度隨時(shí)間推移的微小變化也可能導(dǎo)致其中一方的重大收入損失或收益。

為什么電磁感應(yīng)技術(shù)非常適合液體流量測(cè)量？

在液體流量測(cè)量方面，該技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。傳感器通常插入管道直徑的管線中，因此設(shè)計(jì)為不會(huì)干擾或限制被測(cè)介質(zhì)的流動(dòng)。由于傳感器沒(méi)有直接浸入液體中，沒(méi)有移動(dòng)部件，因此沒(méi)有磨損問(wèn)題。

電磁法測(cè)量體積流量，這意味著測(cè)量對(duì)流體密度、溫度、壓力和粘度等影響的變化不敏感。一旦電磁流量計(jì)用水校準(zhǔn)，它就可以用來(lái)測(cè)量其他類(lèi)型的導(dǎo)電流體，無(wú)需額外的校正。這是其他類(lèi)型的流量計(jì)所沒(méi)有的顯著優(yōu)勢(shì)。

電磁技術(shù)特別適用于在固液兩相介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，例如具有懸浮污垢、固體顆粒、纖維的液體，或漿料等高導(dǎo)電介質(zhì)中的粘度。它可用于測(cè)量污水，泥漿，礦漿，紙漿，化纖漿料和其他介質(zhì)。這使得它特別適用于食品和制藥行業(yè)，在那里它可以測(cè)量玉米糖漿、果汁、葡萄酒、藥物和血漿以及許多其他特殊介質(zhì)的流量。

這項(xiàng)技術(shù)是如何工作的？

電磁流量計(jì)的工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)導(dǎo)電流體流過(guò)傳感器的磁場(chǎng)時(shí)，一對(duì)電極之間會(huì)產(chǎn)生與體積流量成正比的電動(dòng)勢(shì)，垂直于流動(dòng)方向和磁場(chǎng)。電動(dòng)勢(shì)的振幅可以表示為：

其中E是感應(yīng)電勢(shì)，k是常數(shù)，B是磁通密度，D是測(cè)量管的內(nèi)徑，v是流體在測(cè)量管內(nèi)電極橫截面軸向方向上的平均速度。

圖2.電磁流量計(jì)的工作原理。

傳感器的輸出范圍是多少？

傳感器具有差分輸出。其靈敏度通常為 150 微伏/（mps） 至 200 微伏/（mps）。由于激勵(lì)電流與其方向交替，傳感器輸出信號(hào)幅度加倍。對(duì)于 0.5 米/秒至 15 米/秒的流量測(cè)量范圍，傳感器輸出信號(hào)幅度范圍為 75 微伏至約 4 mV 至 6 mV。圖3顯示了用恒流源激勵(lì)和流體流過(guò)傳感器時(shí)的傳感器輸出信號(hào)。傳感器輸出引線上捕獲的示波器圖顯示，在顯著共模電壓下有一個(gè)非常低電平的信號(hào)。紫色跡線表示正極，紅色跡線表示負(fù)極。粉紅色跡線是減去正極和負(fù)極的數(shù)學(xué)通道。低電平信號(hào)處于顯著共模。

圖3.電磁流量傳感器的輸出信號(hào)。

測(cè)量傳感器的傳統(tǒng)方法是什么？

傳統(tǒng)方法在很大程度上是模擬方法——具有高輸入阻抗的前置放大器級(jí)，以減輕傳感器泄漏效應(yīng)和高輸入共模抑制，然后是3RD或 4千訂購(gòu)模擬帶通濾波器、采樣保持級(jí)，最后訂購(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換。典型的模擬前端方法如圖4所示。傳感器輸出信號(hào)首先由儀表放大器放大。盡可能放大感興趣的信號(hào)至關(guān)重要，同時(shí)也要避免放大器輸出飽和，因?yàn)椴恍枰闹绷鞴材ｋ妷骸＿@通常將第一級(jí)儀表放大器的增益限制在不超過(guò)×10。帶通濾波器級(jí)進(jìn)一步消除直流效應(yīng)，并將信號(hào)重新放大到采樣保持電路中，然后發(fā)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該差分信號(hào)代表流速。

圖4.傳統(tǒng)的模擬前端方法。

影響電磁流量計(jì)架構(gòu)變化的市場(chǎng)趨勢(shì)是什么？

有多種行業(yè)趨勢(shì)推動(dòng)了對(duì)新架構(gòu)的需求。一是對(duì)更多數(shù)據(jù)的需求不斷增加。監(jiān)測(cè)液體中除流量以外的其他屬性的能力變得越來(lái)越有價(jià)值。例如，這可以確定液體中可能存在哪些污染物，也可以確定液體是否具有適合應(yīng)用的正確密度/粘度。添加此類(lèi)診斷有許多這樣的要求和好處。傳統(tǒng)的模擬方法不可能輕易提取此類(lèi)信息，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳感器信息在同步解調(diào)階段會(huì)丟失。

在制造過(guò)程中，對(duì)提高生產(chǎn)力和效率的需求也在不斷。例如，在液體計(jì)量/灌裝應(yīng)用中，越來(lái)越多的灌裝節(jié)點(diǎn)被添加，隨著制造過(guò)程的擴(kuò)大和灌裝速度的提高，這推動(dòng)了對(duì)更快、更準(zhǔn)確的流量監(jiān)控的需求。

圖5.液體計(jì)量/灌裝。

傳統(tǒng)上，機(jī)械或重量技術(shù)已被用于確定作為計(jì)量過(guò)程的一部分添加的正確液體量，或作為生產(chǎn)過(guò)程的一部分確定確切的填充量。這些往往非常昂貴且難以擴(kuò)展。為了滿足這一需求，流量計(jì)，特別是涉及液體的電磁流量，已成為首選技術(shù)。

新架構(gòu)是什么樣的？

過(guò)采樣方法極大地簡(jiǎn)化了模擬前端設(shè)計(jì)。可以移除模擬帶通濾波器和采樣保持級(jí)。電路中的前端放大器現(xiàn)在僅由一級(jí)儀表放大器組成，在本例中為AD8220 JFET輸入級(jí)軌到軌輸出儀表放大器，可直接連接到高速Σ-Δ轉(zhuǎn)換器。

圖6.采用AD8220和AD717x-x的過(guò)采樣架構(gòu)模擬前端。

對(duì)模擬前端來(lái)說(shuō)，什么很重要，這對(duì)我的設(shè)計(jì)有何影響？

放大器和ADC是該應(yīng)用中兩個(gè)最關(guān)鍵的模塊。第一級(jí)放大器有許多關(guān)鍵要求。

其中一個(gè)要求是共模抑制比（CMRR）。液體電解質(zhì)中的離子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，因此電極和流體之間產(chǎn)生電勢(shì)，這就是我們所說(shuō)的極化。如果兩個(gè)電極完全匹配，則電極上的電勢(shì)應(yīng)相等。不同金屬的極化電壓范圍為幾百mV至±2 V。這是出現(xiàn)在傳感器輸出和前置放大器輸入端的直流共模電壓。前置放大器是抑制這種共模的關(guān)鍵。

圖7.共模被前置放大器抑制。

100 dB CMRR會(huì)衰減0.3 V直流共模為3 μV，表現(xiàn)為放大器輸出端的直流失調(diào)，隨后可以校準(zhǔn)。在理想情況下，傳感器上的共模電壓將保持不變，但實(shí)際上它會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，并受到其他影響的影響，如液體質(zhì)量或溫度。CMRR越高，就越能減少對(duì)連續(xù)背景校準(zhǔn)的需求并提高流動(dòng)穩(wěn)定性。

表 1.共模抑制對(duì)實(shí)際流速的影響

電極的金屬材料接觸電解液。液體電解質(zhì)和電極之間的摩擦產(chǎn)生更高頻率的交流共模電壓。雖然通常幅度較小，但交流共模表現(xiàn)為完全隨機(jī)的噪聲，因此更難抑制。這就要求前置放大器不僅在直流范圍內(nèi)，而且在更高的頻率下都具有良好的CMRR。AD8220放大器在直流至5 kHz范圍內(nèi)具有出色的CMRR。對(duì)于AD8220 B級(jí)器件，直流至60 Hz時(shí)的最小CMRR為100 dB，最高5 kHz時(shí)為90 dB，可將共模電壓和噪聲抑制至微伏左右。當(dāng)CMRR為120 dB時(shí)，0.1 V 峰峰值降至0.1 μV 峰峰值。表2顯示了CMRR抑制不良對(duì)輸出傳感器信號(hào)的影響。

圖8.AD8220 直流和交流共模效應(yīng)抑制

前置放大器級(jí)的低漏電流和高輸入阻抗是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)殡姶帕髁總鞲衅鞯妮敵鲎杩箍赡芨哌_(dá)GΩ。放大器的高輸入阻抗可以避免傳感器輸出負(fù)載過(guò)大，從而導(dǎo)致信號(hào)幅度減小。放大器的漏電流應(yīng)足夠低，以便在流過(guò)傳感器時(shí)不會(huì)成為明顯的誤差源。10 pA 最大輸入偏置電流和 1013AD8220的輸入阻抗Ω使得該器件能夠處理電磁流量傳感器的各種輸出特性。表2列出了前置放大器的輸入阻抗對(duì)10 GΩ高輸出阻抗傳感器的影響。

表 2.放大器輸入阻抗對(duì)流量的影響

最后，0.1 Hz至10 Hz范圍內(nèi)的1/f噪聲為應(yīng)用設(shè)定了本底噪聲。當(dāng)配置為增益為10時(shí)，AD8220的基準(zhǔn)電壓噪聲約為0.94 μV p-p，瞬時(shí)分辨6 mm/sec和亞mms累積流速。

如何選擇我的ADC，應(yīng)用中什么是重要的？

過(guò)采樣方法確實(shí)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，并推動(dòng)了ADC模塊的性能要求。由于沒(méi)有次級(jí)模擬濾波器有源增益級(jí)，因此僅使用ADC輸入范圍的一小部分。過(guò)采樣和平均本身無(wú)法顯著提高性能，因?yàn)槊總€(gè)傳感器周期都需要完全穩(wěn)定才能用于流量計(jì)算。此外，作為固件過(guò)程的一部分，您需要從這些有限的數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得足夠的模數(shù)采樣，以消除意外故障。

圖9.流量信號(hào)采樣。

過(guò)采樣架構(gòu)通常需要>20 kSPS數(shù)據(jù)速率的ADC速率，但越快越好。這與實(shí)際流量測(cè)量沒(méi)有特別關(guān)系。由于沒(méi)有模擬帶通濾波器級(jí)，ADC輸入端可以有效地看到原始傳感器輸出。在這種情況下，由于傳感器的上升沿未被濾波，ADC需要在上升沿和下降沿期間具有足夠的分辨率，以便足夠準(zhǔn)確地捕獲這些沿。

流量計(jì)本身的精度可以確定為瞬時(shí)流量測(cè)量或累積流量測(cè)量。流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使用累積流量技術(shù) - 測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間（例如30或60秒）內(nèi)水量的平均流量。這而不是瞬時(shí)流量測(cè)量決定了±0.2%的系統(tǒng)精度。瞬時(shí)流量適用于實(shí)時(shí)流量很重要的場(chǎng)合。它對(duì)電子設(shè)備的精度要求更高。理論上，要分辨到5 mm/sec的瞬時(shí)流動(dòng)分辨率，ADC需要在一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)20.7位峰峰值分辨率，即大約600個(gè)樣本的后FIR濾波器。這可以通過(guò)模擬前端實(shí)現(xiàn)。

表 3.模擬前端和ADC的噪聲預(yù)算

AD7172-2為電磁流應(yīng)用提供了低輸入噪聲和高速采樣的完美組合。采用2.5 V外部基準(zhǔn)電壓源的AD7172-2的典型噪聲可低至0.47μV峰峰值。這意味著最終的流動(dòng)結(jié)果可以在高達(dá)50 SPS的速度刷新，而無(wú)需增加額外的擴(kuò)增級(jí)。圖10顯示了采用AD7172-2的過(guò)采樣前端電路的噪聲圖。

圖 10.采用AD8220和AD7172-2過(guò)采樣架構(gòu)的基準(zhǔn)至輸入噪聲測(cè)試結(jié)果

我們?nèi)绾尾拍塬@得更快的響應(yīng)，以滿足行業(yè)對(duì)更高效率的需求？

可以通過(guò)增加傳感器激勵(lì)頻率來(lái)提高流量測(cè)量的系統(tǒng)更新速率。在這種情況下，傳感器輸出建立的時(shí)間較短，因此可用樣本的平均值也較少。使用噪聲較低的ADC，折合到傳感器輸出噪聲的參考可以進(jìn)一步降低。使用相同的前端驅(qū)動(dòng)器AD8220，增益配置為×10，模擬前端性能可以以更高的更新速率與領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。表4和圖11顯示了ADI在更高的系統(tǒng)更新速率下與最接近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比獲得的優(yōu)勢(shì)。

表 4.測(cè)量精度與傳感器激勵(lì)頻率的比較

圖 11.測(cè)量精度與傳感器激勵(lì)頻率的比較。

儀表放大器是否能夠直接驅(qū)動(dòng)ADC，我如何確定這一點(diǎn)？

通常，這取決于儀表放大器的驅(qū)動(dòng)能力和ADC的輸入結(jié)構(gòu)。許多現(xiàn)代精密ADC都基于開(kāi)關(guān)電容架構(gòu)。片內(nèi)采樣保持電路表現(xiàn)為上游放大器的瞬態(tài)負(fù)載，它必須能夠建立開(kāi)關(guān)電容輸入以實(shí)現(xiàn)精確采樣。

圖 12.等效模擬輸入電路。

以下公式可用于檢查放大器是否要驅(qū)動(dòng)ADC。

哪里：

帶寬是放大器驅(qū)動(dòng)ADC所需的最小帶寬。

MCLK是ADC調(diào)制器時(shí)鐘頻率赫茲。

T 是短路相位時(shí)間，秒。

FS是ADC的全模擬輸入范圍，伏特。

CMV 是 ADC 輸入范圍的共模電壓，伏特。

誤差是ADC采樣的建立誤差。

例如，AD7172-2的調(diào)制器頻率為2 MHz，短路相位時(shí)間為10 ns，全輸入范圍為5 V，CMV為2.5 V，建立誤差為1 ppm。所得帶寬系數(shù)為8.7 MHz，當(dāng)AD7172-2處于無(wú)緩沖模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器需要此帶寬值。這超過(guò)了1.7 MHz，這是AD8220以及許多精密儀表放大器的增益帶寬積能力。AD7172-2在兩個(gè)ADC模擬輸入端均具有真正的軌到軌、集成式、精密單位增益緩沖器。它設(shè)計(jì)用于在所有頻率上驅(qū)動(dòng)AD7172輸入級(jí)，并降低客戶的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。緩沖器提供高輸入阻抗，典型輸入電流僅為5 nA，允許將高阻抗源直接連接到模擬輸入。緩沖器完全驅(qū)動(dòng)內(nèi)部ADC開(kāi)關(guān)電容采樣網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了模擬前端電路要求，同時(shí)每個(gè)緩沖器的典型功耗為0.87 mA。每個(gè)模擬輸入緩沖放大器都是完全斬波的，這意味著它可以最大限度地減小緩沖器的失調(diào)誤差漂移和1/f噪聲。

磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的？

測(cè)量管內(nèi)的磁場(chǎng)是通過(guò)通過(guò)安裝在管道外部旁邊的線圈施加恒定電流而產(chǎn)生的。線圈通常成對(duì)存在，并相互串聯(lián)。線圈通常是數(shù)百匝銅線，因此被其驅(qū)動(dòng)器電路視為重要的電感負(fù)載。線圈電感通常約為數(shù)十至數(shù)百毫亨利，外加 50 Ω 至 100 Ω 直流串聯(lián)電阻。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路改變激勵(lì)電流的方向時(shí)，磁場(chǎng)在每個(gè)周期內(nèi)交替其方向，這是通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉H橋上的不同開(kāi)關(guān)來(lái)完成的。交流頻率通常是用于消除噪聲的電源線頻率的整數(shù)倍。驅(qū)動(dòng)電路由恒流源和微處理器控制的H橋組成。

圖 13.磁場(chǎng)產(chǎn)生。

功耗重要嗎？

是的。電磁流量計(jì)的激勵(lì)電流可能相當(dāng)大，從小直徑的50 mA到大直徑管道的500 mA或1 A。恒流電路線性調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)消耗大量功率和電路板面積。

與線性穩(wěn)壓恒流電路相比，開(kāi)關(guān)模式電源可用于節(jié)省功耗。如圖所示，ADP2441配置為恒流源輸出模式。1.2 V ADR5040輸出電壓被兩個(gè)電阻分壓至150 mV。該150 mV電壓施加于ADP2441電壓跟蹤引腳，因此電壓反饋引腳也保持在150 mV。在反饋引腳上放置一個(gè)0.6 Ω電流設(shè)置電阻時(shí)，ADP2441會(huì)將其輸出電流調(diào)節(jié)到ISET電平。通過(guò)調(diào)整連接到ADP2441反饋引腳的電流設(shè)置電阻的值，可以調(diào)節(jié)恒流源。

圖 14 （a）.驅(qū)動(dòng)隔離的H橋，帶SMPS和i耦合器。

（b）. 驅(qū)動(dòng)隔離式H橋，帶線性穩(wěn)壓電流源和光耦合器。?

表 5.推薦的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

這種驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)還有其他好處嗎？

有顯著的區(qū)域效益。電磁流量傳感器驅(qū)動(dòng)器電路（也稱(chēng)為激勵(lì)電路）通常與信號(hào)調(diào)理電路隔離——1 kV基本隔離通常就足夠了。傳統(tǒng)的電磁流量變送器通常使用光耦合器隔離。光耦合器的可靠性往往較差，而且相當(dāng)大。ADuM7440數(shù)字隔離器結(jié)合了高速CMOS和單芯片空芯變壓器技術(shù)，在小型16引腳QSOP封裝中提供四個(gè)獨(dú)立的隔離通道。

圖 15.光耦合器與數(shù)字隔離器設(shè)計(jì)的面積比較

與采用光耦合器、線性穩(wěn)壓恒流源和分立式FET H橋采用通孔封裝的傳統(tǒng)方案相比，采用數(shù)字隔離方法節(jié)省的功耗可節(jié)省80%以上的電路面積。

表 6.H橋驅(qū)動(dòng)階段使用的關(guān)鍵部件比較

如何計(jì)算流量？

在數(shù)字域中，交流流信號(hào)仍然需要濾波和同步解調(diào)。圖15說(shuō)明了該算法如何在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)。DSP發(fā)出控制信號(hào)1和2，這是一對(duì)用于電磁流量傳感器線圈激勵(lì)的互補(bǔ)邏輯信號(hào)。在這兩個(gè)信號(hào)的控制過(guò)電磁流量傳感器線圈的電流在每個(gè)周期中反轉(zhuǎn)，因此磁場(chǎng)的方向以及電極上的傳感器輸出在每個(gè)周期中也會(huì)反轉(zhuǎn)。

圖 16.數(shù)字域中的同步解調(diào)和流速計(jì)算。

例如，在第n個(gè)周期中，DSP（在本例中為ADSP-BF504F）知道ADC樣本進(jìn)入時(shí)控制信號(hào)1和2的時(shí)序和邏輯。這允許DSP根據(jù)線圈驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)將這些ADC樣本分類(lèi)到SRAM中的兩個(gè)陣列中。也就是說(shuō)，在正半周期內(nèi)獲得的帶時(shí)間戳的樣本被分類(lèi)到一組，而在負(fù)半周期內(nèi)獲得的那些樣本被分類(lèi)到另一組中。隨后，每組器件均通過(guò)FIR（有限脈沖響應(yīng)）低通濾波器。濾波器的截止頻率設(shè)置為30 Hz，允許有用信號(hào)通過(guò)，抑制電源線頻率和高頻噪聲分量的干擾。圖17顯示了過(guò)采樣前端設(shè)計(jì)中FIR濾波器的曲線，以及模擬同步解調(diào)架構(gòu)中使用的模擬帶通濾波器的曲線。

圖 17 （a）.數(shù)字FIR低通濾波器的輪廓。

（b）. 模擬帶通濾波器的輪廓。

然后，該算法減去兩個(gè)平均值，得到與流速成比例的值。此值的結(jié)果單位是 LSB 每（米/秒）。此值需要進(jìn)一步處理。最終的流速計(jì)算公式為：

哪里：

ΔFlowRate 是從正激勵(lì)和負(fù)激勵(lì)階段 LSB 中減去兩個(gè)平均值的結(jié)果。

V裁判是 ADC 基準(zhǔn)電壓，伏特。

N 是 ADC 分辨率位數(shù)。

G是模擬前端的增益。

靈敏度是傳感器的標(biāo)稱(chēng)靈敏度，V/（米/秒）。

KT是發(fā)射器系數(shù)。

KS是傳感器系數(shù)。

KZ是零偏移量。

如何選擇合適的處理器？

過(guò)程的選擇是一個(gè)重要的選擇。人們?cè)絹?lái)越需要更多的處理能力，以支持更復(fù)雜的算法計(jì)算或增強(qiáng)診斷或預(yù)測(cè)。全球也在推動(dòng)提高電氣和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的能源效率。客戶要求以更低的功耗和可達(dá)到的成本點(diǎn)獲得更多的處理能力。

用于EM流量的數(shù)字濾波器可能需要大量的處理能力。使用的32位FIR濾波器功耗為80 MIPS。流速計(jì)算、外圍通信驅(qū)動(dòng)器和數(shù)據(jù)通信分別需要 40 MIPS、32 MIPS 和 20 MIPS。這些加起來(lái)總共達(dá)到 172 MIPS。在此設(shè)計(jì)中，上述任務(wù)由能力高達(dá)400 MIPS的ADSP-BF504F數(shù)字信號(hào)處理器完成。已經(jīng)使用了近50%的處理能力，這是在多層通信堆棧、HART通信、診斷、安全監(jiān)控功能或LCM驅(qū)動(dòng)器被包括在內(nèi)之前。

表 7.MIPS 消耗

片上外設(shè)也很關(guān)鍵。DSP具有多種功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括SPI，UART，I2C和脈沖輸出通信。有 35 個(gè) GPIO 可用于硬件控制和邏輯輸入/輸出，例如，用于控制 LCD、鍵盤(pán)輸入、警報(bào)和診斷。SRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)濾波器系數(shù)、SPI數(shù)據(jù)通信、LCM數(shù)據(jù)緩存、機(jī)器狀態(tài)數(shù)據(jù)以及內(nèi)部狀態(tài)標(biāo)志。68 kB片上靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）滿足系統(tǒng)級(jí)要求，由32 kB L1指令SRAM/緩存和32 kB L1數(shù)據(jù)SRAM/緩存組成。RS-485和HART通信也需要存儲(chǔ)器。ADSP-BF504F的4 MB片內(nèi)閃存可用于存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)、濾波器系數(shù)和校準(zhǔn)參數(shù)。

圖 18.ADSP-BF504F外設(shè)。

展望未來(lái)，將繼續(xù)推動(dòng)越來(lái)越多的處理能力。為了滿足這一不斷增長(zhǎng)的需求，ADSP-BF70x Blackfin處理器系列是一款高性能DSP，可在低于100 mW的情況下提供一流的800 MMACS處理能力。經(jīng)濟(jì)高效的八成員系列包括高達(dá) 1 MB 的內(nèi)部 L2 SRAM，在許多應(yīng)用中無(wú)需外部存儲(chǔ)器，而第二種配置具有可選的 DDR2/LPDDR 存儲(chǔ)器接口。表8顯示了ADSP-BF7xx系列的主要特性。?

表 8.ADSP-BF70x 黑鰭金槍魚(yú)處理器系列

ADI為電磁流量計(jì)解決方案提供什么？

ADI開(kāi)發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)參考設(shè)計(jì)，用于對(duì)電磁流量計(jì)的完整信號(hào)鏈進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的配置使其可以連接到任何EM流量傳感器類(lèi)型，應(yīng)用適當(dāng)?shù)募?lì)頻率和電壓電平以產(chǎn)生磁場(chǎng)（由Blackfin DSP控制），測(cè)量傳感器輸出，并應(yīng)用后處理濾波器和算法來(lái)計(jì)算流速。ADI在實(shí)際流量鉆機(jī)環(huán)境中校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如圖19所示，并將校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。可以進(jìn)行單點(diǎn)或多點(diǎn)校準(zhǔn)，從而通過(guò)多點(diǎn)線性化提高性能。通過(guò)這樣做，我們能夠證明模擬前端設(shè)計(jì)的性能可以滿足領(lǐng)先的高端流量計(jì)的性能。

圖 19.ADI完整解決方案。

與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，過(guò)采樣架構(gòu)有一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。可顯著節(jié)省面積和成本，分別高達(dá) 50% 和 20%。由于能夠保存?zhèn)鞲衅餍盘?hào)并對(duì)其應(yīng)用后處理，因此還可以節(jié)省功耗并增強(qiáng)系統(tǒng)性能。有關(guān)ADI參考設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系 cic@analog.com。

您是否測(cè)量了設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)？
評(píng)價(jià)結(jié)果

參考設(shè)計(jì)是在室溫下用水連接到流量校準(zhǔn)臺(tái)上的25 mm直徑電磁流量傳感器時(shí)進(jìn)行測(cè)試的。當(dāng)激勵(lì)頻率設(shè)置為6.25 Hz時(shí)，在0.5米/秒至2米/秒的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了讀數(shù)的±0.2%的基本誤差。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表9所示。

表 9.帶DN25傳感器的數(shù)字過(guò)采樣演示板的校準(zhǔn)結(jié)果

總結(jié)和結(jié)論

在世界范圍內(nèi)，特別是在歐洲，越來(lái)越多的環(huán)境法規(guī)正在實(shí)施，以監(jiān)測(cè)和控制住宅和商業(yè)行業(yè)的廢物。電磁流技術(shù)是此應(yīng)用的首選技術(shù)。傳統(tǒng)架構(gòu)往往是一種模擬方法。這有一些缺點(diǎn)，例如成本、面積、功耗、響應(yīng)時(shí)間和有限的系統(tǒng)信息。該行業(yè)的趨勢(shì)是采用過(guò)采樣方法。這給ADC的要求帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)，因?yàn)楦滤俾蕦⒃黾?0×量級(jí)，但不能利用平均的優(yōu)勢(shì)，這在高更新速率下的噪聲要求方面突破了ADC的界限。還有一些電力挑戰(zhàn)需要解決。液體類(lèi)型和管道直徑類(lèi)型的廣泛范圍產(chǎn)生了對(duì)動(dòng)態(tài)功率控制功能的需求，有效地具有一種設(shè)計(jì)，可以滿足所有傳感器類(lèi)型的需求，同時(shí)將功耗降至最低。Blackfin DSP為流量計(jì)應(yīng)用提供了低功耗和處理要求的正確組合。它執(zhí)行復(fù)雜的FIR濾波器算法來(lái)計(jì)算流速，同時(shí)以低于100 mW的功率提供一流的800 MMACS處理能力。完整的設(shè)計(jì)為以前的技術(shù)提供了一種大大簡(jiǎn)化的方法，具有成本、功耗和面積節(jié)省的許多優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：郭婷