基于CORTEXM3微处理器数字磁通计和设计小结

摘要：本文介绍了一种基于Cortex-M3的数字磁通计的设计方案。设计采用数字积分原理，将感应线圈产生的电压信号经过量程转换、信号放大、滤波、A/D采样后传送给前端的Cortex-M3进行数据的预处理，然后通过SPI通信将数据传送给后端的Cortex-M3进行数字积分和显示。本设计解决了数据快速采集、处理和显示之间速度不匹配的问题。经过实际测量，数字磁通计具有无零点漂移、精度为3%、5个量程切换、多功能磁通量测量等功能。
关键词：磁通计数字积分原理cortex-M3多量程无零点漂移
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目前市场上的大部分磁通计都采用模拟积分式磁通计，这种磁通计具有零点漂移大、操作不方便等特点。本文提出了基于Cortex-M3微处理器和数字积分原理的数字磁通计的设计方案，并实现了无零点漂移、多量程切换的磁通量测量。

1、硬件电路设计

本系统选用了德州仪器(TI)公司的一款ARM? Cortex-M3的微控制器LM3S1138。该处理器是一款功能强大的具有32位运算能力的微处理器。系统设计的结构框图如图1所示，感应线圈产生的电压信号经过量程转换、信号放大、滤波、A/D采样后传送给前端的Cortex-M3单片机进行数据的预处理，然后通过SPI通信将数据传送给后端的Cortex-M3单片机进行处理和显示。这样解决了数据快速采集、处理和显示之间速度不匹配的问题。

1.1 前端放大电路及量程转换的设计

前端放大电路及量程转换的设计采用了模拟开关、固定增益放大器、反相放大器、多路开关来实现放大和量程切换的功能。系统设计了5路固定增益的放大电路，增益分别为1000倍、100倍、10倍、1倍、1/10倍。1000倍和100倍放大增益采取了两级放大，这样避免了一级放大倍数太大而削去尖峰脉冲的顶部。

1.2 A/D转换电路的设计

本系统采用了MAX195是一种16位逐次逼近型串行输出的模数转换器，它具有高速度，高精度，低功耗等特点，具有10μA的停机模式，能满足数据采集与信息处理中的精度和速度要求。它具有单极性和双极性两种输入和三态串行数据输出方式，同时也比同功能并行输出的模数转换器要低得多。

1.3 液晶、键盘、参数设置保存和串口通信

本系统选用了一款可以显示中文汉字的液晶屏FYD16032-0501B，其主要参数：显示分辨率:160×32点，提供16×16点阵简体中文汉字，内置16×8点阵字符，2MHZ时钟频率等。这款液晶可以显示两行16个的汉字，可以满足系统设计的要求。
本系统共有的20个按键，0～9数字按键、测量、量程、匝数、面积、、、、确认、复位、清零。参数设置将保存在微控制器的FLASH里面，这样就不需要外接的存储器。本系统选用了标准的RS232串行接口电路。

2、软件系统的设计

2.1 数字积分原理

数字磁通计是以法拉第电磁感应定律为基础的数字积分式磁通测量仪器，本文将积分运算转换为乘法与求和运算。利用A/D将感应线圈中由磁通量变化所感应出的电动势转换为数字量和时间间隔相乘，再进行累加求和，最后完成整个积分运算。具体的公式推导过程如下：
根据法拉第电磁感应定律，将一个探测线圈放在被测磁场中，当线圈中的磁通变化时，将在线圈中产生感应电动势
将式(1)在磁通变化时间～内积分，得到磁通变化值
将式(2)的积分运算转换为累加求和
通常磁通测量变化的总时间一般为毫秒的数量级，因此将设在微妙数量级上已经足够。
根据积分原理，在cortex-M3单片机里面具体实现的数字积分算法中采样的电压值的推导公式为：
完成一次AD采样读写的时间为40us。所以。将采集到的数据经过处理后进行1024次累加。根据公式(4)后端单片机接收到一次SPI数据的磁通量值为：
在测量时间范围内，接收n次SPI数据。即本次磁通量测量的值为：

2.2 软件设计

系统软件主要分为两部分，第一部分前端的单片机主要用于A/D转换、数字积分、通过SPI向后端单片机发送积分数据；第二部分后端的单片机用于按键处理、数据显示。
如图2所示，开机后前端单片机进行时钟、SPI、A/D端口的初始化；然后启动一次A/D采样，读取A/D采样的值并将值进行累加保存，累加标志位自加；判断累加标志位是否累加到1024次；如果前端单片机累加标志位不为1024次，则继续进行A/D采样；如果前端单片机累加标志位为1024次，将累加的值，通过SPI传送给后端的单片机进行数据的处理，并清除标志位。
如图3所示，开机后端单片机进行时钟、液晶、键盘初始化和参数设置；再进行SPI初始化，打开SPI接收中断；主程序判断SPI是否接收到数据，并将数据进行累计缓存，设置标志位；进行键盘扫描，进行相应的键盘处理程序；判断数据标志位是否置位，如果置位进行数据的LCD显示。

3、测试结果与分析

3.1 放大电路线性测试

本设计共有5路放大电路，分别是1000倍、100倍、10倍、1倍、0.1倍。放大电路的线性测试条件：输入电磁铁电压(代表磁场值)信号，线性化放大曲线图如表1所示：
从测试结果可以得出，线性化放大电路满足设计要求。

3.2 磁通计标定测试

测试条件：标准的磁通计标定设备CB4伏秒发生器,测试结果如下表2所示：
从测量结果可以看出，该仪器的精度在3%范围内。

3.3 分辨率测试

根据实际测量，只要感应线圈中有0.1mV的电压变化，仪器便能准确测量出磁通量值的大小,可知仪器的分辨率为0.1mV。信号的测量范围为0.1mV～50V。

3.4 漂移测试

当探测线圈中没有磁通量变化（即感应电压值为零）的情况下，A/D采样值为零，液晶显示值不发生变化；当探测线圈中磁通量发生变化(即感应电压不为零)时，液晶能准确显示变化的值。
综上所述，数字磁通计具有线性好、无零点漂移、精度为3%、分辨率为0.1mV、多量程切换等功能。因此可以用于实际磁性材料的生产和测试当中。
参考文献
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张昌俊,彭黎辉,张宝芬.模拟

源于：查抄袭率职称论文www.udooo.com

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