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ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)主控芯片選型設(shè)計(jì)該系統(tǒng)對(duì)主控芯片要求較高，因此本文選擇 上海上自?xún)x股份生產(chǎn)的ND型交流可逆電動(dòng)機(jī) ARM7 作為微處理器。其型號(hào)為 LPC2136，對(duì)于該芯片而言，首先可以對(duì) 32 位數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，除此之外，它還具有仿真實(shí)時(shí)性以及跟蹤目標(biāo)的特點(diǎn)。其次，該主控芯片內(nèi)部采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，因而該芯片一方面可以高效工作，另一方面所消耗的資源較少。對(duì)于芯片的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)而言，其既具有高速 Flash 存儲(chǔ)器[46]，容量可達(dá)256KB， 32KB 片內(nèi)靜態(tài) RAM 等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足工程需求。CPU 可直接將數(shù)據(jù)通過(guò) SPI 總線與其他芯片進(jìn)行通信，無(wú)需其他輔助芯片。因此選用 LPC2136 在降低成本的同時(shí)可以減小芯片功耗。 3.1.2 ND型交流可逆電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁線圈設(shè)計(jì) 該部分的功能在于能夠產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定的磁場(chǎng)。勵(lì)磁線圈的組成十分簡(jiǎn)單，包括線圈以及磁扼。線圈的分類(lèi)也有諸多參考標(biāo)準(zhǔn)，目前主要有兩種形式，分別是分段繞制與集中繞制。下面對(duì)這兩種方式進(jìn)行詳細(xì)敘述。 1.ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)線圈集中繞制方式 該方式主要通過(guò)"E”型骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)而言，其主要采用集中繞制線圈的方式。通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生能夠產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的磁極。為了保證整體磁場(chǎng)的均勻分布，可以采用中間段參數(shù)略大于測(cè)量管直徑的方法。磁路的長(zhǎng)度通常是指兩個(gè)線圈結(jié)構(gòu)之間的間隙，若要保證磁路長(zhǎng)度的有效性，需要保證磁路長(zhǎng)度大于線圈機(jī)構(gòu)之間的間距，即工作磁阻需要大于漏磁磁阻，這樣一來(lái)可保證磁場(chǎng)的損失率降低。當(dāng)測(cè)量管的直徑增加時(shí)，磁場(chǎng)的利用率會(huì)有一定程度的減小。因此，在選用“E”型結(jié)構(gòu)的同時(shí)選用中小型測(cè)量管徑的電磁流量計(jì)。在整個(gè)過(guò)程中，由于磁滯與渦流效應(yīng)的存在，因此在選用構(gòu)建材料時(shí)通常采用的是矽鋼薄片，該薄片具有高磁導(dǎo)率的特點(diǎn)。 “E”型骨架在工程應(yīng)用中較為突出的問(wèn)題是漏磁率大，因此本文用如圖 3.1 （b）ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，該構(gòu)建在中大型測(cè)量口徑的流量計(jì)中普遍采用。 2.線圈分段繞制方式 ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，該繞制線圈的構(gòu)建通常分為 5 個(gè)部分。鑒于該種情況，通常利用段式繞制線圈來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，一方面可以保證磁場(chǎng)的均勻分布，另一方面可以保證磁場(chǎng)提供的穩(wěn)定性。但是該種方式也會(huì)帶來(lái)成本高以及制造流程復(fù)雜等問(wèn)題。 3.ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)線圈的軸向要求 在第二章中詳細(xì)闡述了渦流噪聲產(chǎn)生的諸多原因，其中勵(lì)磁線圈的軸向長(zhǎng)度限制會(huì)在一定程度上導(dǎo)致電磁場(chǎng)分布不均勻，存在邊緣效應(yīng)等問(wèn)題。針對(duì)該種情況，J.A.Shereliff 提出一種數(shù)學(xué)模型[4]，具體公式如下所示：  在上式中，L 代表軸向長(zhǎng)度，d 則表示管內(nèi)半徑，S 代表靈敏度，該參數(shù)具體是指當(dāng)軸向長(zhǎng)度為 L 時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與 L 趨向于無(wú)限大時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度的商。下圖表示的是當(dāng) L/d 是不同的值時(shí)，所產(chǎn)生的參數(shù)變化曲線。圖中，虛線表示的是磁場(chǎng)出現(xiàn)間斷消失的情況，實(shí)線則代表磁場(chǎng)趨向于變小的趨勢(shì)。 從下圖中可以得到如下結(jié)論：當(dāng)比值為 2.8 或 3 的情況下，磁場(chǎng)靈敏度可以達(dá)到 1。該種情況下靈敏度最佳，磁場(chǎng)分布較為均勻。  3.1.3 ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì) 晶振的選擇對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，選擇正確的晶振一方面可以提高系統(tǒng)的可靠性，另一方面可以降低系統(tǒng)的功耗。本文選擇的 LPC2136 微處理芯片既可以借助外圍電路實(shí)現(xiàn)該模塊的設(shè)計(jì)，也可以利用芯片內(nèi)部的 PLL 電路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。因此，該模塊實(shí)現(xiàn)方式多樣且可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式。本文選擇第一種實(shí)現(xiàn)方式，利用 11.0592MHz 晶振對(duì)時(shí)鐘模塊進(jìn)行構(gòu)建，電路如下圖所示。  3.1.4 ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)檢測(cè)電極設(shè)計(jì) 與接觸式ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)的相比，電容式流量計(jì)的最大差別在于產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方式以及檢出方式不同。鑒于該種情況，檢測(cè)電極的設(shè)計(jì)方式對(duì)于系統(tǒng)而言十分重要。 對(duì)于信號(hào)的檢測(cè)可以利用 Abouelwafa 與 Kendall 所提出的理論[16]，我們可以采用凹型電極耦合方式以提高系統(tǒng)的靈敏度。因此本文選擇該方式制作電極，即基本模型如下圖所示:  為了提高ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)信號(hào)檢測(cè)的靈敏度，同時(shí)降低電極之間的阻抗，本文采用如下圖所示的電路圖來(lái)建立阻抗模型：  如圖 3.5 所示，電極之間的阻抗可表示為:  式中：  在上式中，0ε 代表處于真空中時(shí)的介電常數(shù)；rt rwε 、ε 襯底為絕緣體時(shí)介電常數(shù)以及流體的對(duì)應(yīng)參數(shù)；l 代表軸向長(zhǎng)度；td 代表ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)被測(cè)電極與流體之間的寬度；sd表示電極的厚度；D 為內(nèi)徑。 由上式可知，當(dāng)頻率一定的情況下，增大對(duì)應(yīng)的周長(zhǎng)寬度可以在一定程度上減小阻抗。但隨著極板面積的增大，對(duì)應(yīng)的張角α 相應(yīng)增加，l 相應(yīng)增長(zhǎng)。在第二章中，我們分析可知，隨著檢測(cè)極板面積的增大，渦流效應(yīng)也會(huì)越來(lái)越明顯。 3.1.5 ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì) ND型交流可逆電動(dòng)機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換電路的功能主要在于能夠?qū)鞲衅鞑杉侥M量轉(zhuǎn)化為電路可識(shí)別的數(shù)字量，從而方便后續(xù)電路對(duì)信號(hào)的處理以及計(jì)算。通常在由單片機(jī)構(gòu)建的系統(tǒng)中，該轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)十分有必要，一方面系統(tǒng)需要利用傳感器對(duì)外界模擬量進(jìn)行采集，另一方面后續(xù)電路需要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。A/D 轉(zhuǎn)換器電路如圖 3.5 所示。 本文選擇 LM331 芯片作為搭建 A/D 轉(zhuǎn)換單元的中心部件。該芯片一方面可以利用溫度補(bǔ)償來(lái)減小模擬量的損失，另一方面，低于 4.0V 電源保證了整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程具有很高精度。除此之外，該芯片在保證造價(jià)低廉的前提下保證了低工作頻率以及高線性度等特點(diǎn)，因此在同類(lèi)芯片中具有一定的優(yōu)勢(shì)。 由下圖可知，芯片 LM331 第 2 引腳出有兩個(gè)電阻，分別為 R28,R29，這兩個(gè)電阻的功能主要在于調(diào)節(jié)由 C17,R27 引起的誤差，進(jìn)而保證輸出頻率的準(zhǔn)確性。LM308作為積分器來(lái)使用，其輸出引腳 6 連接在 LM331 的引腳 7 上，其目的在于保證系統(tǒng)周期的穩(wěn)定性。對(duì)于整體電路而言，芯片 LM331 的調(diào)節(jié)作用并不會(huì)影響電路的精度以及穩(wěn)定性，且 LM331 所產(chǎn)生的偏置電流以及電壓都不會(huì)對(duì)電路中的物理量產(chǎn)生影響。因此ND型交流可逆電動(dòng)機(jī)該電路比較適用于小信號(hào)電路。具體特征如下所述： （1）整體電路精確度高，誤差較小(優(yōu)于±0.02%)； （2）電路線性度高(優(yōu)于 0.03%)； （3）電路不易受到溫度的影響(最大±50ppm/℃)； （4）電路安全性較高，并且具有一定的保護(hù)措施。 
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