1、硬件總體設(shè)計(jì)
無線渦輪流量計(jì)主體采用單片機(jī)作為處理和控制核心，連接脈沖信號處理電路、RS-232通信、存儲器、無線通信模塊、繼電器驅(qū)動電路和液晶顯示屏。ARM單片機(jī)通過處理渦輪傳感器輸出的脈沖信號計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量，并發(fā)送到顯示屏和無線通信模塊，利用無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。存儲元件選擇EEPROM和FLASH，EEPROM用于保存設(shè)置的參數(shù)，F(xiàn)LASH用于存儲一段時(shí)間內(nèi)渦輪流量計(jì)狀態(tài)數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)。繼電器驅(qū)動電路用于驅(qū)動繼電器，從而控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)。RS-232則用于該系統(tǒng)的調(diào)試。
2、單片機(jī)的選擇
系統(tǒng)選用低功耗高性能的 stm32f103cbt6 單片機(jī)作為處理核心。stm32f103cbt6 包含128K字節(jié)的可重擦寫閃存、20K字節(jié)的內(nèi)部SRAM、32個通用I/O口、3個16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個12位ADC、3個US-ART接口、2個SPI接口。設(shè)計(jì)中用使用1個定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)算累積流量，1個ADC通道計(jì)算瞬時(shí)流量，2個USART接口分別用于RS-232 通信以及與4G模塊的通信，1個SPI接口用于給顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)，還使用了若干通用I/O口控制4G模塊的開關(guān)機(jī)等。
3、電源電路
整個硬件電路需要提供5V、3.3V、3.8V電壓，分別供給繼電器驅(qū)動電路、ARM單片機(jī)和液晶顯示屏、4G通信模塊。4G模塊的功耗較大，電流峰值最大為2A，而其他電路所需供電電流只有幾十毫安，所以設(shè)計(jì)供電電流為2.5A。硬件電路采用9～30V外部供電和鋰電池供電兩種供電方式，先將電壓轉(zhuǎn)換成5V，然后利用不同的LDO芯片，將電壓分別轉(zhuǎn)換成3.3V 和3.8V。
4、脈沖信號處理電路
渦輪傳感器輸出的脈沖信號不能被立即使用，需要經(jīng)過濾波、放大、限幅、整型等處理。脈沖信號處理電路，其中接頭CH1連接渦輪傳感器的信號線與地線，Sensor-Pluse 端連接ARM單片機(jī)的定時(shí)器。脈沖信號首先要濾波處理，這里直接使用0.01μF的電容濾波; 然后采用軌對軌運(yùn)放將信號最大放大到500倍，使脈沖信號高電平被限制在運(yùn)放的輸出電壓;最后經(jīng)過比較器整形后得到高電平為3.3V、低電平為0V的矩形脈沖信號。開啟定時(shí)器輸入捕獲模式，ARM單片機(jī)就能捕獲每一個脈沖，再利用周期法測量脈沖的頻率。
5、無線通信設(shè)計(jì)
無線通信模塊選用移遠(yuǎn)公司的EC200T-CN模塊。該模塊包含了三大運(yùn)營商的七種網(wǎng)絡(luò)制式，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況隨時(shí)切換成2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)。模塊與控制器采用高速UART或USB2.0通信，具有SIM卡自動檢測、低功耗等特點(diǎn)。在開啟ARM單片機(jī)之后才能啟動4G通信模塊，通過ARM單片機(jī)IO口控制4G通信模塊是否供電、開關(guān)機(jī)、復(fù)位等。ARM單片機(jī)與4G通信模塊通過UART通信，但是由于ARM單片機(jī)系統(tǒng)電壓為3.3V，EC200T-CN模塊系統(tǒng)電壓為3.8V，需要電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
EC200T-CN模塊預(yù)留了一些IO口，配合相應(yīng)的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)讀取SIM卡信息、控制LED燈、連接射頻天線、USB通信。SIM卡信息用于網(wǎng)絡(luò)連接;LED燈用于判斷網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài); 射頻天線用于實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)(射頻天線與硬件電路要求阻抗匹配);為便于EC200T-CN模塊的固件升級，預(yù)留了USB接口。
