（控制科学与工程专业论文）基于msp430f149的电磁流量计系统的设计.pdf

摘要 摘要 电磁流量计是基于电磁感应定律的速度式流量计。本文在分析国内外电磁 流量计发展现状和趋势的基础上，提出了基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的智能电磁流 量计系统的设计思路，并在此基础上研制了智能电磁流量计设计的硬件系统和 软件系统模块。 在硬件设计中，本文对励磁技术、a d 转换、键盘控制、l c d 液晶显示、电 源管理系统及系统抗干扰等几个方面做了重点研究，提出了一些注意点，设计 了相关的硬件电路，并制作完成了相应的p c b 板。 在软件设计中，对于设计过程中所涉及到的具体问题，采用模块化程序设 计方式，详细给出了各软件功能模块的设计方法，并设计出了a d 采样控制子程 序、输入数据处理与流量计算子程序、键盘管理及l c d 的液晶显示等模块化程 序，提高了系统的实时性，可靠性和精度。 关键词：电磁流量计，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，l c d a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r , w h i c hi sb a s e do i lf a r a d a y si n d u c t i o nl a w i sa v e l o c i t y t y p ef l o w m e t e r o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d o ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rt e c h n o l o g yi nd o m e s t i ca n da b r o a d ，t h ed e s i g ni d e a o ft h ei n t e l l i g e n te l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rb a s e do nt h em s p 4 3 0 f 14 9a r ep u t f o r w a r d ，o nt h i sb a s i s ，t h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mo fm i c r o p r o c e s s o r b a s e dt h ei n t e l l i g e n te l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e ra r ed e v e l o p e d i nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，t h es y s t e m sc i r c u i t sa r ed e v e l o p e di n d e t a i l t h es y s t e mi n c l u d e st h em a i nc o n t r o lc i t e u i t , t h ea n a l y s i so ft h ee x c i t a t i o n w a v es y s t e m ，t h ea n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t ，t h ek e y b o a r dm a n a g e m e n tc i r c u i t ， t h el c d d i s p l a yc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，t h es y s t e ma n t i - i n t e r f e r e n c ec i r c u i ta n ds o0 1 1 a l s ot h ep o i n t sw h i c ha r ep a ya t t e n t i o nt oa r eg i v e n 。a n dw ea l s od e s i g nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e rh a r d w a r ec i r c u i t , a n df i n i s ht h ec o r r e s p o n d i n gp c b i nt h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sa p p e a ri nt h e p r o c e s s e so f t h ed e s i g n ，w ea d o p tt h em o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o d ，a n dm a k ef u l lu s e o ft h ef u n c t i o n sw h a tt h es y s t e mo ft h ec p uo f f e r s a sar e s u l t ，t h ef o l l o w i n g s u b r o u t i n e sa l ep r o g r a m m e d ：a ds a m p l e ，t h ef l u xc o m p u t eb o t hi ni n p u ta n do u t p u t ， t h ek e y b o a r dm a n a g e m e n t ，a n dt h el c dd i s p l a y i nt h i s w a y ，t h er e a l - t i m e p e r f o r m a n c e ，s e c u r i t y ，a n dp r e c i s i o no ft h es y s t e ma r eg r e a t l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o w m e t e r ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，l c d i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 琢绎筝 多by 年雩月p 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者躲旅务华 汕国年3 月p 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 电磁流量计的综述 电磁流量计是用来测量导电性液体体积流量的仪表，随着电子技术的发展， 它得到了迅速的发展。上世纪5 0 年代初，电磁流量计就己实现了工业化应用， 成为首先进入成熟应用的新一代仪表，近年来世界范围约占工业流量仪表的5 ， 占国内市场的5 。它可在多种流型下进行流体流量测量。与其他流量测量仪表 相比，电磁流量计具有一些突出的优点。例如，无可动部件、无阻碍被介质流 动的节流部件、对被测流体的流动不产生附加压力损失，而仅有这管段的沿程 阻力。它必须测量有导电性的介质的流量，而不受其温度、粘度、密度、压力 等物理参数的影响：无机械惯性，反映灵敏，可测瞬时脉动流量；直线性好， 测量准确度高，测量范围宽，耐腐蚀性能强等等，因此在众多的流量仪表中， 电磁流量计成为发展最快的流量仪表之一。其应用己遍及农业、国防、科研各 部门。可以预料，在今后工农业生产高度自动化、高度信息化的发展中，在迫 切需要节能和保护环境的情况下，电磁流量计将会有更好更快的发展。 1 1 1 电磁流量计的发展历史u 卫1 电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律而研制成的，它经过的发展历史如 下所述： 1 8 3 1 年，法拉第发现电磁感应定律，1 8 3 2 年，法拉第在英国泰晤士河滑铁 卢桥两头放下两根电极，想利用地磁场以河水作为导体来测量河水的流量。由 于当时测出来的感应信号全是干扰信号，不能反映出河水的流量，所以实验并 未获得成功。后来人们分析在实验失败的原因后认为，感应信号的失真不仅是 因为受到电化学极化作用和热电效应的影响，最主要的原因是当时测量技术十 分落后。这是世界上最早利用电磁感应原理测量流量的实验，从此揭开了电磁 流量计研究的序幕。 1 8 5 1 年，w o l l s a t o n 等人利用电磁感应法测量英吉利海峡潮汐实验成功。 1 9 1 7 年，史密斯和斯皮雷安曾将电磁感应原理用于制造船舶测速仪，并且 应用交流磁场来消除极化作用。 第1 章绪论 1 9 3 0 年，威廉斯等人第一次用数学的方法分析圆管内流速分布对测量的影 响，提出了以管中心轴为对称的流速分布不影响电磁流量计测量精度的理论， 同时也解释了电磁流量检测中可能产生干扰的一些原因。自此以后，人们有了 比较系统的电磁流量计理论基础。但他们的研究大多属于理论分析，还不能做 出有实用价值的电磁流量检测仪器。尽管他的分析在数学上有错误，但从此以 后有了电磁流量计的基础理论。 1 9 3 2 年以后，生物学家柯林等人根据法布伦的建议，成功地制成了可用来 测量和记录瞬时动脉血液流量圆形管道的电磁流量计。不过，当时的电磁流量 计只能作为实验室专用仪器，并没有得到广泛应用。 第二次世界大战以后，原子能工业有了迅猛的发展，因而测量液态金属的 永磁流量计才得以发展起来，并在这些特殊工业的试验和生产中得到应用。但 是，由于当时电子技术还没有得到相应的发展，因此它的使用领域还不能扩大 到一般的工业中去。 1 9 5 1 年，荷兰人首先在挖泥船上采用电磁流量计测量泥浆流量。后来，电 磁流量计在美国一般工业中得到应用。 1 9 5 5 年，日本研制成功电磁流量计，并不断进行推广应用。 到了五十年代后期，由于电子工业的飞速发展，工业自动化程度的不断提 高，尤其是电子计算机和程序控制系统在工业上的应用，电磁流量计进入高速 发展时期。1 9 7 0 年，德国k r o h n e 公司和荷兰a l t o m e t e r 公司的d r k a r lb o n l i g 、 f h o f m a n 首先研制成功单极性矩形波励磁电磁流量计，并投入工业应用。7 0 年 代中期，工业发达国家纷纷研制成功双极性低频矩形波电磁流量计，从而开始 了低频矩形波电磁流量计的工业应用时代。 19 8 2 年，上海工业自动化仪表研究所成功地研制了单极性低频矩形波励磁 电磁流量计，标志了我国电磁流量计也进入低频矩形波励磁技术的时代。 1 9 8 3 年，国外多家公司均研制成功三值低频矩形波电磁流量计。三值低频 矩形波励磁技术最大特点是实现在零状态时校正零点，因而具有更优良的零点 稳定性，利用微处理器的逻辑判断功能和运算功能可解决尖峰状干扰电势的影 响，但降低了电磁流量计响应速度。1 9 8 8 年，东北工学院和河南开封仪表厂合 作研制成功三值低频矩形波励磁电磁流量计，使我国电磁流量计生产技术跨上 新的台阶。 1 9 8 8 年7 月，为了克服三值低频矩形波励磁技术不能兼顾消除低频尖峰噪 2 第1 章绪论 声、流体流动噪声和保持零点稳定性的矛盾，日本横河北辰电机株式会社提出 双频矩形波励磁技术以解决泥浆、纸浆、矿浆等液固两相导电性流体和低导电 率流体流量测量。日本横河北辰电机株式会社首先推出了双频矩形波励磁电磁 流量计。同年10 月，武汉水利电力学院进行对双频矩形波励磁技术进行跟踪研 究，并于1 9 9 0 年初取得多项研究成果。 1 9 8 9 年，上海光华仪表厂和德国k r o h n e 公司及荷兰a l t o m e t e r 公司共同投资 建设的合资企业上海光华爱而美特仪器有限公司投产，生产m t 9 0 0 f 系列、 3 0 0 e x 系列低频矩形波励磁电磁流量计，通过引进吸收和消化使我国电磁流量计 整体生产技术达到国外发达国家8 0 年代初的水平。 1 9 9 2 年，德国f i s c h e r + p o r t e rg m b h 在展览会上展出了称为p a r t i m a g 的非满 管电磁流量计。1 9 9 5 年7 月，日本“9 5 水道展 上，爱知时计电机公司和东芝公 司也分别展示了其非满管电磁流量计。 1 9 9 0 年以后，在技术原理上电磁流量计无重大突破，研究方向多转入多电 极方向。1 9 9 6 年，b h o m e r 等人研制出了工业用非轴对称流量测量的多电极电磁 流量计。同年，我国清华大学的张小章提出了基于流动电磁测量理论的流场重 建理论。 2 0 0 2 年，北京佛利蒙特自动化工程有限公司推出的f 2 系列电磁流量计传感 器，该传感器实现了管道式与插入式的统一，突破了管道式电磁流量计精度高 检修难，插入式电磁流量计检修方便精度低，人们往往只能二者取其一的限制。 它的优点是可以在线、带压安装和方便地进行电极检修，解决传统电磁流量计 传感器电极污染后的检修问题。 总之，电磁流量计的发展经历了漫长的历史。可以预见，微电子技术的发 展和新型电子器件的不断问世，将为电磁流量计性能的提高奠定了坚实的技术 基础。 1 1 2 电磁流量计的优缺点口5 1 与其它流量测量仪表相比，电磁流量计具有以下突出的优点。 ( 1 ) 结构简单，无活动部件和阻碍被测介质流动的扰动件或节流件。所以当 流体通过时不会引起任何附加的压力损失，节约能源、降低消耗；同时也不会 引起诸如磨损、堵塞等问题，特别适用于测量带有固体颗粒的矿浆，污水等液 固两相流体，以及各种粘性较大的浆液等。 第1 章绪论 ( 2 ) 内衬材料的耐化学反应性能，通过选择耐腐蚀绝缘衬里和耐腐蚀电极， 就可用于各种腐蚀性介质的测量。 ( 3 ) 电磁流量计是一种测量体积流量的仪表，其测量不受流体的密度，温度、 压力、粘度、雷诺数以及在一定范围内电导率的变化的影响电磁流量计只需用 水作为实验介质进行标定，而不需要作附加修正就可用来测量其它导电性液体。 这是其它流量计所不具备的优点。 ( 4 ) 量程比大。同一口径传感器，满量程流速在0 3 1 5 m s 范围内任意设定。 电磁流量计的测量范围可涵盖紊流和层流状态两种速度分布状态，这是差压式 流量计、涡轮式、涡街等流量计也不能与之相比拟的。 ( 5 ) 线性测量。测量准确度高，而且完全电信号输出，无机械惯性，反映灵 敏，可测脉动流量和快速累积总量。 ( 6 ) 原理上是测量过水断面的平均流速，信号按权重分布而积分，对流速分 布的要求较低。因此，传感器前后的直管段要求比其它流量计短。 ( 7 ) 在恶劣环境下的高精度。如传感器可以长期潜水工作。 ( 8 ) 双向流量测量。在分别测量双向流量时，电磁流量计具备相同的测量精 度，前提条件是双向都有足够长的无干扰入口引导管。 电磁流量计具有众多独特的优点，但它仍有一些不足之处，以至限制了其 应用领域的进一步扩大，主要有如下几点： ( 1 ) 电磁流量计不能用于测量气体、蒸汽以及含有大量气体的液体。 ( 2 ) 电磁流量计目前还不能用来测量导电率很低的液体介质，它的使用范围 受到最小电导率的限制，被测液体介质的电导率一般规定在0 0 5 届e m - - 5 0 届c m 范围内变化，相当于蒸馏水的电导率。且无法测量石油制品或者有机溶 剂的流量。 ( 3 ) 1 主i 于测量管绝缘衬里材料受温度的限制，目前工业电磁流量计还不能测 量高温高压流体。 ( 4 ) 电磁流量计受流速分布影响。在轴对称分布的条件下，流量信号与平均 流速成正比。所以电磁流量计前后也必须有一定长度的前后直管段。 ( 5 ) 电磁流量计易受外界电磁干扰的影响。为避免电磁干扰，变送器与转换 器之间必须要屏蔽干扰。口3 1 2 电磁流量计目前存在的问题p 卅 4 第1 章绪论 经过多年的技术探索和产品开发，世界各国在电磁流量检测仪表开发方面 虽然已取得了一定的成绩，但是还存在着一定的问题。主要表现在： 1 智能性差。电磁流量计一般只有信号放大、转换、积算、记忆保存及显 示等基本功能，而缺少正反向流量检测、空管检测等功能。此外，电磁流量计 的励磁模块较少采用开关式恒流源，多数采用模拟式恒流源，效率低。这种恒 流源的线圈电阻适应范围不够大，往往需要很大的散热器才能正常工作。 2 测量性能和灵敏度低。对传感器流量信号的转换精度不高，且多数缺乏 小信号切除、非线性补偿以及数字滤波等高级信号处理能力，从而影响了流量 检测精度。 3 可靠性不高。在系统设计上电磁流量计存在较多的信息转换环节，因此 增加了信号处理的中间环节和信号之间的连线，易引入干扰信号，从而影响系 统的检测精度和抗干扰能力。另外，还没有采用有效的软硬件容错、隔离等抗 干扰措施。 4 数字化程度不够。电磁流量计一般采用模拟电流或电压信号传输，这种 方式的缺点在于量程范围小、线形失真大、分辨率低、传播距离较短，传递容 量小、抗震动性能差、且后续处理复杂，所以并不能适应对精密测量的要求。 5 系统开放性差。目前的电磁流量计的转换器多由分离式模拟器件构成， 从而使仪表的结构、功能等的扩充和使用维护变得困难；在软件中采用过程化 软件设计思想，其可读性和扩展性较差。网络通讯接口一般只配置r s 2 3 2 或 r s - 4 8 5 串行接口，所以电磁流量计的组网和通讯能力差。 1 3 国内外研究现状 针对于以上出现的问题，本文认真对国内外面前电磁流量计的研究现状进 行了一些调查和相关的研究，可从如下的两个方面进行讨论。 一、技术发展现状 在科学技术飞速发展的今天，世界各国的流量计生产厂家都努力将最新科 技应用到产品的设计中，以提高产品的性能，扩大产品的使用范围。具体表现 在如下几个方面： 1 在仪表智能性的提高方面。仪表的智能性主要是指功能上的智能性。近 年来，各流量计生产厂家不断将新型微处理器应用于其产品中，使电磁流量计 第1 章绪论 具备了通过软件控制整个工作过程的能力。因此，空管检测、正反向流量测量、 非线性补偿、数字滤波、零点自校准等新功能相继出现在各电磁流量计生产厂 家的产品中。此外，各电磁流量计生产厂家还在不断地改进电磁流量传感器的 设计，以达到提高电磁流量计智能水平的目的。目前，f i s c h e r & p o r t e r 、爱知时 计电机、东芝、跏l l i l e 等公司己相继向世人展示或推出了非满管电磁流量计。 该电磁流量计突破了传统电磁流量计只能准确测量满管流量的限制，实现了电 磁流量检测技术的重大飞跃。在已推向市场的非满管电磁流量计中，e 公 司产品的测量误差 v o 图2 3 直流励磁示意图 t ( s ) 如图2 3 所示。直流励磁技术是利用永磁体或者直流电源给电磁流量传感器 励磁绕组供电，以形成恒定的励磁磁场，具有方法简单可靠、受工频干扰影响 小以及流体中的自感现象可以忽略不计等特点。但是，直流励磁技术的最大问 题是直流感应电动势在两电极表面上形成固定的正负极性，会引起被测流体介 质电解，导致电极表面极化现象，使感生的流量信号电势减弱，电极问等效电 阻增大，同时出现电极极化电势漂移，严重影响信号处理部分的工作。即使电 1 7 第2 章电磁流量计的基本原理及关键技术的分析 极采用极化电势很小的铂、金等贵金属及其合金材料，常常也存在微弱的极化 电势，同时仪表的制造成本较高。另外，直流励磁在电极间还会产生波动的电 化学干扰电势，此电动势信号叠加在直流流量信号中很难消除，并随着时间的 变化、流体介质特性以及流体流动状态而变化。此外，直流放大器的零点漂移、 噪声和稳定性问题难以获得很好的解决。特别是在小流量测量时，信号放大器 的直流稳定度必须在几分之一微伏之内，这样就限制了直流励磁技术的应用范 围。目前直流励磁技术仅在原子能工业中用于导电率极高，而又不产生极化效 应的液态金属流量测量中。 ( 2 ) 工频正弦波励磁： jl - o八八 uu t c $ 7 图2 4 工频正弦波励磁示意图 工频正弦波励磁技术是利用工频5 0 h z 的正弦波电源给电磁流量传感器励磁 绕组供电。其主要特点是能够基本消除电极表面的极化现象，降低电极电化学 电势的影响和传感器的内阻。另外采用工频正弦波励磁技术，其传感器输出流 量信号仍然是工频正弦波信号，易于信号放大处理，而且能够避免直流放大器 存在的实际困难，励磁电源简单方便。如图2 4 所示。 但是，工频正弦波励磁技术的采用会带来一系列电磁感应干扰和噪声。首 先，电磁感应产生的正交干扰( 又称为变压器效应) ，其干扰幅值与频率成正比， 相位比流量信号滞后9 0 度，而且实际中又远远大于流量信号，因此如何克服正 交干扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。其次，工频正弦波供电电源 存在电源电压幅值和频率波动的影响，产生供电电源性干扰。此外，存在电磁 感应的涡流效应、静电感应的分布电容、杂散电流产生同相干扰，且此干扰电 1 8 第2 章电磁流量计的基本原理及关键技术的分析 势的频率和工频完全一致，并叠加在流量信号之中难以消除，以致电磁流量计 零点不稳定。虽然可以采用相敏整流、严格的电磁屏蔽和线路补偿、电源补偿、 自动正交抑制系统等技术措施以消除与流量信号频率一致的工频干扰电压，但 由于正交电势的幅值比流量信号电势幅值大几个数量级，正交抑制系统等抗干 扰技术措施的任何不完善，都可能引起一部分正交电势转化为同相干扰电势， 导致电磁流量计零点不稳定，精度难以提高。 ( 3 ) 低频矩形波励磁 j v o 厂 厂 r r t ji v o r i 图2 5 低频矩形波励磁示意图 矩形波励磁技术弥补了直流励磁技术和工频正弦波励磁技术的缺点，除此 之外，它能避免直流放大器零点漂移、噪声、稳定性等问题的优点，具有较好 的抗干扰性能，所以矩形波励磁技术在电磁流量计中应用的比较广泛。如图2 5 所示。 ( 4 ) 低频三值矩形波励磁 j v o 厂。 s ) 图2 6 低频三值矩形波励磁示意图 1 9 第2 章电磁流量计的基本原理及关键技术的分析 低频三值矩形波励磁技术采用了工频频率的八分之一为周期，采用正、零、 负、零、正的循环规律变化的励磁波形，如图2 6 所示。此项励磁技术的最大特 点是能够通过零值励磁时进行动态零点校正，进一步提高了零点稳定性。另外， 通过一个周期内的四次采样值，近似认为极化电势恒定，加上运用微处理器数 值运算就可以消除极化电势的影响。 ( 5 ) 双频矩形波励磁 s ) 图2 7 双频矩形波励磁示意图 低频三值矩形波励磁技术虽然具有优良的零点稳定性，但在测量泥浆、纸 浆等含纤维和固体颗粒的液固两相导电性流体流量时，固体颗粒擦过电极表面 导致电极的接触电势变化，电磁流量传感器输出信号会出现尖峰状脉冲；在测 量低导电率流体流量时，电极的电化学电势定期变动，产生幅值随频率成反比 的噪声( 即1 噪声) ，导致低频矩形波励磁电磁流量计输出摇摆，两者分别称为泥 浆干扰和流动噪声。 综合上述分析，要保证电磁流量计的零点稳定性，能较准确地测量液固两 相导电性流体和低电导率流体的流量，进一步降低励磁功耗和实现传感器小型 轻量一体化，最好采用较高频率的矩形波励磁，牺牲电磁流量计的零点稳定性。 为了解决零点稳定性和响应速度、抗干扰能力这一突出矛盾，最佳方案是采用 双频矩形波励磁的方法，如图2 7 所示，这样电磁流量计既具有低频矩形波励磁 的零点稳定性较好，又具有高频矩形波励磁降低泥浆干扰和流动噪声的数量级， 获得仪表的快速响应速度，同时也进一步降低励磁功耗，提高电磁流量传感器 输出信号的信噪比。 第2 章电磁流量计的基本原理及关键技术的分析 2 2 2 输入输出数据处理方法哺1 由于流量仪表采集到的数据与实际流量值间只有线性的对应关系，它们的 单位并不相同，流量仪表不能将采集到的数据直接作瞬时流量数据使用，必须 对其进行必要的转化。此模块就是用来将采集到的数据转化为流量数据，其流 程如图2 8 所示。由于外界随机干扰的影响，系统采集到的数据有时也会随机偏 离实际的流量值。为了得到准确的数据，系统对数据进行处理前采用了数字滤 波来滤除干扰的影响。此外，为了消除测量信号与实际流量值间非线性误差的 影响，我们对采集到的数据实施了非线性补偿。 图2 8 流量转化流程图 1 小信号切除处理 在流量计的实际计量过程中，往往存在以下现象：在无流速时，外界振动 等信号容易作用于传感器，引入“误流量”信号，这种信号低于仪表的计量下 限，但也被累积。而在流体正常流过时，这种弱信号被淹没，并不影响计量。 为了避免“误流量 信号的出现，我们在低于下限范围内设置“切除信号。 当测量信号低于该信号时，认为是“误流量 信号，瞬时流量应当零处理，累 2 l 第2 章电磁流量计的基本原理及关键技术的分析 积流量不累积；当引入信号高于该信号时，才被认为是正常流量信号。 图2 8 中有一部分小信号切除子流程图，取一个接近零的常数k ，当流速的绝 对值小于k 值时，把它当作零处理；反之，取当前流速的绝对值。也即流速的下 限值就是k 。 2 滤波处理 数字滤波实际上是一种程序滤波。它通过一定的计算程序，减少干扰在有 用信号中的比重。与常规的硬件模拟滤波器相比，有以下几个优点： ( 1 ) 因为用程序滤波，无需硬件设备，且可多通道共享一个滤波器； ( 2 ) 由于不用硬件设备，各回路间不存在阻抗匹配等问题，故可靠性高， 稳定性好； ( 3 ) 可以对频率很低的信号滤波，克服了模拟信号滤波的缺陷。且可根据 需要选择不同的滤波方式，或改变滤波器的参数。因此数字滤波得到了广泛利 用。 数字滤波主要有以下几种方法： ( 1 ) 程序判断滤波 当采样信号由于随机干扰、误检测或变送器不稳定引起严重失真时，可采 用程序判断滤波。程序判断滤波是根据生产经验，确定出两次连续采样输入信 号可能出现的最大偏差，若超过此偏差值，认为是虚假的干扰信号应该去掉， 否则保留该采样值。基本程序是比较判断，其中还可分为限幅和限速两种方法。 ( 2 ) 中值滤波 中值滤波是对连续采样输入的三个信号进行比较后取中间值。设三次采样 输入分别为y l ，y 2 ，y ，若y 。- gy 2 观 一 蓦塑 当一 砸器蔓蜊 第3 章系统硬件设计 ( 1 ) 数字地与模拟地分开。线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它 们尽量分开，且两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线 性电路的接地面积。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难 时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗， 高频元件周围尽量大面积地覆铜。 ( 2 ) 接地线应尽量加粗。如果接地线采用很细的线条，则接地电位就会随着 电流的变化而变化，使得抗噪性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通 过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在2 - - 3 m m 以上。 ( 3 ) 接地线构成闭合环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成环 路大多能提高抗噪声能力。 3 布局和布线 布局与布线是p c b 设计的重要步骤，布局与布线的好坏对p c b 的电磁兼容 性影响是非常大的。所以在布局与布线前就应考虑到电磁兼容性问题。数字电 路、模拟电路以及电源电路的元件的布局和布线特点各不相同，它们产生的干 扰以及抑制干扰的方法也不相同。此外高频、低频电路由于频率不同，其干扰 以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时，应该将数字电路、模拟电 路以及电源电路分别放置，将高频电路与低频电路分开。条件允许的情况下应 使之各自隔离或单独做成一块电路板。此外，布局中还应特别注意强、弱信号 的器件分布及信号传输方向、途径等问题。时钟发生器、晶振和c p u 的时钟输 入端都易产生噪声，、要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流 电路等应尽量远离逻辑电路。 本系统设计采用了双层布线的方式，上层垂直布线，下层水平布线。p c b 采用手工排布，特别在数据总线和地址总线布线方面，这样提高了系统的性能。 高速晶体要尽量靠近单片机，且布线要较粗。同时p c b 板上的线宽不要突变， 导线不要突然拐角。尽量做到线路流畅。尽量减少平行线间的串扰，必要时可 增加印刷线条间的距离；或在走线之间有意识地安插一根零伏线，作为线条之 间的隔离。对于在p c b 板上单片机、a d 转换器等贴片元件的引脚线非常纤细， 同时在板子上留下专门的测试点，为测试方便，可以将一些重要的引脚用引线 引到该点上。 总的来说，在电磁流量计信号转换器印刷版的过程中，应充分考虑系统的 电磁兼容性等抗干扰措施，以具有好的电磁兼容性为目标，来确定系统的结构 第3 章系统硬件设计 设计。且以元件的位置、电源电压，模拟信号处理、数字电路来分组。在电路 设计及结构设计中要充分考虑这些因素，从目前的测试的情况来看系统具有较 好的测量精度，达到预计的要求。 3 8 本章小结 本章详细的介绍了一种基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的电磁流量计转换器的电 路设计。系统的硬件电路主要包括：a d 转换电路、单片机系统电路、键盘接口 电路、l c d 接口电路、以及一些必要的对外接口电路、过电流保护电路、铁电 存储器电路和电源模块电路等。在本章的末尾部分还讨论了电磁兼容等抗干扰 措施在硬件电路中的一些实现方法。 4 5 第4 章系统软件设计 第4 章系统软件设计 4 1m s p 4 3 0 型单片机的开发平台 目前，支持m s p 4 3 0 型单片机的开发调试环境比较多，有i a r e m b e d d e d w o r k b e n c h 、a q 4 3 0 以及m s p g c c 等。本系统设计采用了应用的比较广泛的i a r 公司的集成开发环境：i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式工作平台以及调试器 c s p y 。 4 1 1m s p 4 3 0 型单片机的开发调试环境3 i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 是一种用于开发应用各种不同的目标处理器的灵 活的集成环境。它提供一个方便的窗口界面用于迅速的开发和调试。嵌入式 w o r k b e n c h 支持多种不同的目标处理器，并为每一种目标处理器提供工具，用户 用不同的目标处理器开发的工程可以在工程的基础上逐个规定目标工程，也就 是说它是使用项目模式来组织应用程序的。 它所提供的工具包括：快速编译器、高效的连接器、突出语法显示文本的编 辑器、函数管理器、自动的m a k e 工具以及一个可选的调试器c s p y 。 它具备了以下的特性： 支持w i n d o w s 操作系统； 分层的项目表示； 集成所有的工具( 编译、连接等) ，方便使用； 直观的用户界面； 具备超文本风格的帮助。 该开发环境附带的编辑器也具备了以下特性： 可以同时编辑汇编和c 语言源文件； 汇编程序和c 语言程序的句法用文本格式和颜色区别显示； 具有查找和替换功能，能够非常方便地对程序进行编辑； 从出错列表可以直接跳转到出错的相关文件的相关语句； 能够检查括号是否匹配； 能够实现程序的缩进，使程序具有良好的代码风格； 可以对所有文件或某几个文件设置单独的选项； 第4 章系统软件设计 可以对每个窗口进行多级取消与恢复等编辑； 调试器c s p y 具备以下特性： w i n d o w s 风格的可视化界面； 能够对于c 语言或者汇编语言进行调试； 能够进行软硬件仿真； 能都设定断点，进行单步运行； 支持多种单步运行方式； 可以查看寄存器和内存的值。 4 1 2 开发工具与开发方法髓田 利用i a r 公司的w o r k b e n c h 和c s p y 工具编译并直接下载至片内f l a s h 内 存，脱机运行，整个用户界面友好。调试过程中可以在上层软件中看到各寄存 器的内容，并在线修改，支持单步运行，在线观察定义的各个变量实时值，采 用把所有相关文件放入一个项目中的组织方式编译运行时，软件会自动将文件 按内在联系自动组合在一起。支持汇编和c 语言的编程，追求效率的用户可选择 只有2 7 条精简指令的汇编语言直接实现对寄存器的控制，一般的用户可以选择c 编程。本系统设计也是如此。i a r 的c 具有如下特点： 与a n s i 的规格一致； 有可应用于嵌入式系统的标准函数库； 有可选用的源代码，且用户代码可与汇编子程序连接； 快速编译性能、代码的优化、灵活的变量分配和可移植性； 能易于理解的出错和警告信息。 这些特性都将大大缩短软件开发周期，降低开发难度，因此可以说m s p 4 3 0 的软件使用是相当简洁、方便、高效的。 m s p 4 3 0 的开发工具非常简单。m s p 4 3 0 的内部集成了遵循边界扫描故障诊 断协议的电路，通常称之为j t a g 。芯片内部j t a g 对外的端口称为j t a g 端口， 该端口是一个双向串行端口。通过它可以控制m s p 4 3 0 系列单片机的运行、读写 内部寄存器的值以及刷新f l a s h 的内容。因此，将j t a g 电路集成到c p u 的内部 就相当于将仿真器集成到了c p u 的内部，只需要一个接口电路，将j t a g 信号转 送到调试终端就行了。 m s p 4 3 0 系列单片机通过j t a g 控制器可以实现程序代码的下载，实现运行控 4 7 第4 章系统软件设计 制和对现场进行观察与修改，这种方法被称为f e t ( f l a s he m u l a t i o nt 0 0 1 ) 调试方 法，通过m s p 4 3 0 芯片的j t a g 接口完成。j t a g 是一种所谓的边界扫描技术标准， 即i e e e l1 4 9 1 ，这是为了在线测试的需要而发展起来的针对芯片及线路板测试的 接口技术。它利用串行移位输入及输出的方式对芯片的输入端加载特定的代码 序列，并获得输出端给出的响应序列。全部j t a g 接口只有很少的几根引脚，具 有方便高效的开发方式，支持在线仿真和编程，所配编译器功能强大，具有 f l a s h 存储器，利用单片机本身具有的j t a g 接口可以在一台p c 机及一个结构小 巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序的在线调试，实时修改片 内寄存器和内存的内容，对使用者来说将大大提高程序的调试效率。 m s p 4 3 0 系列单片机的仿真工具不同于其它单片机的仿真工具，这里对它的 使用做以简单的介绍。本系统软件调试用的是l s d f e t 4 3 0 j t a g 仿真器，它分 为u s b 型仿真器( l s d f e t 4 3 0 u i f ) 和并行接口仿真器( l s d f e t 4 3 0 p i f ) 两种， 并口仿真器适用于具有老式打印机口的台式机和笔记本电脑，u s b 型仿真器适用 于所有具有u s b 接口的台式机和笔记本电脑，u s b 型仿真器的出现不仅填补了目 前很多笔记本无并口，不能使用并口行仿真器进行在线仿真的空白，也大大提 高了在线仿真时下载代码的速度。它是技术的一次进步，也是以后的发展趋势。 l s d f e t 4 3 0 的两款仿真器支持目前t i 的所有f l a s h 型芯片，并口型仿真器无需 装驱动，即插即用。所以u s b 型仿真器使用起来非常方便，且支持热插拔等。对 于并口仿真器来说，具体仿真器p e t 的硬件安装仿真器2 5 p i n 芯电缆线与计算机 并口连接，p c 机并口默认为e c p 或e p p 模式，同时通过1 4 p i n 的扁平芯电缆线或 目标板与仿真器的j a t g l 3 连接。如出现仿真器f e t 连接不正常无法下载调试， 可以重新设置p c 机的c o m s ，使p c 机并口为e p p 或e c p 模式。 4 2 系统主程序设计口们 m s p 4 3 0 系列单片机是一种超低功耗的微处理器，在进行程序设计时，必须 把低功耗的设计方法考虑进去，在运行过程中，c p u 平时处于低功耗模式，当有 中断发生时，唤醒c p u 进行中断处理，处理完成后又进入低功耗模式。 根据所要实现的功能，在本系统软件设计中，采用了模块化的设计方法， 各个模块之间相对独立，每个子程序都能够完成一定的功能，同时在需要时由 主程序进行调用，这就使得整个程序结构清晰明了，便于今后进一步扩展系统 4 8 第4 章系统软件设计 的功能。系统中的多数子程序的调用都采用中断处理方式，使c p u f l 邑够从繁忙的 查询中解放出来，也降低了系统的功耗。 系统的主程序由定时器中断服务子程序、a d 中断子程序、键盘中断服务子 程序、数据处理子程序、铁电存储器子程序以及l c d 显示子程序等模块构成， 同时还要实现对于测量实时数据进行设置和管理，更明确的说主程序是二个菜 单式的服务程序。主程序首先完成初始化工作，然后打开各个中断子程序、读 取存储器、数据处理等，而后进入低功耗模式，直到有中断请求时将从低功耗 模式中唤醒，才会进入活动状态。下面给出主程序的流程图，如图4 1 所示。 图4 1 主程序流程图 4 9 第4 章系统软件设计 4 3 系统初始化m 3 系统初始化主要工作是：清空各工作寄存器，为计数器以及特殊寄存器的 状态标志位赋初值，打开中断，进入休眠状态等待中断的发生。m s p 4 3 0 系列单 片机提供了两个内部复位信号：上电复位信号( p o r ) 和上电清除信号( p u c ) 。当 p o r 或p u c 信号引起设备复位后，系统就进入初始状态。i o 引脚被设置为输入 模式且其标识位清除、外围模块及寄存器实现初始化、状态寄存器复位、看门 狗激活、程序计数器( p c ) 载入o f f f e h 处的地址值，c p u 从此地址开始执行程 序。因此，在微处理器上电后，开始执行控制程序前，必须先对所有i 0 引脚及 其它相关模块和寄存器进行初始化编程，设置为控制系统需要的工作模式。主 要的进行时钟晶振、f o 口、看门狗电路、定时计数器的初始化。系统初始化流 程框图如图4 2 所示。 开始 初始化看门狗 初始化晶振 f 初始化定时器肼数器 初始化各个f o 口 上 初始化外围设备 打开各个中断 图4 2 系统初始化流程框图 在系统初始化过程中，主要涉及以下软件模块： ( 1 ) 看门狗定时器 看门狗定时器( w d t ) 的主要功能是：当程序发生问题时，使系统重新启动。 如果w d t 超过了设定的定时时间，即发生系统复位。同时，它也可以当作定时 器使用，在选定的定时时间到达后将产生中断。它在系统复位时设置为w d t 功 第4 章系统软件设计 能激活状态。 ( 2 ) 基础时钟配置 基础时钟对于低功耗的设计是非常重要的。当发生一次有效的p u c 时，d c o 发生器会选择内部电阻，在低频模式的l f x t l 振荡器来提供，系统主时钟m c l k 和子时钟s m c l k 来自系统内部d c o 。为了配合与微处理器的各外部模块的工作 频率，通过设置振荡器与时钟控制寄存器相应的标志位，选取高速晶体振荡器 工作并提供给系统主时钟m c l k 和子时钟s m c l k ，从而关闭低频振荡器时钟。 ( 3 ) 定时器设置 利用定时器t i m e ra 可以实现精确定时。对定时器及其操作的控制位位于定 时器控制寄存器中。在p o r 信号出现后各位全部自动复位，但是在p u c 信号出现 后不受影响。定时器的时钟源可以来自内部时钟或外部时钟，由控制寄存器中 t a c t l 的高地位来选择。根据系统程序执行周期，选择内部时钟s m c l k 作为时 钟源，并将其8 分频为1 m h z 同时使定时器中断允许。 ( 4 ) i o 口配置 对于本系统设计所选的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机有两类i o 端口：p l 、p 2 和p 3 、 p 4 、p 5 、p 6 。这两类i o 端口每个端口有8 个引脚，且都具备控制i o 方向、输出、 输入的功能。p 1 、p 2 端口除了具有以上几个端口应有的功能外，还具有中断能 力，每一个引脚都可以单独选择中断触发沿、单独允许中断，且8 位全都可以用 于对外部事件的中断处理，此外，这连个端口还具有中断标志位、中断触发沿 的选择和中断允许3 个控制寄存器。所有i o 端口的引脚在p u c 后复位，都置为输 入模式。因此，每次程序开始必须将各个端口的所有引脚相对应的控制寄存器 中按照程序要求进行置位。 4 4 中断服务程序 在主程序中，主要进行各种初始化设置和操作，所有功能的实现都是以中 断形式唤醒单片机执行，而单片机大部分时间处于休眠状态。中断是m s p 4 3 0 单 片机的一大特色，有效地利用中断可以简化程序和提高执行效率。 本系统软件设计部分主要涉及到的中断服务程序主要有3 个，分别是定时器 中断服务程序、a d 中断服务程序和键盘输入中断服务程序。 4 4 1 定时器中断 第4 章系统软件设计 定时中断是定时器最基本的工作应用方式，其功能为，预定一个时间值， 到时间后产生中断。定时器可以用来计时，同样也可以按照一定的频率来执行 某一段程序，如定时信号检测等。运用计数器，随着每次程序循环的次数来修 改定时时间，程序每循环一次，改变一次状态。程序每一个周期循环结束后， c p u 就进入低功耗模式。定时时间到后，触发中断，使c p u 退出低功耗模式，开 始新的循环。由于定时