（检测技术与自动化装置专业论文）低功耗智能涡街流量变送器的设计与研制.pdf

低功耗智能涡街流量变送器的设计与研制 摘要 作为测量精度较高、压力损失较小的新型流量仪表，涡街流量计已广泛应用 于液体、气体和蒸汽的流量测量。近年来对涡街流量计的研究显示，信号频率越 高，强度越大，噪声越小，而低频段的信号，噪声干扰较为严重，所以对信号低 频段的分析是重要的。而在实际应用中仪表将长期工作在无外界电源的环境下， 所以对功耗要求比较高。本论文从这两方面着手，设计了一款低功耗智能涡街流 量计。 软件算法采用变采样点数的f f t 算法，由于单片机计算f f t 耗时较多，故对 于不同频率的信号作不同点数的f f t 运算，以达到精度和实时性的较好结合。所 以针对涡街流量信号的特点，在测定的频率范围内采用变换采样点数的f f t 运算， 并由实时测定和计算出的频率区域确定下次的采样点数。通过数据验证和误差分 析，证明了变换采样点数的f f t 运算可行，加强了流量计的抑制噪声能力，同时 最大限度满足了实时性的要求，从而增加了流量计的性价比。 功耗是仪表设计的重要参数，论文采用t i 公司生产的超低功耗的1 6 位单片 机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为主控制器，单片机对各传感器( 涡街传感器、温度传感器、压 力传感器) 的信号进行采集、分析、计算，并进行补偿。硬件中各部分均采用低 功耗设计，各模块的芯片均选用功耗最低的。并且采用e e p r o m 和日历时钟芯片， 将日历时钟和流体的流量结合在一起，便于流量数据的查询。流量计运算结果存 入e e p r o m ，并通过串口输出，也可选择通过液晶显示。 关键词：交点数采样、f f t 、m s p 4 3 0 f 1 4 9 、低功耗、涡街流量计 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fl o w p o w e ri n t e l l i g e n tv o r t e xf l u x t r a n s m i t t e r a b s t r a c t t h ev o r t e xf l o w m e t e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h el i q u i d ，g a sa n ds t e a mf l o w m e a s u r e m e n tb e c a u s eo fh i g hm e a s u r i n ga c c u r a c ya n ds m a l lp r e s s u r el o s s r e c e n t l y t h e r e s e a r c hf o rv o r t e xf l o w m e t e rd e m o n s t r a t e dt h a ti ft h es i g n a l sf r e q u e n c yi sh i g h e r ， t h ei n t e n s i t yi sl a r g e ra n dn o i s ei sl e s s ，b u tt h en o i s ed i s t u r b a n c ei sv e r ys e r i o u so ft h e l o wf r e q u e n c yb a n d ss i g n a l ，s ot h ea n a l y s i so ft h el o wf r e q u e n c yb a n d ss i g n a li s i m p o r t a n t a st h ef l o w m e t e rw o r k sc h r o n i c a l l yu n d e rt h en o n p o w e rc o n d i t i o n ，t h es i z e o fp o w e ri sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e dad e s i g no fl o w p o w e r i n t e l l i g e n tv o r t e xf l o w m e t e ri na b o v et w oa s p e c t s i ns o f t w a r ea l g o r i t h m ，t h es a m p l i n gp o i n t sf o rf f tc a l c u l a t i o nc o u l db ec h a n g e d b e c a u s ef f tc a c u l a t i o no fm c ui st i m e c o n s u m i n g ，d i f f e r e n tp o i n t sf f to p e r a t i o n w a sm a d er e g a r dt od i f f e r e n tf r e q u e n c y ss i g n a l t h i sa l g o r i t h mm a k et h ef l o w m e t e r r e a c h e dt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r e c i s i o na n dt h er e a l t i m e s of o rt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ev o r t e xs i g n a l ，t h ef f tc a l c u l a t e dw i t hs e l e c t e d s a m p l i n gp o i n t s w i t h i nt h e m e a s u r e df r e q u e n c yr a n g e s ，t h e nd e t e r m i n e dt h en e x ts a m p l i n gp o i n t so nt h er e s u l t t h ea r i t h m e t i ci sf e a s i b l eb yt h ee r r o ra n a l y z i n ga n dd a t av a l i d a t i n g a n dt h i s t e c h n i q u ei m p r v o et h ef l o w m e t e r sc a p a b i l i t yo fn o i s es u p p r e s sa n dm a t c hr e a l t i m e r e q u e s t t h e r e b yi ti sah i g hc o s t p e r f o r m a n c e t h es i z eo fp o w e ri sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r 1 6b i tm c um s p 4 3 0 f 1 4 9 p r o d u c t e db yt 1w a su s e da sm a i n c o n t r o l l e ri nt h i sd e s i g n t h em c u h a dc a r r i e do n t h es a m p l i n g ，a n a l y s i s ，c u l c u l a t i o nt ot h es i g n a l so fv a r i o u ss e n s o r s ，t h e nm a d e c o m p e n s a t i o nf o rt h e m l o w p o w e rd e s i g nw a sa p p l i e di nh a r d w a r ep a r t s e e p r o m a n dr e a l t i m ec h i pw a sc h o o s e di nt h i sd e s i g n ，w h i c hc o m b i n e dw i t ht h ef l o wo f l i q u i d ，a n dt h i sd e s i g nw i l lm a k ei n q u i r i n gt h ef l o wd a t ac o n v e n i e n t l y t h er e s u l t so f c a c u l a t i o ni ss t o r e di ne e p r o m ，a n di ta l s oc a nb eo u t p u t t e dt h r o u g hs e r i a lp o r ta n d d i s p l a yo nt h el c d i fn e c e s s a r y k e y w o r d s ： v a r i a t i o n a ls a m p l i n gp o i n t s f f tm s p 4 3 0 fi4 9 l o w p o w e r v o r t e xf l o w m e t e r 插图清单 图2 1 涡街流量计测量原理图4 图3 1 前置放大器8 图3 2 低通滤波器：8 图3 35 0 h z 双t 陷波器9 图3 4m s p 4 3 0 单片机电路1 1 图3 5 单片机晶振及j t a g 接口电路1 l 图3 6a s l1 l7 3 3 v 电路1 2 图3 7 按键1 2 图3 8 液晶接口1 3 图3 9k s 0 1 0 8 控制器的工作时序图1 4 图3 1 0p c f 8 5 6 3 时钟电路1 6 图3 1 1 芯片功能描述：p c f 8 6 5 3 芯片结构图1 7 图3 1 2p c f 8 6 5 3 芯片的掉电检测18 图3 1 3p o r 失败时序图2 5 图3 1 41 2 c 总线的启动和停止条件2 5 图3 1 51 2 c 总线上的位传送2 6 图3 161 2 c 总线上的标志位2 6 图3 1 71 2 c 接口电路2 6 图3 1 89 3 c 4 6 芯片电路一2 7 图3 19 串口转换芯片m a x 2 3 2 电路2 8 图3 2 0 串口转换芯片m a x 4 8 5 电路3 2 图4 19 3 c 4 6 写时序3 5 图4 29 3 c 4 6 擦除时序3 6 图4 39 3 c 4 6 读时序3 6 图4 4 变点数f f t 的流程图5 3 图4 5 系统主流程图5 4 表格清单 表3 1k s 0 1 0 8 控制器的时序参数表1 4 表3 2p c f 8 6 5 3 芯片的寄存器概况18 表3 3p c f 8 6 5 3 芯片的b c d 格式寄存器概况1 9 表3 4p c f 8 6 5 3 芯片的控制状态寄存器1 位描述( 地址0 0 h ) 1 9 表3 5p c f 8 6 5 3 芯片的控制状态寄存器2 位描述( 地址0 1 h ) 1 9 表3 6 i n t 操作( b i tt i t p = i ) 2 0 表3 7a f 和t f 值描述2 0 表3 8p c f 8 6 5 3 芯片的秒v l 寄存器位描述( 地址0 2 h ) 2 0 表3 9p c f 8 6 5 3 芯片的分钟寄存器位描述( 地址0 3 h ) 2 0 表3 1 0p c f 8 6 5 3 芯片的小时寄存器位描述( 地址0 4 h ) 2 1 表3 1 1p c f 8 6 5 3 芯片的日、星期、月l ! t 纪和年寄存器2 1 表3 1 2p c f 8 6 5 3 芯片的星期寄存器位描述( 地址0 6 h ) 2 1 表3 1 3p c f 8 6 5 3 芯片的星期分配表2 1 表3 1 4p c f 8 6 5 3 芯片的月世纪寄存器位描述( 地址0 7 h ) 2 1 表3 1 5p c f 8 6 5 3 芯片的月分配表2 2 表3 1 6p c f 8 6 5 3 芯片的年寄存器位描述( 地址0 8 h ) 2 2 表3 1 7p c f 8 6 5 3 芯片的分钟报警寄存器位描述( 地址0 9 h ) 2 2 表3 18p c f 8 6 5 3 芯片的小时报警寄存器位描述( 地址0 a h ) 2 2 表3 1 9p c f 8 6 5 3 芯片的日报警寄存器位描述( 地址0 b h ) 2 3 表3 2 0p c f 8 6 5 3 芯片的星期报警寄存器位描述( 地址0 c h ) 一2 3 表3 2 lp c f 8 6 5 3 芯片的c l k o u t 频率寄存器位描述( 地址0 d h ) 2 3 表3 2 2p c f 8 6 5 3 芯片的c l k o u t 频率选择表2 3 表3 2 3p c f 8 6 5 3 芯片的定时器控制器寄存器位描述( 地址0 e h ) 2 3 表3 2 4p c f 8 6 5 3 芯片的定时器时钟频率选择2 4 表3 2 5p c f 8 6 5 3 芯片的定时器倒计数数值寄存器位描述( 地址o v n ) 2 4 表4 1d f t 与f f t 算法的计算量之比4 9 表4 2 码位的倒位序( n = 8 ) 5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我- - n - r _ 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：仔宕何绚签字日期：? 晰弓月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金腿王些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 仔罱7 以 签字日期：护莎年3 月多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 西琢钎 签字日期：d g 年亏月纠日 黛：f 协6 2 f 引 邮编： 。 致谢 本文的研究工作是在导师陈荣保副教授的悉心指导下完成的。在两年多的研 究生学习期间，我一直深受导师的孜孜不厌的教诲。导师敏捷的思维，渊博的学 识，严谨的治学态度，勤奋求实、不断进取的学者风范给我留下了深刻的印象， 为我今后的工作，学习和生活树立了榜样，将是我人生中一笔宝贵的财富，使我终 身受益。在此，向辛勤培育我的导师致以由衷的感谢和崇高的敬意。 感谢彭瑾，曹军，陈晓旺，李天庆，杨锋等同学给予我学习和生活上热情的帮助 与支持，也感谢家人和女友对我的精神上的鼓励和支持。本论文的完成与他们的 帮助是分不开的。 作者：任启明 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 涡街流量计简介 由于工业自动化技术的迅速发展，人们对检测技术提出了愈来愈高的要求。 检测技术己由传统的测量非电参数的传感器技术及应用电测方式的测量仪表进入 到智能传感器、智能仪表的智能检测阶段。其中尤其是新材料、新结构的传感器 研制成功，以及微型计算机的广泛开发给检测技术带来了变革性的影响。在石油 工业生产中，从石油的开采、运输、炼冶加工直至贸易销售，流量计量贯穿于整 个生产过程中，任何一个环节都离不开流量计量。在化工行业中，流量计量不准 确会造成化学成分分配比例失调，无法保证产品质量，严重的还会发生生产安全 事故。在电力工业生产中，对液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和调节占有重 要地位：流量计量的准确与否不仅对保证发电厂在最佳参数下运行具有很大的经 济意义，而且随着高温高压大容量机组的发展，流量测量已成为保证发电厂安全 运行的重要环节。 涡街流量计是依据流体振动频率与流速有对应关系的原理进行工作的。早在 1 8 7 8 年斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 就发表了关于流体振动频率与流速之间关系的相似准 则。人们早期对涡街的研究主要是为防灾的目的，如锅炉及换热器钢管固有频率 与流体涡街频率合拍将产生共振而破坏设备。涡街流体振动现象用于测量研究始 于2 0 世纪5 0 年代，如风速计和船速计等；6 0 年代末开始研制封闭管道流量计一一 涡街流量计，诞生了热丝检测法及热敏检测法涡街流量计；7 0 、8 0 年代涡街流量 计发展异常迅速，开发出众多类型阻流体及检测法涡街流量计，并迅速大量生产 投放市场。像它这样在短短几年时间内从实验室样机到批量生产的流量计还绝无 仅有。涡街流量计之所以会受到如此青睐，首先它输出的是与流量成正比的频率 信号，并且频率信号不受流体组分、密度、压力、温度的影响；量程范围较宽： 精确度为中上水平；无可动部件，可靠性高；结构简单牢固，安装维护方便，维 护费较低；应用范围广泛，可适用液体、气体和蒸汽。自从1 9 6 9 年日本横河电机 株式会社和美国e a s t e c h 公司几乎同时推出世界上首批涡街流量计以来，涡街流量 计日渐得到广泛的应用。 但是应该看到，涡街流量计尚属发展中的流量计，无论其理论基础还是实践 经验尚较差。一方面，至今其最基本的流量方程经常引用卡门涡街理论，而此理 论及其一些定量关系是卡门在气体风洞( 均匀流场) 中实验得出的，它与封闭管道中 具有三维不均匀流场的旋涡分离的规律是不一样的。另一方面，实践经验更是需 要通过长期应用才能积累。涡街流量计出厂校验一般是在实验室参考条件下进行 的，在现场偏离这些条件不可避免。工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差 至今在标准及生产厂资料中尚不明确。这些都要求涡街流量计的基础研究工作必 须跟上，否则在实用中会出现一些预料不到的问题。 近年来，随着计算机技术和微电子技术及相关制造技术的突飞猛进，国内外 在涡街流量计研究领域开展的大量研究，都取得了一定的进步。 1 2 涡街流量计目前国内外研究状况 对涡街信号检测方法的研究：流体通过旋涡发生体后，伴随旋涡的形成和分 离，在旋涡发生体周围流体会同步发生流速、压力变化和下游尾流周期振荡。依 据这些现象可以进行旋涡分离频率的检测。目前常用的检测方法按传感器来分主 要有：热敏组件，压电组件，电容组件，应变组件等，其中以压电组件应用最为 广泛。 对涡街信号检测方法的研究表现在对已有检测方法的改进和新传感技术在涡 街频率检测方面的应用。 针对压电传感器在工业现场使用时存在的抗振性差的问题，m i a u 等人通过实 验证明了在压电物质外层包以橡胶，再在外面敷设一层硅膜，能有效减低压电晶 体对外界振动的灵敏度。日本横河电机有限公司研究了旋涡升力和管道振动引起 的应力分布的不同，发现用两片反向安装的压电组件作检测组件。感受到由旋涡 升力引起的电荷量两倍于单个压电组件，而由外界引起的干扰噪声能部分得到抵 消。 近年来电子技术的发展为涡街信号的检测提供了许多新的手段。h a n 等在文 献中，对超声检测涡街频率进行了一系列的分析，在旋涡发生体下游对称安装超 声波发射换能器及接收换能器，超声波在流体中传播时，受到旋涡信号的调制， 经信号处理后能得到涡街频率信号。这种方法具有非接触测量的优点，并具有较 高的测量灵敏度，相应涡街发生体迎流面尺寸比一般的涡街流量计小，能有效的 减小压损。但只适用于温度变化较小的气体和含气量很小的液体流量的测量。王 波、周晓军等提出用光纤传感器检测涡街频率，利用光纤内光强度的变化来进行 测量，这种方法能抗电磁干扰，抗环境噪声，具有电器绝缘性，但测量系统较复 杂，还在设计模型阶段。莫德举等在文献中提出在旋涡发生体下游安装永久磁铁 和信号电极，根据电磁感应定律，用电磁法检测涡街频率。b e r a 等在文献中将电 感传感器用于涡街频率的检测，得到了较好的效果。希望在不久的将来，这些新 型传感器得到不断实践和完善，在生产现场能得到广泛的应用。 对涡街信号分析及处理的研究：涡街流量计在本质上是流体振动型流量计， 因此在工业现场使用时，管道及各种设备振动引起的干扰会降低测量精度。近年 来，国内外针对这一问题从涡街信号处理的角度展开了大量研究。 a m a d i e c h e n d u 等首次提出采用谱分析方法分析涡街原始信号，提高测量 精度，并根据原始信号特点建立仿真信号表达式，以监测系统运行。徐科军等也 采用了多种谱分析方法处理涡街信号。b l i s c h k e ，蒙建波和徐科军等提出基于自适 应建模的“自适应陷波方法”，陷波器抑制一个特定的频率，此频率即为涡街频率， 2 并且该频率几乎不受带宽以外频率的影响。m e n z 将多传感器融合技术应用于涡街 频率测量，在旋涡发生体下游安装两路超声波传感器，涡街频率可通过两种方法 得到：一是直接通过一路超声信号得到，二是对两路超声信号作相关处理，得到旋 涡先后通过两测量点的时间来计算涡街频率。最终的涡街频率是将两种测量原理 按一定算法融合在一起后得到的，比常用的只用一路信号的测量方法精度高。 h o n d o h 在文献中，以微处理器为核心，采用频谱信号处理技术，利用信号频谱分 析的结果，调整带通滤波器参数，以除去噪声，提高测量精度。徐科军、张涛等 还提出用小波变换的带通滤波特性对涡街传感器信号进行滤波，去除噪声，以便 准确提取涡街频率信息。 对涡街信号的分析和处理大多是建立在二次仪表基础上，真正投入实际应用 还需要深入分析流体振动源特性，建立一种通用信号模板，解决干扰情况下涡街 信号和噪声信号的分离，以准确得到涡街频率。 1 3 本课题的研究内容 1 3 1 低功耗技术 低功耗技术一直是便携式电子系统发展的主要障碍。现在，电子系统的低功 耗设计作为绿色电子的基本要求，成为现代电子系统的普遍追求。电子系统的低 功耗设计可实现电子终端产品便携、节能、可靠的愿望。电子系统的低功耗设计 涉及的方面较多，且微电子技术、系统集成技术、超大规模高可靠性i c 技术、显 示技术等的迅速发展与广泛普及，促使电子系统的低功耗技术不断完善与发展。 1 3 2 数字信号处理技术 数字信号处理系统优于模拟信号处理系统，关键在于它具有灵活的软件结构， 利用软件代替模拟器件实现某些功能，从而减少外围硬件设备，增强了系统的可 靠性和抗干扰性。 1 3 3 外围模块 传统的流量计功能简单，此处不仅加入了键盘和液晶显示的人机接口，还加 入了外围存储器和时钟芯片，使得流量计能够记录下不同时刻的流量。 第二章系统概述 2 1 涡街流量计的原理 涡街流量计的测量原理如图所示。在流体管道中插入一定形状的旋涡发生体 ( 阻流体) ，当流体绕过发生体后，在发生体两侧会交替产生规则的旋涡，这种旋 涡称为卡门涡街。 图2 1 涡街流量计测量原理图 卡门从理论上证明了当两旋涡列之间的距离h 和同列的两旋涡之间的距离l 满足公式h l = 0 2 8 1 时，非对称的旋涡列就能保持稳定，并能满足如下关系式： 厂：墨堕：s ，旦 ( 2 1 ) dm d 其中：，一一旋涡的发生频率 q 一一斯特劳哈尔数 u 一一旋涡发生体两侧平均流速 d 一一旋涡发生体迎流面宽度 u 一一被测介质来流的平均速度 d 一一管道内径 m 一一旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比 聊斗书s i n 五d 他2 ) 管道内流体的体积流量q v 为 ，万d 2 u r d 2 m d ff 一_ 广一百一瓦 k ：一f ：j 江 ( 2 3 ) q ， a d m d 式中k 流量计的仪表系数，脉冲数聊3 ，k v 除与旋涡发生体、管道的几何尺 寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生 体形状及雷诺数有关，由实验可知，在雷诺数r e 为2 x 1 0 4 7 x 1 0 6 范围内，s 基本 4 保持不变，可以认为是常数。这是仪表正常工作范围。式( 2 3 ) 即为涡街流量计 的测量依据，在一定雷诺数范围内，流量吼和涡街频率厂成线性关系，涡街频率 信号不受流体物性和组分变化的影响，即仪表系数仅与旋涡发生体及管道的形状 尺寸有关，只要测出f ，就能求得q v 。 2 2 涡街流量计结构 涡街流量计由传感器和转换器两部分组成。传感器包括漩涡发生体( 阻流体) 、 检测组件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、低通滤波器、工频陷波器、程 控放大器及单片机电路、输出接口电路和支架、防护罩等。 2 2 1 涡街传感器 涡街传感器为压电传感器，从功能上看，它是一个电荷产生器，即一个电荷 源。 2 2 2 模拟信号的放大 压电传感器的输出为高阻抗的输出，所以我们首先要将其转换为较低的输出 阻抗，以利后续电路对传感信号的处理。前置放大电路的设计选用电荷放大器。 在电荷放大输出信号中带有电路噪声、机械震动噪声和流体流动噪声，这些 均为高频噪声，因此要用提桶滤波电路来抑制高频噪声。 由于电荷放大器高输入阻抗特性，工频信号很容易耦合到前向输入通道低通 滤波器不能将其滤除，故在此处加上工频陷波电路。 最后根据后续电路处理的需要加上放大器，由于此时的电压不够电路处理的 需要，且不同处理电路对信号电压的需求不同，此处设计了程控放大器以适应各 种不同的场合。 2 2 3 数字信号处理电路 经过模拟放大后的信号接入单片机的a d 接口，此后便是数字信号的处理， 包括信号的存储和输出显示等。 2 2 4 屏蔽和接地抗干扰技术 克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内 的物体不受外电场的影响。请注意，屏蔽电场干扰时，导线的屏蔽层最好不要两 端连接当地线使用。因为有地环电流时，将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导 线。正确的作法是把屏蔽层单点接地，一般选择它的任一端头接地。造成电场耦 合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。 抑制磁场耦合干扰的好办法是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大 电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源，但一般很难在工程上用导磁材料屏蔽， 通常采用一些被动的抑制技术，如远离技术，避免平行走线。 2 2 5 仪表常数k 的确定 首先测得测量头的仪表常数k ，然后根据使用现场的流体及管道条件确定修 5 正系数，再由管道横截截面面积推算出整台流量计的仪表常数k 。 常用的仪表常数k 的计算修正法如下： 仪表常数k 是由标定出的测量头的仪表常数k 经修正计算得来。仪表常数k 的计算修正公式为： 矿 k = 竺l ( 2 4 ) 伐l j 7 a 式中：k 为测量头的仪表常数，1 船；口为速度分布系数；为阻塞系数；7 为 干扰系数；彳为测量管道的横截面面积，m 。 速度分布系数岱的计算 速度分布系数的定义：管道平均流速与测量头所处位置局部流速的比值。 ( 1 ) 测量头插于轴线处 口= u = 1 2 1 。面磅虿 l g ( o 2 7 0 3 丢+ 三i ) ( 2 5 ) 式中：口为速度分布系数；如为管道雷诺系数；d 为测量管道内径( m m ) ；矽为 管道内壁突出物的平均高度( m m ) 。 ( 2 ) 测量头插于管道平均流速处 口= 1( 2 6 ) 阻塞系数的计算 阻塞系数的定义：修正由于插入杆、插入机构一级测量头引起的管道流通面 积减小及速度分布畸变所产生影响的系数。 阻塞率s 的计算 测量头插于管道轴线处： 堡d 2 + 皇( d d ) s ：垒2 ： ： ( 2 7 ) 7 c d 2 4 测量头捅于管道h 深度处： 7 rd 2 + h b s ：兰：一 ；r d 4 式中：s 为阻塞率；b 为插入杆的直径( m m ) ； 内径( m m ) ；h 为测量头的插入深度( m m ) ； 阻塞系数的计算 6 ( 2 8 ) d 为测量头直径，d 为测量管道 当s 0 0 1 d 或表面凹陷，使测量软尺不能贴紧管道表面时，不能采用此法。 干扰系数y 的确定 干扰系数y 的定义：流量计所处管段前后阻流件之间直管段长度不足所引起 的仪表常数变化的修正系数。干扰系数使非充分发展管流的修正系数，目前还缺 乏成熟的试验数据，一般可在现场直接标定确定。 7 第三章智能涡街流量计硬件开发 硬件模块分为模拟信号处理部分和数字信号处理部分。模拟信号部分包括前 置放大电路、低通滤波、工频陷波器，数字信号处理部分包括m s p 4 3 0 单片机及周 边电路、时钟部分、存储器部分、串口通信部分和液晶显示部分。 3 1 信号调理电路 3 1 1 前置放大电路 图3 1 前置放大器 传感器输出的是电荷信号，十分的微弱，所以前置放大电路的第一部分是一 个高性能的仪表放大器，其实质上是一个差动放大器。差动放大器的特征在于出 去同相成分的功能，也就是说，对于差动的输入成分有很大的增益。利用同相成 分增益小的性质，非常有助于我们区别信号和噪声，进而控制并减少噪声。图示 的a 1 和a 2 组成了一个能用一个电阻调整放大倍数的差动输入和差动输出的电路， 但是这个输出是双端输出，其后所接的第三个放大器a 3 将差动输出变成为单端 型。这样就成为性能非常优良的差动放大器，也就是通常所说的仪表放大器。此 图的c m r 取决于后级部分，所以对r 6 r 9 ，使用0 1 以内的电阻，其他的电阻与 c m r 没有关系，可以任意选取。 3 1 2 低通滤波 c 5 图3 2 低通滤波器 图3 2 示为一低通滤波器，在一般频率区域内给与频率特性波中最小条件的 巴特沃斯滤波器的情况。 q 2 蔫彘g = 丽1 如果墨= r = r ，那么c 1 = 1 二，c 2 = l ，厶为截止频率。1 1 , 、j 2 z f r 2 。” 3 1 3 工频陷波器 工频陷波器电路本质上就是利用压电效应制成的带阻滤波器，它的作用是阻 止或滤掉信号中有害分量对电路的影响。为了减小体积，通常用有源滤波器实现。 一方面，需要明确衰减特性；另一方面，5 0 h z 常有+ - 5 的变化，通常会降低衰 减特性到一4 0 d b ，甚至到一2 0 d b 。所以，需要采用开关电容滤波器等技术，令其时 钟跟踪到5 0 h z ，可保证陷波峰谷自动对准变化的5 0 h z ，达至l j - 6 0 d b 以上的衰减特 性。 镛 = = 篇 图3 35 0 h z 双t 陷波器 这个电路是个带阻滤波器，可以分解成下面两个图： 、二阶低通网络： 、二阶高通网络： v 一i v 0 v 0 如果上面两个网络的截止频率都是5 0 h z ，那么组成的阻带滤波器的中心频率 就5 0 h z 。 9 5 0 h z 双t 陷波器即工频陷波器制作的主要性能主要取决于r i = r 3 = o 5 r 2 ， c 1 ：c 3 ：2 c 2 ，它们决定了双t 陷波器的对称性，a 2 则可用于q 值的调整。 3 2 基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 混合信号微处理器的m c u 模块 3 2 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机介绍 m s p 4 3 0 f i x x 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，它根据不同的应 用提供不同的具体型号的单片机，以满足不同用户的需求。它们具有1 6 位r s i c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器和常数产生器使m s p 4 3 0 微控制器能达到最高的代码 效率。单片机通过采用不同的时钟源工作可以使器件满足不同的功耗要求，适当 选择时钟源，可以让器件的功耗达到最小，满足一些采用电池供电的系统。当器 件处于低功耗的模式下，数字控制的振荡器( d c o ) 可以使器件从低功耗的模式下 迅速唤醒，能够在少于6 p s 的时间内从低功耗模式转到激活工作模式。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机具有丰富的外设，且功耗很低，有非常广阔的应用范围，它主要有以 下特点： 低电压、超低功耗。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机在1 8 v 3 6 v 的电压、1 m h z 的 时钟频率下运行，耗电电流在0 1 眦4 0 0 m 之间，这个和不同的工作模式有关。 m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机有1 6 个中断源，并且可以嵌套使用，使用中断请求将c p u 从低功耗模式下唤醒只要6 m 的时间，这样就可以编写出实时性很高的程序。根 据具体的处理情况可以将c p u 处于低功耗模式，在需要的时候通过中断来唤醒 c p u ，从而实现系统的低功耗要求。 强大的处理能力。m s p 4 3 0 f i x x 系列单片机为1 6 位的r s i c 结构，具有丰富 的寻址方式、简介的指令、大量的寄存器以及片内的数据存储器都可以参加多种 运算，还有高效的查表处理方式，有较高的处理速度，在8 m h z 晶体下运算能力达 到i m i p s ，是传统5 l 单片机远远达不到的。 系统工作稳定。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机在上电复位后，首先由d c o c l k 启 动c p u ，保证程序从正确的位置开始执行，同时也保证晶体振荡器有足够的起振 及稳定时间。在完成上述工作后，软件可以设置特定的寄存器的控制位来确定最 后的系统工作时钟频率。如果程序出错的话，可以设置看门狗来解决。 丰富的外设资源。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机根据不同型号提供了不同的外设 资源，主要的外设资源有定时器、看门狗、比较器、串口、硬件乘法器、a d c 模 块和丰富的端口资源。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机的定时器具有捕获比较功能，可 以用于事件计数、时序产生、p w m 波形产生等。 方便的调试功能。由于目前的m s p 4 3 0 f i x x 系列单片机一般是基于f l a s h 型 的，这样的单片机可以实现写入和擦除，加上m s p 4 3 0 f 1x x 系列单片机提供j t a g 口，这样单片机就能实现很好的在线调试仿真功能。通过集成的i d e 开发环境， 使用户很容易调试程序。 1 0 代码保护功能。虽然m s p 4 3 0 f i x x 系列单片机基本上是f l a s h 型的，但该系 列单片机具有代码保护功能，通过使用代码保护技术，就可以防止程序被读出来 进行拷贝，从而起到保护知识产权的作用。 3 2 2 单片机电路 图3 4m s p 4 3 0 单片机电路 本系统采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机，片内有6 4 k 的f l a s h ，2 k 的r a m ，有6 个并 行的i o 口。本系统设计中并没有用到所有的i o 口，剩余i o 口以备以后增加 新功能使用。 单片机调试用j t a g 口，j t a g 接口的图如下所示： 图3 5 单片机晶振及j t a g 接口电路 3 3 电源部分 a s l l l 7 - 3 3 v 是一个低电压的电压调节器，输出电压稳定在3 3 v ；输出最大 电流为8 0 0 m a ，满足本设计设计的要求；还带有内部的过电流保护和内部的过载 保护；小封装( s o t 2 2 3 ) 。 3 4 人机接口按键输入模块 图3 6 a s l l l 7 3 3 v 电路 图3 7 按键 按键设计中采用了4 个按键，每个按键都用1 0 k 的电阻下拉，考虑到p c b 大 小以及按键使用的频率，在硬件设计中并没有消抖的设计，消抖部分将在软件中 添加上。 3 5 人机接口之点阵式液晶显示模块 液晶显示部分采用1 2 8 x 6 4 点阵液晶，l c l d 的驱动芯片为k s 0 1 0 7 0 1 0 8 ，此类 l c m 的典型工作环境是5 v 供电，但是经过测试，在3 3 v 电压下也能正常工作， 并且打开背光正常。基于成本和功耗的考虑，本设计中没有5 v 电压部分，故l c m 接3 3 v 。除此之外全部按照芯片手册和l c m 厂家要求接线，经测试，工作正常， 正常工作电流为l m a ( 不开背光) 。由于这类模块具有高的性价比，因此，目前使 用比较广泛。每个控制芯片管理8 页( 每页为8 行像素) 和1 2 8 列( 每个芯片各 1 2 自控制6 4 列) 的图形屏幕，因此构成了1 2 8 列，6 4 行的像素矩阵，即我们所能 使用的显示范围。 图3 8 液晶接口 液晶与显示 液晶显示文字或者图形，是通过在液晶屏上，对于像素显示或者不显示的控 制所构成的图形来实现的。不论是文字还是图形，通常用户都是预先确定好所显 示的文字或者图形的点阵图，然后，通过软件控制l c m 的硬件接口，将这些数据 输送到l c m 内部相应位置的r a m 中，那么，则l c m 内部的液晶控制芯片的控制下， 我们就可以从屏幕上看到所期望的字符或图形了。 图形与文本显示 通常在液晶上显示有两种模式，文本和图形，对于文本而言，由于其点阵图 形是固定的，例如8 8 ，1 6 x 1 6 等，那么文本的行并不是l c m 所指的行的概念， 而是指一行文字的概念，对应与l c m 就是页，例如8 8 子模库，是一行对应1 页， 而1 6 x 1 6 和8 x 1 6 一行对应两页。对于图形，图上每个点阵行和l c m 中的行是对 应的。 k s 0 1 0 8 或其兼容控制驱动器，作为6 4 路列驱动，内置6 4 6 4 = 4 0 9 6 位显示r a m ， 显示屏上各像素点的显示状态与显示r a m 的各位数据一一对应，显示r a m 的数据 直接作为图像显示的起驱动号。显示数据为“1 ”，相应的像素点显示；显示数据 为“0 ”，相应的像素点不显示。k s 0 1 0 8 ( 或其兼容芯片) 配备了一套显示r a m 的 管理电路和与计算机的接口电路，允许计算机直接访问显示r a m 。k s 0 10 8 适配 m 6 8 0 0 时序c p u 接口。 k s 0 1 0 8 控制器的工作时序如下图： e l 杉w 愆s l ，c s 2 e s 3 饼l 秘饼 囝隈l 嘲 i c i 肼 穆g 蠢劲 图3 9k s 0 1 0 8 控制器的工作时序图 时序参数如下表所示： 表3 1k s 0 1 0 8 控制器的时序参数表 项目符号最小值最大值单位 e 周期时间 t c y c 1 0 0 0n s e 高电平宽度 4 5 0n s e 低电平宽度 只d 4 5 0n s e 上升时间 乃 2 5n s e 下降时间 弓 2 5n s 地址建立时间 瓦 1 4 0n s 地址保持时间毛 1 0n s 数据建立时间 2 0 0n s 数据延时时间 3 2 0n s 数据保持时问( 写) 。 1 0n s 数据保持时问( 读) 2 0n s 功能指令详解： 1 读状态字 格式 1 ) b u s y = i 表示k s 0 1 0 8 正在处理计算机发来的指令或数据。此时接口电路被 封锁，不能接受除读状态字以外的任何操作。b u s y = 0 表示k s 0 1 0 8 表示接口电路 1 4 已经处于“准备好 状态，等待计算机的访问。 2 ) o n o f f ：表示当前k s 0 1 0 8 的工作状态。 o n o f f = i 表示关显示状态 o n o f f = o 表示开显示状态。 3 ) r e s e t 表示当前k s 0 1 0 8 的工作状态，即反映r s t 端的电平状态。