双MSP430单片机结构数字涡街流量计.doc

双双 MSP430MSP430 单片机结构数字涡街流量计单片机结构数字涡街流量计 2008年 12 月 20 日 题 目 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计 指 导 教 师 马老师职 称讲师 主要研究方向 单片机原理理论 选题的主要目的和意义 涡街流量计因其介质适应性强 无可动部件 结构简单 使用寿命长等诸多优点 在 许多行业得到了广泛的应用 而在低流速下 涡街测量就凸显出了它的不足 涡街信号的 信噪比很低 有用信号几乎被噪声淹没 普通的涡街流量计采用模拟信号处理方法 在正 常流量范围内 涡街流量信号稳定 测量准确 实时性好 鉴于上述模拟涡街流量计具有 的优势以及存在的不足 课题的目的是数字信号处理方法 FFT 应用于涡街流量仪表当中 采用双 MSP430 单片机的结构进行脉冲计频和 FFT 计算 并且实时进行脉冲输出及电流输 出 使其具有测量下限低 抗干扰能力强 实时数字信号处理等特点 国内外研究现状和发展趋势 涡街流量计是最年轻的一类流量计 但发展迅速 目前已成为通用的一类流量计 但是 涡街流量计主要存在着两个关键性问题 第一 易受噪声干扰 第二 难以准确测量低流 速流量 流量计伴随着现代工业的发展有必要逐步完善其性能 而技术的进步也让流量计的完 善成为可能 流量计的发展将向提高流量计的可靠性 提高流量计对介质适应性 对环境 的适应性等方面发展 同时随着新的信号处理技术及新的信号传输技术的应用 流量计将 向高度智能化方向发展 注 本表由拟担任毕业论文 设计 指导任务的教师填写 教学单位存档 2008 年 12 月 16 日 涡街流量计因其介质适应性强 无可动部件 结构简单 使用寿命长等诸多优点 在许多行业得到了广泛的应用 而在低流速下 涡街测量就凸显出了它的不足 涡街信 号的信噪比很低 有用信号几乎被噪声淹没 普通的涡街流量计采用模拟信号处理方法 在正常流量范围内 涡街流量信号稳定 测量准确 实时性好 而在小流量下 涡街有 用信号微弱 提取困难 导致实际测量下限比较高 鉴于上述模拟涡街流量计具有的优势以及存在的不足 课题的目的是数字信号处理 方法 FFT 应用于涡街流量仪表当中 采用双 MSP430 单片机的结构进行脉冲计频和 FFT 计 算 并且实时进行脉冲输出及电流输出 使其具有测量下限低 抗干扰能力强 实时数 字信号处理等特点 二 本选题在国内外的研究现状和发展趋势 涡街流量计是最年轻的一类流量计 但发展迅速 目前已成为通用的一类流量计 但 是涡街流量计主要存在着两个关键性问题 第一 易受噪声干扰 第二 难以准确测量 低流速流量 随着数字信号处理技术的飞速发展及广泛应用 使得复杂的信号处理算法得以在硬 件上实现 已研究的 DSP 与 MSP430 单片机相结合的数字涡街信号处理系统 在很大程度 上降低了流量测量下限以及提高了抗干扰能力 流量计伴随着现代工业的发展有必要逐步完善其性能 而技术的进步也让流量计的完 善成为可能 流量计的发展将向提高流量计的可靠性 提高流量计对介质适应性 对环境 的适应性等方面发展 同时随着新的信号处理技术及新的信号传输技术的应用 流量计将 向高度智能化方向发展 三 课题设计方案 主要说明 研究 设计 的基本内容 观点及拟采取的研究途径和方法 从抗干扰和降低功耗两个角度考虑 本课题设计了数字涡街流量计的硬件电路 采 用了以 MSP430F149 单片机和 MSP430F1611 单片机为核心的双 CPU 硬件结构 本课题设计 的双 MSP430 单片机数字涡街流量计采用了普通模拟涡街流量计的前置放大电路 上述的 前置处理电路产生的两种信号分别送到两个单片机中 其中幅值为 3 3V 的脉冲信号送入 MSP430F149 中 幅值为 3 3V 的正弦信号送入 MSP430F1611 中 当流量处于正常流速状 态时 由 MSP430F149 利用其 I O 端口的外部中断功能 对前置放大电路输出的方波信号 进行计频 从而得出当前频率值 当流量处于低流速状态时 对前置放大电路中低通滤 波器输出的叠加了许多干扰的正弦信号进行 A D 采样 再利用 MSP430F1611 对 A D 采样 的结果进行频谱分析 从而得出此时涡街信号的频率 最后 在整个流量范围内 将得 出的频率值以脉冲输出的方式从 MSP430F149 的端口输出同时以模拟电压值的形式从 MSP430F1611 的端口输出然后通过 AM402 芯片转换为 4 20mA 电流输出 目目 录录 摘 要 1 1 引言 1 1 1 涡街流量计概述 1 1 2 涡街流量计的主要问题 1 1 3 课题研究目的及意义 2 2 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的总体方案设计 2 2 1 涡街流量计的工作原理 2 2 2 涡街信号的组成 4 2 3 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的设计方案 5 2 4 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的 FFT 频率计算方法 7 3 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的硬件设计 9 3 1 整体硬件电路设计方案 9 3 2 前置放大电路的设计 9 3 3 单片机计算及输出电路的设计 16 3 4 电源电压转换电路设计 19 3 5 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的硬件低功耗设计 19 4 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的软件设计 20 4 1 软件总体设计方案 20 4 2 MSP430F149 单片机程序设计 20 4 3 MSP430F1611 单片机程序设计 21 4 4 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的软件低功耗设计 23 5 总结与展望 24 参考文献 25 谢 辞 26 1 1 双双 MSP430MSP430 单片机结构数字涡街流量计单片机结构数字涡街流量计 摘 要 鉴于现有涡街流量计具有的优势以及存在的不足 本课题研究并且实现了一台数字涡街 流量计 该数字涡街流量计采用了双 MSP430 单片机的硬件结构 在低流速小流量的情况下 由 MSP430F1611 单片机实现频谱分析算法来计算涡街信号频率 有效地克服了模拟涡街在小流量下测量 精度不高甚至不能测量的问题 以及具有常规模拟涡街在高信噪比的情况下测量准确 实时性好的优 点 关键词 涡街流量计 脉冲输出 电流输出 MSP430 流量下限 1 引言 1 1 涡街流量计概述 涡街流量计属旋涡流量计类型 它是利用流体振荡的原理进行流量测量 当流体流 过非流线型阻挡体时会产生稳定的旋涡 旋涡的产生频率与流体流速有着确定的对应关 系 测得频率的变化 就可以得知流体的流量 涡街流量计由传感器和转换器两部分组成 传感器包括旋涡发生体 阻流体 检测 元件 仪表表体等 转换器包括前置放大器 滤波整形电路 D A 转换电路 输出接口 电路 端子 支架和防护罩等 涡街流量计有其自身的使用特点 它的输出为脉冲频率 其频率与被测流体的实际体积流量成正比 它不受流体密度 压力 温度的影响 压力 损失较小 测量范围较大 在一定的雷诺数范围内 输出信号频率不受流体物性和组分 变化的影响 仪表系数仅与旋涡发生体形状和尺寸有关 为旋涡发生体的标准化创造了 条件 涡街流量计也存在着一定的局限性 不适用于低雷诺数测量 一般要求雷诺数 Re 不低于 2 104 故在高粘度 低流速 小口径情况下应用受到限制 需要根据上游侧不 同形式的阻流件配置足够长的直管段或装设流动调整器 整流器 不适用于周围环境有 严重干扰及管道产生振动的场所 1 2 涡街流量计的主要问题 涡街流量计主要存在着两个关键性问题 第一 易受噪声干扰 涡街流量计本质上 是流体振动型流量计 因此它对外界振动 流体的流动状态特别敏感 如管道振动 管 道流体的冲击力以及由于流体压力的变化 产生的随机脉动压力等 现场的干扰对流量 测量产生很大的影响 流场的稳定性 均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响 而 且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响 附加的旋涡干扰了涡街信号 降低了信噪 比 第二 难以准确测量低流速流量 因为小流量所产生的横向升力较小 初始信号非 常微弱 易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响 存在一个量程下限死区 从而 造成量程比受限 小流量不能测量 0 基于上述问题 使得涡街流量计在实际工程应用中 实际量程与理论值相差甚远 实际量程比只能达到 10 1 而理论值可到达 100 1 其实质性原因在于低流速下测 量的困难 所以扩大量程比的问题转化成为了扩大涡街流量计测量下限的问题了 也成 为涡街流量计研究的十分重要的研究课题之一 1 3 课题研究目的及意义 根据目前涡街流量计的研究现状 课题的目的是将数字信号处理方法 FFT 应用于涡 街流量仪表当中 采用双 MSP430 单片机的结构进行脉冲计频和 FFT 计算 并且实时进行 脉冲输出及电流输出 使其具有测量下限低 抗干扰能力强 实时数字信号处理等特点 本课题研究并且实现了一台数字涡街流量计 该数字涡街流量计采用了双 MSP430 单 片机的硬件结构 在低流速小流量的情况下 由 MSP430F1611 单片机实现频谱分析算法 来计算涡街信号频率 有效地克服了模拟涡街在小流量下测量精度不高甚至不能测量的 问题 在正常流量范围内 由 MSP430F149 单片机对涡街信号前置放大电路输出的方波进 行计频 具有常规模拟涡街在高信噪比的情况下测量准确 实时性好的优点 2 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的总体方案设计 2 1 涡街流量计的工作原理 本文先从涡街流量计的产生 涡街现象解释以及涡街信号的测量三个方面来阐述涡 街信号检测的基本工作原理 2 1 1 涡街的产生与涡街现象 涡街流量计实现流量测量的理论基础是流体力学中的著名的 卡门涡街 原理 在 流动的流体中放置一根与流向垂直的非流线性柱形体 如三角柱 圆柱等 称之为漩涡 发生体 随着流体沿漩涡发生体流动的速度逐渐加快 雷诺数 Re 逐渐增大 当 Re 达到 40 左右时 由于漩涡发生体后半部分附面层中的流体团受到更大的阻滞 就会在漩涡发 生体下游产生两列旋转方向相反 平行参差排列的涡列 这就是所谓的 卡门涡街 1 2 其中雷诺数 Re 的定义为 1 vL Re 式中 工作状态下流体的运动粘度 1 来流的平均流速 L 为流束的定型尺寸 由流体力学理论可知 雷诺数的大小反映了流体的流动特性 实验表明 当外部条 件几何相似时 几何相似的流动环境 流体绕过几何相似的物体 若雷诺数相同 流体 的流动状态几何相似 即流体具有相似的运动规律和流速分布 值得注意的是 并非在任何条件下产生的涡街都是稳定的 由于漩涡之间的相互影 响 其形成通常是不稳定的 只有形成相互交替的内旋的两排漩涡 且当两漩涡列之间 的距离和同列的两漩涡之间距离之比 满足hl 0 281 0 28005 2 l h 时 所产生的涡街才是稳定的 2 1 2 涡街信号的测量 大量实验证明 在二维流动状态下 阻流体具有规则截面 且可视为无限长 当满 足涡街稳定的条件时 涡街的单侧旋涡脱落频率 简称涡街频率 f 与阻流体两侧的平均 流速 v 之间具有以下关系 3 d v Stf 其中为 d 阻流体迎流面的最大宽度 St 为斯特罗哈尔数 它是一个无量纲常数 当 发生体的几何形状确定时 在一定的雷诺数范围内 一般在 3 102 2 105 斯特罗哈 尔数是一个常数 对于三角柱形漩涡发生体 St 0 16 对于圆柱体形漩涡发生体 St 0 20 由式 3 可知 涡街频率与来流的平均流速成正比 那么根据流动的连续性 理论易知 涡街频率与来流的体积流量成正比关系 且其比例系数在很宽的流量范围内 为定值 这一原理被用来研制涡街流量计 测量封闭管道内流体的流量 流量计的检测 元件用各种方法检测涡街频率 以得到被测流体的体积流量 4 K f St ndf SSvQv 其中 v 为漩涡发生体两侧平均流速 m s S 为管道截面积 m 为旋涡发生体两侧流 通面积与管道截面积之比 d 为漩涡发生体特征尺寸 K 为仪表的仪表系数 由式 4 可看出 只要给定涡街流量传感器 其管道截面积 S 漩涡发生体特征尺寸 d 及斯特罗哈 尔数是可知的 因此仪表系数也是确定的 只要准确测得漩涡的分离频率 就可以准确 的得知被测流体的速度 从而到达测量管道内流量的目的 3 因此 应用涡街流量计测量的特点就是 体积流量 Qv 只与涡街频率及管道和发生体 的几何形状有关 与流动介质的性质无关 这决定了涡街流量计的下列优点 1 涡街 2 流量计具有线性的仪表系数 而仪表系数的取值仅由管道口径 发生体结构参数确定 2 同一台涡街流量计的仪表系数是一定的 那么就可以用最方便 廉价的介质对流量 计进行标定 由式 1 可知 随着流速的下降 雷诺数 Re 也会减小 当 Re 减小到 3 102以下时斯特罗哈尔数就不再恒定 此时 Qv 与 f 不再是线性比例关系 即式 4 不能成立 因此 涡街流量计实际测量的量程下限远远高于理论值 不难看出 扩展涡 街流量计量程的下限是一个重要的研究课题 2 2 涡街信号的组成 组成涡街的信号既有有用信号也有噪声或者叫干扰信号 从涡街传感器引出的电荷 信号经电荷放大器和滤波器的简单处理后 形成了幅值在几伏左右的电压信号 这个电 压信号是杂乱的 不规则的 其中包括体现涡街频率的信号成分即有用信号 也包括各 种噪声 其中噪声可分为三部分 电磁干扰 流场干扰和管道振动干扰 那么涡街信号 可以表示为 5 321 tntntntsty 式中 体现涡街频率的信号 称为有用信号 ts 电磁干扰信号 1 tn 流场干扰信号 2 tn 管道振动干扰信号 3 tn 我们的最终目的就是要精确的从这个复杂的涡街信号里提取出有用信号 那么 我 们必须先了解噪声信号 才能有效的去除噪声 4 下面从三点加以介绍 1 电磁干扰信号 由于在工业现场电力线及电力设备密集 大量的电磁干扰就会影响到涡街流量计信 号处理电路 这种干扰主要分为三类 高频电磁辐射干扰 交直流电源干扰和低频电磁 干扰 其中高频电磁辐射干扰主要是通过空间电磁场作用到信号处理电路的 交直流电 源干扰来自于电源间的相互影响 低频电磁干扰是对涡街流量计的最主要的电磁干扰 低频电磁干扰的来源非常复杂 它与涡街安装位置 安装方式 接地方式 接地位置 屏蔽情况及放大器的特性等有关 如 金属屏蔽罩屏蔽空间电磁辐射的能力是有限的 不能抵御频率 50Hz 以下的电磁场 压电敏感元件的接地点 表壳 与处理电路的接地点 如果存在跨步电流 就会在地线两端产生 50Hz 的跨步电压干扰 当电源干扰存在 而处 3 理电路的共模抑制比较低时 就会在电路中引入 50Hz 的电源共模干扰 这种低频干扰在 涡街频带之内 所以消除低频电磁干扰是涡街现场应用的一个重要问题 2 流场干扰信号 工业现场管道内的干扰对漩涡发生体附近的流场分部有很大的影响 由于管道上下 游存在着各种阻力件如阀门 弯头 T 形管 扩张管和收缩管等 这些器件对管道的影响 有两个方面 1 影响管道内的压力分部 导致管道的压力分布不均匀 从而导致管道 内流速分部不均匀 2 会产生流体扰动和杂乱的漩涡流 这种干扰会使涡街信号的信 噪比降低 并且破坏管道内流场的均匀性和对称性 3 管道振动干扰信号 图 1 受扰的涡街信号图 管道一般与风机 水泵或压缩机等装置相连接 风机 水泵和压缩机产生的振动 人为撞击管道以及局部阻力件产生的随机噪声有时十分强烈 会叠加到涡街信号中 对 于有用信号的提取带来了很大的困难 理想的涡街信号经电荷放大器和低通滤波器后应 该是一个规则的正弦波信号 但是 在工况下低流速的涡街信号则基本被噪声淹没 如 图 1 所示的实际工况下采集的受扰的涡街信号波形图 2 3 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的设计方案 大部分的脉冲输出型涡街流量计都是基于电荷放大电路 滤波电路 整形电路和脉 冲输出电路组成的一套模拟电路的模拟涡街流量计 实践证明 在高信噪比的情况下 这种模拟涡街流量计处理涡街频率信号的效果是很好的 但是 当在低流速下测量时 由于有用信号波形的峰值大致与流速的平方成正比 信号幅值较小 信噪比较低 经常 性的噪声 如流动噪声 的幅值则相对增强 以至于淹没有用信号 造成整形时的误触 4 发 由于上述情况主要出现在测量的低量程段 从而导致了量程比的缩小 普通的模拟 涡街流量计的实际量程只有 1 10 鉴于上述模拟涡街流量计具有的优势以及存在的不足 本课题提出了一种新型脉冲 电流输出型数字涡街流量计的方案设计 该方案既保留了原有模拟涡街流量计在正常流 量范围高信噪比情况下测量准确 实时性好的优势 又采用现代数字信号处理技术 有 效地克服了小流量下测量精度不高甚至不能测量的问题 本课题设计的双 MSP430 单片机数字涡街流量计采用了普通模拟涡街流量计的前置放 大电路 包括电荷放大器 低通滤波器 限幅器和施密特触发器 上述的前置处理电路 产生的两种信号分别送到两个单片机中 其中幅值为 3 3V 的脉冲信号送入 MSP430F149 中 幅值为 3 3V 的正弦信号送入 MSP430F1611 中 当流量处于正常流速状态时 由 MSP430F149 利用其 I O 端口的外部中断功能 对前置放大电路输出的方波信号进行计频 从而得出当前频率值 当流量处于低流速状态时 对前置放大电路中低通滤波器输出的 叠加了许多干扰的正弦信号进行 A D 采样 再利用 MSP430F1611 对 A D 采样的结果进行 频谱分析 从而得出此时涡街信号的频率 最后 在整个流量范围内 将得出的频率值 以脉冲输出的方式从 MSP430F149 的端口输出同时以模拟电压值的形式从 MSP430F1611 的 端口输出然后通过 AM402 芯片转换为 4 20mA 电流输出 图 2 双 MSP430 单片机的设计示意图 压电式涡街传感 器 电荷放大器低通滤波器 限幅器施密特触发器 脉冲计频单片机 脉冲输出 FFT 转换单片机 三线制输出接口 两线制输出接口 电荷信号 电压值 电流值 电业转换电流输出 5 此方案与传统模拟涡街流量计的信号处理方法基本类似 具有在正常流量范围内高 信噪比情况下计量准确 实时性好的优点 但是 在小流量低信噪比的情况下 涡街信 号受干扰严重 易造成整形时的误触发 从而导致单片机计频不准甚至无法测量 此时 数字涡街流量计会自动切换到 FFT 频率计算方式 即在低流速小流量的情况下 模拟电 路输出的代表涡街频率的方波信号非常不稳 跳变的范围很大时 MSP430F1611 单片机首 先利用其 A D 采样端口采集经电荷放大 低通滤波处理后的正弦信号 然后进行 FFT 运 算和功率谱分析从而得出此时的涡街信号频率值 然后 MSP430F1611 把频率值转化为电 压值 又将电压值经过 AM402 转换为 4 20mA 电流输出 与此同时 通过通讯的方式将 频率值发送给 MSP430F149 单片机 最后通过 MSP430F149 单片机进行脉冲输出 此方案 把数字信号处理的方法应用到实际中 很好的解决了传统模拟方法很难解决的低信噪比 信号处理问题 即可有效地降低涡街信号的测量下限 5 2 4 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的 FFT 频率计算方法 2 4 1 FFT 算法简介 FFT 是 DFT 的快速计算方法 DFT 是连续傅里叶变换的离散形式 离散信号 x nT 的 傅里叶变换可以表示为 6 1 2 1 0 1 0 NkWnxkX N n nk N 式中 成为蝶形因子 上式实际上就是 N 点的 DFT 可以看出 计算 Nj N eW 2 所有的 X k 需要 N2 次乘法和 N2 次加法 运算量很大 DFT 的快速算法即 FFT 利用了蝶 形因子内在的对称性和周期性 从而加快运算速度 6 2 4 2 功率谱估计概念及频率计算 经典谱估计中的直接法又称周期图法 周期图这一概念是由 Schuster 于 1899 年首 先提出的 因为它是直接由傅里叶变换得到的 所以习惯上称之为直接法 它是把随机 信号 x n 的 N 个观察数据 xN n 视为一能量有限信号 直接取 xN n 的傅里叶变换 得 XN 然后再取其幅值的平方 并除以 N 作为对 x n 真实的功率谱 P 的估计 以 表示用周期图法估计出的功率谱 则 wPN 7 2 1 wX N wP N N 6 其中 8 1 0 N n jw NN enxwX 是实平稳随机序列的傅立叶变换 nxN 自 1965 年 FFT 出现后 周期图法就成为了谱估计中的一个常用的方法 XN 可以 借助 FFT 实现 所以也可方便地求出 这样不仅实现简单 而且具有很高的计算效率和 计算精度 本课题设计的 FFT 计算程序首先依据快速傅立叶变换原理进行 1024 点 FFT 计算 然 后将计算得到的再进行功率谱计算 在 1024 个功率谱中找出最大的一个 wxN wPN 即功率谱的峰值 设第 K K 1 2 1024 个功率谱为最大值 那么实际涡街的真实频 率为 9 NKff S 其中 fs 采样频率 N 采样点数 本课题选取 N 1024 通过这样的方法就可以计算出涡街在低流速下的频率值了 不难发现 在式 9 中 fs N 正是频率值的分辨率 如果要想更加准确地计算出频率值 f 就必须提高分辨率 fs N 那么方法有两种 一种是降低采样频率 另一种是增加采样点数 但是 采样频 率的降低是有限度的 要满足 Shannon 采样定理 采样点数增加会增大 MSP430 单片机的 计算量和数据存储量 势必会影响 MSP430 单片机运算的实时性和功耗的增加 鉴于上述 情况 课题引入了一种实正弦信号的快速插值频率估计方法作为校正频率值的方法 2 4 3 单频实正弦信号的快速插值频率估计法 由于涡街流量实际信号为单频实正弦信号 根据 FFT 变换系数的实部与幅度谱具有 相似的特征 当信噪比高于 5dB 时 FFT 变换后系数的实部与幅度谱具有完全相同的峰值 位置 所以 只需利用 3 个 FFT 系数的实部来构造频率修正项 计算量低 具有精度高 测频速度快的特点 具体算法实现如下 设实际涡街流量信号为 x n asin 2 n f fs 其中 a 为信号幅度 f 为信号频 率 令 X0 k 该信号点的 FFT 系数 k0 N f0 fs 为信号真实频率位置 当 f0 fs N 时 根 据正负幅度谱的严格对称性 只需对其正频部分进行分析 完成对涡街流量信号的新型 幅度谱插值算法 该算法简单 快速 大大提高了频谱分析精度 具有很大的实用意义 7 7 3 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的硬件设计 3 1 整体硬件电路设计方案 从抗干扰和降低功耗两个角度考虑 本课题设计了数字涡街流量计的硬件电路 整 体结构框图如图 3 所示 采用了以 MSP430F149 单片机和 MSP430F1611 单片机为核心的双 CPU 硬件结构 其中 MSP430F149 单片机作为脉冲计频单片机 MSP430F1611 为 FFT 转换单片机 仪表的整体结构可分为对压电传感器输出的涡街信号的前置放大电路 单片机计算及输 出电路 电压转换电路共三大部分 实现了双通道信号采集 数据传输 数据处理 脉 冲输出 电流输出等功能 电荷放大器 低通滤波器 FFT转换单片机 5V转3 3V电源 芯片 施密特触发器 限幅器 脉冲计频单片机 压电式涡街 传感器 三线制输出 电压转换电流 芯片 电源芯片 放大电路 涡街信号 电压输出 3 3V 5V 12V 24V 24V 脉冲输出 脉冲输出 图 3 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计硬件电路框图 3 2 前置放大电路的设计 课题设计的双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计选用压电式涡街传感头 即检测涡 街频率信号应用应力式检测方式 把应用膜片和压电晶体元件作为检测元件置于旋涡发 生 8 C15 680nF C16 680nF C17 C18 R5 5 6M 6 5 R6 6 8M R7 6 8M 2 3 4 6 7 U3C TLV2254 2 3 4 6 7 U3B TlV2254 2 3 4 6 7 U3A TLV2254 R8 300K R9 5 1K R10 220 C19 C20 W1 100K Sine Signal 16 390 R15 22K R17 1 3M R14 22K 2 3 4 6 7 U4C TLV2245 D11N4148 D21N4148 C22 C24 CAP2 C23 R21 10K R18 39K R19 300K 2 3 4 6 7 U4B TLV2245 W2 100K 2 3 4 6 7 U4A TLV2254 R23 5 1K R22 39K AVCC3 3 Pulse Signal 2 3 4 6 7 U3D TLV2254 R11 200K R13 47 R12 200K C21 10nF AVCC3 3 2 3 4 6 7 U4D TLV2254 图 4 整体硬件电路图 9 体后 当旋涡在旋涡发生体附近产生后 就会作用在检测元件上面产生一个交替的升力 该升力的频率与旋涡发生体发出的旋涡频率相同 这个升力加上管道噪声和流体振动噪 声同时作用在检测元件上 使其产生应力变化 应力差作用于膜片上 使检测元件内的 压电晶体元件的诱导电荷发生变化 将电荷变化量引出 它是微弱的含有各种噪声的电 荷信号 幅值在几 mV 左右 此即是压电传感头的输出信号 也是涡街前置放大电路的 输入信号 前置放大电路的任务是将检测元件提供的微弱电信号处理成有效代表涡街频率的脉 冲信号 同时 由于本课题设计的数字涡街除了对上述脉冲信号直接用单片机计频以外 还具有频谱分析的功能 故还需从前置放大电路中另抽取一路正弦信号作为频谱分析的 采样信号 课题设计的前置放大电路主要由电荷放大器 低通滤波器 限幅器和施密特触发整 形器四部分构成 而具体的硬件电路则是由以运算放大器为主体的模拟电路来实现 如 图 4 所示 出于对系统的低功耗特性和输出的驱动能力两方面的考虑 课题选用了 2 片美国德 州仪器 简称 TI 公司的 TLV2254 单电源 低电压 低功耗 4 运算放大器 U1 和 U2 来实现本数字涡街流量计的前置放大电路 采用先进的 LinCMOSTM 工艺制造的 4 路运算 放大器 TLV2254 具有满电源电压幅度输出性能 同时比现有的 CMOS 运放具有更好的输 入失调电压和更低的功耗 TLV2254 的典型特性有 输出摆幅包括两个电源电平 即可 达到满电源电压幅度 低噪声 f 1kHZ 时 典型值为 19nV HZ 低输入偏置电流 典型值为 1pA 超低的功耗 每一通道的典型值为 34 A 共模输入电压范围包含负 载电源电平 低输入失调电压值 在 t 25 时最大为 850 V 供电电压范围宽泛 2 7V 8V 高输入阻抗和低噪声 非常适用于压电传感器之类小信号条件的高阻抗来 源 下面分电荷放大 电压参考 低通滤波 限幅 施密特触发整形五个环节分别进行 详细介绍 3 2 1 电荷放大器的设计 由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷信号 且传感器本身有很大内阻 故输出能量甚微 为此 必须放大传感器输出的微弱电信号 并将压电式传感器的高阻 抗输出变换为低阻抗输出 而电荷放大器实际上是一个以电容为反馈元件的具有深度负 反馈的高增益运算放大器 不同于一般的电压放大器的是 其输入信号是电荷 输出信 10 号为电压 图 5 所示即为电荷放大器电路结构 8 CpCt Cf A Qeo 图 5 电荷放大器电路原理图 如图所示 由于压电传感器具有很高的绝缘内阻 因此其等效电路为电荷与电容器 的并联 设 Q 为传感器产生的电荷 Cp 为传感器电容 Ct 为连接电缆电容 Cf 为电荷放 大器带有的深度负反馈电容 为运放的输入电压 eo 为运放的输出电压 A 为运放的放 大倍数 电荷放大器工作时 可推出 10 1 ACCC AQ e ftp o 由于电荷放大器的增益一般很高 使得 Cf 1 A Cp Ct 则有 11 FF o C Q AC AQ e 1 所以 电荷放大器的输出电压与压电传感器的输出电荷成比例 放大器的灵敏度则 由反馈电容 Cf 来控制 如图 6 所示 运放 U3C 部分的电路构成了电荷放大器 为了提高输入级的共模抑制 能力 采用的是双端输入的差动电荷放大器 双端的电容 电阻参数完全对称 R6 R7 C17 C18 考虑到电容负反馈对直流工作点相当于开环 使放大器的零点漂 移增大 因此在 C17 C18 处分别并联反馈电阻 R6 和 R7 来提供稳定的直流工作点 抑制 放大器的零漂 11 C15 680nF C16 680nF C17 C18 R5 5 6M 6 5 R6 6 8M R7 6 8M 2 3 4 6 7 U3C TL V2254 图 6 电荷放大器电路结构 3 2 2 电压参考电路的设计 如图 7 运放 U3D 以及电阻 R11 和 R12 构成了前置放大电路的电压参考电路 用于提 供电荷放大器 U3C 运放 U3B U3A U4 A B C 的静态工作点 由于压电传感器输出的 交变信号类似正弦波 而所采用的运算放大器 TLV2254 是单电源 AVCC 3 3V 供电 如果 不采取措施 正弦信号的负半周将截止 为此 增加一个运算放大器 U4D 它的同相端输 入电压由电阻 R11 和 R12 分压得到 R11 R12 即同相端的电压为系统电压的一半 AVCC 2 1 65V 由于整个电路的输入信号为两路压电传感器的差动信号 将电压参考电 位定为 AVCC 2 有利于对差动信号进行充分的放大 U4D 的输出电压反馈至反向端 输出 电压则稳定在 1 65V 这样 电荷放大器的静态工作点就被抬高至 1 65V 压电传感器输 出的正弦波以 1 65V 为基准 波峰可至 3 3V 波谷可至 0V 2 3 4 6 7 U3D TL V2254 R11 200K R13 47 R12 200K C21 10nF AVCC3 3 2 3 4 6 7 U4D TL V2254 图 7 基准电路原理图 12 3 2 3 低通滤波器的设计 工业现场应用中发现 影响前置放大电路正常工作的主要来自周围的电磁场干扰 可分为高频电磁辐射干扰和低频电磁干扰 高频电磁辐射干扰大多来自空间电磁场的作 用 因频率较高且与涡街的频带 一般为几 Hz 到几千 Hz 相差较远 可以通过金属防护 罩屏蔽和低通滤波的方法加以解除 至于低频电磁干扰 50Hz 由于其频率处于涡街信 号的频带之内 金属外壳无法防御 故消除低频电磁干扰是设计前置放大电路的关键 为了衰减信号中不感兴趣的高频成分 减小频混的影响 在电路中加入了低通滤波 器 如图 8 所示 涡街流量信号的频带很宽 并且随着频率的增大 信号的幅值近似以 指数增长 低频时的信号很小 而高频时的信号很大 为了保证流量信号在低频 高频 都有高的信噪比 都有很强的抗干扰能力 因此要把低通滤波器的截止频率定在低频段 来滤除普遍存在的 50Hz 的工频干扰 流场的低频摆动噪声等低频干扰噪声 保证在小流 量情况下 仍有较高的信噪比 进行正确的测量 但是 截至频率也不能定的很小 否 则会对高频信号衰减的过大 导致高频段的信噪比降低 影响测量 因此 必须选择一 个适当的截至频率 当然 不同口径和不同介质 气 液 涡街的截止频率也会不同 由于电荷放大器的输出电压一般在几十 mV 左右 不足以推动流量检测电路 还需进 一步放大 由运放 U3B U3A 电阻 R8 R9 可变电阻 W1 和电容 C19 C20 组成的低通滤 波器具有电压放大的作用 且增益可调 运放反相输入端接可调电阻 W1 100K 和电阻 R9 5 1K 反馈电阻 R8 300K 所以 该运放的放大倍数为 2 20 倍 运放 U3B 的输出 信号 Sine Signal 即单片机 A D 需要采集的涡街信号 它是以 1 65V 为基准 接近 A D 转换量程 0 3 3V 的带有许多 小毛刺 的正弦波 9 13 2 3 4 6 7 U3B TlV2254 2 3 4 6 7 U3A TL V2254 R8 300K R9 5 1K R10 220 C19 C20 W1 100K Sine Signal 图 8 低通滤波器电路原理图 3 2 4 限幅器的设计 限幅器的作用是对上述低通滤波器的输出信号电平进行箝位 从而进一步消除干扰 提高放大器的信噪比 同时为后续电路提供稳定的触发电压 在图 9 中 限幅器运放 U2C 的负反馈部分除了用一个小容量的电容 C23 2200p 和一个较大的反馈电阻 R17 1 2M 并联以滤除一些高频干扰和放大信号幅值以外 它 还有两个反相并联的二极管 D1 D2 起放大整形的作用 当运放 U2C 反相输入端的信 号电压高于二极管的门坎电压时 输入信号能直接通过导通的二极管输出 而当输入信 号电压低于二极管的门坎电压时 二极管不导通 则信号经反馈电阻被放大 R17 R15 60 倍后再输出 因此 限幅器输出的信号己经不再是完整的正弦波波形了 而是被限幅后 类似方波的波形 14 16 390 R15 22K R17 1 3M R14 22K 2 3 4 6 7 U4C TL V2245 D11N4148 D21N4148 C22 C24 CAP2 C23 图 9 限幅器电路原理图 3 2 5 施密特触发器的设计 施密特触发器 Schmitt Trigger 是脉冲波形变换中经常使用的一种电路 它其实 是具有双门限值的反相输入迟滞比较器 由于对输入输出信号具有迟滞作用 所以能够 有效地防止由噪声产生地振荡 施密特触发器在性能上有两个重要的特点 第一 输入 信号从低电平上升时的转换电平和从高电平下降时的转换电平不同 第二 在电路状态 转换时 通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边缘变得很陡 利用这两个特点 不仅可以将边缘变化缓慢的信号波形整形为边缘陡峭的矩形波 而且可以将叠加于矩形 脉冲信号高 低电平上的噪声有效地清除 如图 10 运放 U4B 的正相输入端通过反馈电阻 R19 和正相输入电阻 W2 对输出端电压 分压 此分压值即为触发阈值 通过调节可变电阻 W2 的大小 可以改变触发阈值的大小 从而改变输出方波的形状 但是输出方波的频率不变 假设运放的饱和电压值为 VCC 反 馈电阻与正相输入电阻相等 则阈值为 VCC 2 U2B 负相输入端的限幅后的正弦信号与此 阈值作比较 得到幅值为 0 VCC 的方波输出 此方波再与比较器 U4A 作比较得到最终的 脉冲信号 Pulse Signal 输出 如图 11 15 R21 10K R18 39K R19 300K 2 3 4 6 7 U4B TL V2245 W2 100K 图 10 施密特触发器电路原理图 2 3 4 6 7 U4A TL V2254 R23 5 1K R22 39K AVCC3 3 Pulse Signal 图 11 比较器电路原理图 3 3 单片机计算及输出电路的设计 单片机是本数字涡街流量计的控制核心 出于对单片机本身的控制功能 功耗以及 开发工具的完善程度等多方面的考虑 课题最终选择了美国 TI 公司的 MSP430F149 单片 机及 MSP430F1611 单片机 MSP430 单片机的主要特点如下 1 低电源电压范围 1 8 3 6V 2 超低功耗 2 5 A 4kHz 2 2V 160 A 1MHz 2 2V 3 5 种节电模式 等待方式 0 7 A RAM 保持的节电方式 0 1 A 4 从等待方式唤醒时间 6 s 5 16 位 RISC 结构 150ns 指 令周期 6 基本时钟模块配置 高 低速晶体 内部 DCO 7 12 位 200kbps 的 A D 转 换器 自带采样保持 8 具有三个捕获 比较寄存器的 16 位定时器 Timer A Timer B 9 多达 60KB FLASH ROM 和 2KB RAM 其中 MSP430F1611 单片机具有 10KB RAM 10 安全熔丝的程序代码保护 11 MSP430F1611 单片机具有 12 位 D A 转换 模块 10 16 脉冲计频单片机 MSP430F149 FFT转换单片机 MSP430F1611 脉冲信号正弦信号 电流输出脉冲输出 图 12 单片机外围电路硬件框图 本数字涡街流量计信号处理系统充分利用了 MSP430F149 丰富的 I O 和中断端口对施 密特触发器输出的方波信号进行脉冲计数 通讯以及脉冲输出 利用 MSP430F1611 内部 的 12 位 A D 对前置放大电路中低通滤波后的涡街流量信号进行采样及电流输出 图 12 所示即单片机外围电路硬件结构框图 下面分别介绍各部分电路 3 3 1 涡街信号采集电路的设计 课题设计的数字涡街流量计对涡街信号的采集分为 MSP430F1611 单片机对正弦信号 的采样和 MSP430F149 单片机对方波信号的计频两种 对正弦信号的采样通过 MSP430F1611 内部的模数转换器 ADC12 来实现 ADC12 是 12 位精度的 A D 转换模块 具有高速 通用的特点 它具有带有采样 保持功能的 ADC 内核 可控制的转换存储 可控制的参考电平发生器 可控制的采样及转换时序电路五大功能 模块 均可独立配置 前置放大电路中引出的正弦信号 S1 作为 MSP430F1611 的第 59 引 脚 P6 0 A0 的模拟信号输入端 采用单通道单次的采样模式 对方波信号的计频通过 MSP430F149 具有中断功能的 I O 端口来实现 MSP430F149 中 P1 和 P2 这两个 8 位端口都能用做输入和输出 同时具有中断能力 每个信号都可作为一 个中断源 课题选用 P1 2 TA1 端口 以前置放大电路中输出的方波信号 S2 作为 P1 2 TA1 的中断源 采用上升沿中断的方式计频 3 3 2 脉冲输出电路的设计 本数字涡街流量计在计算得出涡街信号频率之后通过硬件将频率输出来即脉冲输出 下图 13 即本仪表脉冲输出原理图 其中 MCU149 Out 为 MSP430F149 单片机的脉冲输出 Pulse out 为仪表脉冲输出信号 根据 MSP430F149 单片机的特点 选用带有定时中断功 能的 P4 0 TB0 端口输出频率脉冲 由于 MSP430F149 电源电压定为 3 3V 而三线制脉 冲输出的供电电压范围为 0 12V 故增加了一片 LM258 双运放芯片 LM258 第一个运放 为一电压比较器 参考电压由 R25 和 R26 两电阻分压决定为 1V 左右 第二个运放作为一 电压跟随器 输出即峰峰值在 0 12V 左右的脉冲信号 17 VCC3 3 R27 R26 100K R25 200K R28 220 2 3 4 6 7 U5A LM2582 3 4 6 7 U5B LM258 MCU149 OUT Pulse out AVCC12 0 图 13 脉冲输出原理图 3 3 3 电流输出电路的设计 R31 25 R29 33K R30 33K C7 2 2uF C8 0 01uF VR1 5K VR2 5K D3 R32 T1 BD139 40 1 2 3 5 7121116 M CU1611 O UT VCC24 AM 402 VCC 5V 图 14 电压转换为电流电路 本课题设计的数字涡街流量计具有 4 20mA 远传的功能 因此课题采用 AM4 芯片将 MSP430F1611 单片机的 D A 模块输出的电压信号 0 2 5V 转换为 4 20 电流信号 通过 调节变阻器 VR1 来调节 4mA 单片机的电压信号通过一个滑动变器 VR2 连接到 AM402 的 7 脚来调节 0 16mA 进而整个电流输出电路可以实现 420mA 的输出 具体电路设计如图 14 其中 MCU1611 Out 为 MSP430F1611 单片机的电压输出信号 24V 供电电源的正负电 源线中的电流即为 4 20mA 电流 此时仪表为两线制 11 18 3 4 电源电压转换电路设计 MSP430F149 单片机和 MSP430F1611 单片机都需要稳定可靠的 3 3V 供电 因此电压转 换电路就尤为重要 课题采用 24V 直流电源供电 通过 AM402 芯片提供 5V 电源 再通过 BCM3033 电源芯片将 5V 转换为 3 3V 电源为单片机供电 电路设计如下图 AM402BCM303 MPS430F1611 MSP430F149 24V5V 3 3V 3 3V 图 15 电压转换电路框图 除了为单片机供电外 还需要为整个仪表脉冲输出电路的放大器供电 即需要 12V 供电 因此本课题采用 uA7812 电源芯片将 24V 电压转换为 12V 电压 电路原理图如下图 D4 DIODEC4 0 01uF C38 0 33uF C3 10uF L1 L2 VCC24AVCC12 0 1 2 3 24V Pulse OUT GND 1 2 IC2 uA7812 Vin 12V GND 1 2 3 J5 图 16 24V 转换为 12V 电路原理图 3 5 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的硬件低功耗设计 近年来 科学技术发展推动着电子产品的日新月异 同时对电子产品的各项性能指 标的要求也越来越高 其中较为突出的就是产品的功耗问题 因此在保证速度的前提下 尽可能地降低系统的功耗 已成为电子产品的发展趋势 系统低功耗设计在整体设计中 显得越来越重要 其主要意义有 便于电池供电 促进便携化发展 简化设计 提 高可靠性 实现 绿色 电子 节省能源 由于本课题设计的数字涡街流量计要具有 4 20mA 远传功能 因此降低功耗就成为 至关重要的问题了 为了实现本数字涡街流量计的低功耗设计 课题采用了以下手段 选用了低功耗 19 器件 采用了低压供电 功耗与电源电压的平方成正比 降低电源电压是降低功耗的 最有效的途径 故采用能低压工作的芯片 尽量降低系统的时钟频率 从而降低系统 的功耗 采用低功耗的工作方式 合理选择系统的各项技术指标 因为系统中许多 技术指标都和功耗联系在一起 像运行速度 驱动能力 稳定性等 这些技术指标的提 高往往以增加功耗来换取 所以 从功耗角度出发应合理选择系统各项指标 采用低 功耗的软件设计技术 12 MSP430 单片机在硬件上的低功耗设计关键是 1 为系统内核及外围模块选择尽可能低的工作时钟频率 单片机的功耗与工作频 率成正比关系 功耗随着工作频率的降低而明显减少 但是 工作频率太低会影响指令 执行速度 降低仪表的实时性要求 所以需要选择一个适当的频率值 因此 MSP430F1611 被设计为两个时钟 当进行 FFT 计算时使用主频 MCLK 为 8Hz 的高频晶振 其他时间 使用外接 32768Hz 晶振作为外围模块的时钟 ACLK 2 将不用的 I O 端口开路并设置成输出端 3 适当加大管脚中用到的上拉 下拉电阻值 4 双 MSP430 单片机结构数字涡街流量计的软件设计 4 1 软件总体设计方案 在第三章介绍的硬