雙MSP430單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計.doc

雙雙 MSP430MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計 2008年 12 月 20 日 題 目 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計 指 導(dǎo) 教 師 馬老師職 稱講師 主要研究方向 單片機原理理論 選題的主要目的和意義 渦街流量計因其介質(zhì)適應(yīng)性強 無可動部件 結(jié)構(gòu)簡單 使用壽命長等諸多優(yōu)點 在 許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用 而在低流速下 渦街測量就凸顯出了它的不足 渦街信號的 信噪比很低 有用信號幾乎被噪聲淹沒 普通的渦街流量計采用模擬信號處理方法 在正 常流量范圍內(nèi) 渦街流量信號穩(wěn)定 測量準確 實時性好 鑒于上述模擬渦街流量計具有 的優(yōu)勢以及存在的不足 課題的目的是數(shù)字信號處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量儀表當(dāng)中 采用雙 MSP430 單片機的結(jié)構(gòu)進行脈沖計頻和 FFT 計算 并且實時進行脈沖輸出及電流輸 出 使其具有測量下限低 抗干擾能力強 實時數(shù)字信號處理等特點 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 渦街流量計是最年輕的一類流量計 但發(fā)展迅速 目前已成為通用的一類流量計 但是 渦街流量計主要存在著兩個關(guān)鍵性問題 第一 易受噪聲干擾 第二 難以準確測量低流 速流量 流量計伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能 而技術(shù)的進步也讓流量計的完 善成為可能 流量計的發(fā)展將向提高流量計的可靠性 提高流量計對介質(zhì)適應(yīng)性 對環(huán)境 的適應(yīng)性等方面發(fā)展 同時隨著新的信號處理技術(shù)及新的信號傳輸技術(shù)的應(yīng)用 流量計將 向高度智能化方向發(fā)展 注 本表由擬擔(dān)任畢業(yè)論文 設(shè)計 指導(dǎo)任務(wù)的教師填寫 教學(xué)單位存檔 2008 年 12 月 16 日 渦街流量計因其介質(zhì)適應(yīng)性強 無可動部件 結(jié)構(gòu)簡單 使用壽命長等諸多優(yōu)點 在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用 而在低流速下 渦街測量就凸顯出了它的不足 渦街信 號的信噪比很低 有用信號幾乎被噪聲淹沒 普通的渦街流量計采用模擬信號處理方法 在正常流量范圍內(nèi) 渦街流量信號穩(wěn)定 測量準確 實時性好 而在小流量下 渦街有 用信號微弱 提取困難 導(dǎo)致實際測量下限比較高 鑒于上述模擬渦街流量計具有的優(yōu)勢以及存在的不足 課題的目的是數(shù)字信號處理 方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量儀表當(dāng)中 采用雙 MSP430 單片機的結(jié)構(gòu)進行脈沖計頻和 FFT 計 算 并且實時進行脈沖輸出及電流輸出 使其具有測量下限低 抗干擾能力強 實時數(shù) 字信號處理等特點 二 本選題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 渦街流量計是最年輕的一類流量計 但發(fā)展迅速 目前已成為通用的一類流量計 但 是渦街流量計主要存在著兩個關(guān)鍵性問題 第一 易受噪聲干擾 第二 難以準確測量 低流速流量 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用 使得復(fù)雜的信號處理算法得以在硬 件上實現(xiàn) 已研究的 DSP 與 MSP430 單片機相結(jié)合的數(shù)字渦街信號處理系統(tǒng) 在很大程度 上降低了流量測量下限以及提高了抗干擾能力 流量計伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能 而技術(shù)的進步也讓流量計的完 善成為可能 流量計的發(fā)展將向提高流量計的可靠性 提高流量計對介質(zhì)適應(yīng)性 對環(huán)境 的適應(yīng)性等方面發(fā)展 同時隨著新的信號處理技術(shù)及新的信號傳輸技術(shù)的應(yīng)用 流量計將 向高度智能化方向發(fā)展 三 課題設(shè)計方案 主要說明 研究 設(shè)計 的基本內(nèi)容 觀點及擬采取的研究途徑和方法 從抗干擾和降低功耗兩個角度考慮 本課題設(shè)計了數(shù)字渦街流量計的硬件電路 采 用了以 MSP430F149 單片機和 MSP430F1611 單片機為核心的雙 CPU 硬件結(jié)構(gòu) 本課題設(shè)計 的雙 MSP430 單片機數(shù)字渦街流量計采用了普通模擬渦街流量計的前置放大電路 上述的 前置處理電路產(chǎn)生的兩種信號分別送到兩個單片機中 其中幅值為 3 3V 的脈沖信號送入 MSP430F149 中 幅值為 3 3V 的正弦信號送入 MSP430F1611 中 當(dāng)流量處于正常流速狀 態(tài)時 由 MSP430F149 利用其 I O 端口的外部中斷功能 對前置放大電路輸出的方波信號 進行計頻 從而得出當(dāng)前頻率值 當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時 對前置放大電路中低通濾 波器輸出的疊加了許多干擾的正弦信號進行 A D 采樣 再利用 MSP430F1611 對 A D 采樣 的結(jié)果進行頻譜分析 從而得出此時渦街信號的頻率 最后 在整個流量范圍內(nèi) 將得 出的頻率值以脈沖輸出的方式從 MSP430F149 的端口輸出同時以模擬電壓值的形式從 MSP430F1611 的端口輸出然后通過 AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 4 20mA 電流輸出 目目 錄錄 摘 要 1 1 引言 1 1 1 渦街流量計概述 1 1 2 渦街流量計的主要問題 1 1 3 課題研究目的及意義 2 2 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的總體方案設(shè)計 2 2 1 渦街流量計的工作原理 2 2 2 渦街信號的組成 4 2 3 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的設(shè)計方案 5 2 4 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的 FFT 頻率計算方法 7 3 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的硬件設(shè)計 9 3 1 整體硬件電路設(shè)計方案 9 3 2 前置放大電路的設(shè)計 9 3 3 單片機計算及輸出電路的設(shè)計 16 3 4 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 19 3 5 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的硬件低功耗設(shè)計 19 4 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的軟件設(shè)計 20 4 1 軟件總體設(shè)計方案 20 4 2 MSP430F149 單片機程序設(shè)計 20 4 3 MSP430F1611 單片機程序設(shè)計 21 4 4 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的軟件低功耗設(shè)計 23 5 總結(jié)與展望 24 參考文獻 25 謝 辭 26 1 1 雙雙 MSP430MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計 摘 要 鑒于現(xiàn)有渦街流量計具有的優(yōu)勢以及存在的不足 本課題研究并且實現(xiàn)了一臺數(shù)字渦街 流量計 該數(shù)字渦街流量計采用了雙 MSP430 單片機的硬件結(jié)構(gòu) 在低流速小流量的情況下 由 MSP430F1611 單片機實現(xiàn)頻譜分析算法來計算渦街信號頻率 有效地克服了模擬渦街在小流量下測量 精度不高甚至不能測量的問題 以及具有常規(guī)模擬渦街在高信噪比的情況下測量準確 實時性好的優(yōu) 點 關(guān)鍵詞 渦街流量計 脈沖輸出 電流輸出 MSP430 流量下限 1 引言 1 1 渦街流量計概述 渦街流量計屬旋渦流量計類型 它是利用流體振蕩的原理進行流量測量 當(dāng)流體流 過非流線型阻擋體時會產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦 旋渦的產(chǎn)生頻率與流體流速有著確定的對應(yīng)關(guān) 系 測得頻率的變化 就可以得知流體的流量 渦街流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成 傳感器包括旋渦發(fā)生體 阻流體 檢測 元件 儀表表體等 轉(zhuǎn)換器包括前置放大器 濾波整形電路 D A 轉(zhuǎn)換電路 輸出接口 電路 端子 支架和防護罩等 渦街流量計有其自身的使用特點 它的輸出為脈沖頻率 其頻率與被測流體的實際體積流量成正比 它不受流體密度 壓力 溫度的影響 壓力 損失較小 測量范圍較大 在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi) 輸出信號頻率不受流體物性和組分 變化的影響 儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體形狀和尺寸有關(guān) 為旋渦發(fā)生體的標準化創(chuàng)造了 條件 渦街流量計也存在著一定的局限性 不適用于低雷諾數(shù)測量 一般要求雷諾數(shù) Re 不低于 2 104 故在高粘度 低流速 小口徑情況下應(yīng)用受到限制 需要根據(jù)上游側(cè)不 同形式的阻流件配置足夠長的直管段或裝設(shè)流動調(diào)整器 整流器 不適用于周圍環(huán)境有 嚴重干擾及管道產(chǎn)生振動的場所 1 2 渦街流量計的主要問題 渦街流量計主要存在著兩個關(guān)鍵性問題 第一 易受噪聲干擾 渦街流量計本質(zhì)上 是流體振動型流量計 因此它對外界振動 流體的流動狀態(tài)特別敏感 如管道振動 管 道流體的沖擊力以及由于流體壓力的變化 產(chǎn)生的隨機脈動壓力等 現(xiàn)場的干擾對流量 測量產(chǎn)生很大的影響 流場的穩(wěn)定性 均勻性不僅對卡門渦街的形成和分離有影響 而 且對各種敏感元件的檢測效果也有直接影響 附加的旋渦干擾了渦街信號 降低了信噪 比 第二 難以準確測量低流速流量 因為小流量所產(chǎn)生的橫向升力較小 初始信號非 常微弱 易受流體沖擊振動噪聲和管道振動噪聲的影響 存在一個量程下限死區(qū) 從而 造成量程比受限 小流量不能測量 0 基于上述問題 使得渦街流量計在實際工程應(yīng)用中 實際量程與理論值相差甚遠 實際量程比只能達到 10 1 而理論值可到達 100 1 其實質(zhì)性原因在于低流速下測 量的困難 所以擴大量程比的問題轉(zhuǎn)化成為了擴大渦街流量計測量下限的問題了 也成 為渦街流量計研究的十分重要的研究課題之一 1 3 課題研究目的及意義 根據(jù)目前渦街流量計的研究現(xiàn)狀 課題的目的是將數(shù)字信號處理方法 FFT 應(yīng)用于渦 街流量儀表當(dāng)中 采用雙 MSP430 單片機的結(jié)構(gòu)進行脈沖計頻和 FFT 計算 并且實時進行 脈沖輸出及電流輸出 使其具有測量下限低 抗干擾能力強 實時數(shù)字信號處理等特點 本課題研究并且實現(xiàn)了一臺數(shù)字渦街流量計 該數(shù)字渦街流量計采用了雙 MSP430 單 片機的硬件結(jié)構(gòu) 在低流速小流量的情況下 由 MSP430F1611 單片機實現(xiàn)頻譜分析算法 來計算渦街信號頻率 有效地克服了模擬渦街在小流量下測量精度不高甚至不能測量的 問題 在正常流量范圍內(nèi) 由 MSP430F149 單片機對渦街信號前置放大電路輸出的方波進 行計頻 具有常規(guī)模擬渦街在高信噪比的情況下測量準確 實時性好的優(yōu)點 2 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的總體方案設(shè)計 2 1 渦街流量計的工作原理 本文先從渦街流量計的產(chǎn)生 渦街現(xiàn)象解釋以及渦街信號的測量三個方面來闡述渦 街信號檢測的基本工作原理 2 1 1 渦街的產(chǎn)生與渦街現(xiàn)象 渦街流量計實現(xiàn)流量測量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中的著名的 卡門渦街 原理 在 流動的流體中放置一根與流向垂直的非流線性柱形體 如三角柱 圓柱等 稱之為漩渦 發(fā)生體 隨著流體沿漩渦發(fā)生體流動的速度逐漸加快 雷諾數(shù) Re 逐漸增大 當(dāng) Re 達到 40 左右時 由于漩渦發(fā)生體后半部分附面層中的流體團受到更大的阻滯 就會在漩渦發(fā) 生體下游產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反 平行參差排列的渦列 這就是所謂的 卡門渦街 1 2 其中雷諾數(shù) Re 的定義為 1 vL Re 式中 工作狀態(tài)下流體的運動粘度 1 來流的平均流速 L 為流束的定型尺寸 由流體力學(xué)理論可知 雷諾數(shù)的大小反映了流體的流動特性 實驗表明 當(dāng)外部條 件幾何相似時 幾何相似的流動環(huán)境 流體繞過幾何相似的物體 若雷諾數(shù)相同 流體 的流動狀態(tài)幾何相似 即流體具有相似的運動規(guī)律和流速分布 值得注意的是 并非在任何條件下產(chǎn)生的渦街都是穩(wěn)定的 由于漩渦之間的相互影 響 其形成通常是不穩(wěn)定的 只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排漩渦 且當(dāng)兩漩渦列之間 的距離和同列的兩漩渦之間距離之比 滿足hl 0 281 0 28005 2 l h 時 所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的 2 1 2 渦街信號的測量 大量實驗證明 在二維流動狀態(tài)下 阻流體具有規(guī)則截面 且可視為無限長 當(dāng)滿 足渦街穩(wěn)定的條件時 渦街的單側(cè)旋渦脫落頻率 簡稱渦街頻率 f 與阻流體兩側(cè)的平均 流速 v 之間具有以下關(guān)系 3 d v Stf 其中為 d 阻流體迎流面的最大寬度 St 為斯特羅哈爾數(shù) 它是一個無量綱常數(shù) 當(dāng) 發(fā)生體的幾何形狀確定時 在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi) 一般在 3 102 2 105 斯特羅哈 爾數(shù)是一個常數(shù) 對于三角柱形漩渦發(fā)生體 St 0 16 對于圓柱體形漩渦發(fā)生體 St 0 20 由式 3 可知 渦街頻率與來流的平均流速成正比 那么根據(jù)流動的連續(xù)性 理論易知 渦街頻率與來流的體積流量成正比關(guān)系 且其比例系數(shù)在很寬的流量范圍內(nèi) 為定值 這一原理被用來研制渦街流量計 測量封閉管道內(nèi)流體的流量 流量計的檢測 元件用各種方法檢測渦街頻率 以得到被測流體的體積流量 4 K f St ndf SSvQv 其中 v 為漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速 m s S 為管道截面積 m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)流 通面積與管道截面積之比 d 為漩渦發(fā)生體特征尺寸 K 為儀表的儀表系數(shù) 由式 4 可看出 只要給定渦街流量傳感器 其管道截面積 S 漩渦發(fā)生體特征尺寸 d 及斯特羅哈 爾數(shù)是可知的 因此儀表系數(shù)也是確定的 只要準確測得漩渦的分離頻率 就可以準確 的得知被測流體的速度 從而到達測量管道內(nèi)流量的目的 3 因此 應(yīng)用渦街流量計測量的特點就是 體積流量 Qv 只與渦街頻率及管道和發(fā)生體 的幾何形狀有關(guān) 與流動介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān) 這決定了渦街流量計的下列優(yōu)點 1 渦街 2 流量計具有線性的儀表系數(shù) 而儀表系數(shù)的取值僅由管道口徑 發(fā)生體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 2 同一臺渦街流量計的儀表系數(shù)是一定的 那么就可以用最方便 廉價的介質(zhì)對流量 計進行標定 由式 1 可知 隨著流速的下降 雷諾數(shù) Re 也會減小 當(dāng) Re 減小到 3 102以下時斯特羅哈爾數(shù)就不再恒定 此時 Qv 與 f 不再是線性比例關(guān)系 即式 4 不能成立 因此 渦街流量計實際測量的量程下限遠遠高于理論值 不難看出 擴展渦 街流量計量程的下限是一個重要的研究課題 2 2 渦街信號的組成 組成渦街的信號既有有用信號也有噪聲或者叫干擾信號 從渦街傳感器引出的電荷 信號經(jīng)電荷放大器和濾波器的簡單處理后 形成了幅值在幾伏左右的電壓信號 這個電 壓信號是雜亂的 不規(guī)則的 其中包括體現(xiàn)渦街頻率的信號成分即有用信號 也包括各 種噪聲 其中噪聲可分為三部分 電磁干擾 流場干擾和管道振動干擾 那么渦街信號 可以表示為 5 321 tntntntsty 式中 體現(xiàn)渦街頻率的信號 稱為有用信號 ts 電磁干擾信號 1 tn 流場干擾信號 2 tn 管道振動干擾信號 3 tn 我們的最終目的就是要精確的從這個復(fù)雜的渦街信號里提取出有用信號 那么 我 們必須先了解噪聲信號 才能有效的去除噪聲 4 下面從三點加以介紹 1 電磁干擾信號 由于在工業(yè)現(xiàn)場電力線及電力設(shè)備密集 大量的電磁干擾就會影響到渦街流量計信 號處理電路 這種干擾主要分為三類 高頻電磁輻射干擾 交直流電源干擾和低頻電磁 干擾 其中高頻電磁輻射干擾主要是通過空間電磁場作用到信號處理電路的 交直流電 源干擾來自于電源間的相互影響 低頻電磁干擾是對渦街流量計的最主要的電磁干擾 低頻電磁干擾的來源非常復(fù)雜 它與渦街安裝位置 安裝方式 接地方式 接地位置 屏蔽情況及放大器的特性等有關(guān) 如 金屬屏蔽罩屏蔽空間電磁輻射的能力是有限的 不能抵御頻率 50Hz 以下的電磁場 壓電敏感元件的接地點 表殼 與處理電路的接地點 如果存在跨步電流 就會在地線兩端產(chǎn)生 50Hz 的跨步電壓干擾 當(dāng)電源干擾存在 而處 3 理電路的共模抑制比較低時 就會在電路中引入 50Hz 的電源共模干擾 這種低頻干擾在 渦街頻帶之內(nèi) 所以消除低頻電磁干擾是渦街現(xiàn)場應(yīng)用的一個重要問題 2 流場干擾信號 工業(yè)現(xiàn)場管道內(nèi)的干擾對漩渦發(fā)生體附近的流場分部有很大的影響 由于管道上下 游存在著各種阻力件如閥門 彎頭 T 形管 擴張管和收縮管等 這些器件對管道的影響 有兩個方面 1 影響管道內(nèi)的壓力分部 導(dǎo)致管道的壓力分布不均勻 從而導(dǎo)致管道 內(nèi)流速分部不均勻 2 會產(chǎn)生流體擾動和雜亂的漩渦流 這種干擾會使渦街信號的信 噪比降低 并且破壞管道內(nèi)流場的均勻性和對稱性 3 管道振動干擾信號 圖 1 受擾的渦街信號圖 管道一般與風(fēng)機 水泵或壓縮機等裝置相連接 風(fēng)機 水泵和壓縮機產(chǎn)生的振動 人為撞擊管道以及局部阻力件產(chǎn)生的隨機噪聲有時十分強烈 會疊加到渦街信號中 對 于有用信號的提取帶來了很大的困難 理想的渦街信號經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應(yīng) 該是一個規(guī)則的正弦波信號 但是 在工況下低流速的渦街信號則基本被噪聲淹沒 如 圖 1 所示的實際工況下采集的受擾的渦街信號波形圖 2 3 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的設(shè)計方案 大部分的脈沖輸出型渦街流量計都是基于電荷放大電路 濾波電路 整形電路和脈 沖輸出電路組成的一套模擬電路的模擬渦街流量計 實踐證明 在高信噪比的情況下 這種模擬渦街流量計處理渦街頻率信號的效果是很好的 但是 當(dāng)在低流速下測量時 由于有用信號波形的峰值大致與流速的平方成正比 信號幅值較小 信噪比較低 經(jīng)常 性的噪聲 如流動噪聲 的幅值則相對增強 以至于淹沒有用信號 造成整形時的誤觸 4 發(fā) 由于上述情況主要出現(xiàn)在測量的低量程段 從而導(dǎo)致了量程比的縮小 普通的模擬 渦街流量計的實際量程只有 1 10 鑒于上述模擬渦街流量計具有的優(yōu)勢以及存在的不足 本課題提出了一種新型脈沖 電流輸出型數(shù)字渦街流量計的方案設(shè)計 該方案既保留了原有模擬渦街流量計在正常流 量范圍高信噪比情況下測量準確 實時性好的優(yōu)勢 又采用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù) 有 效地克服了小流量下測量精度不高甚至不能測量的問題 本課題設(shè)計的雙 MSP430 單片機數(shù)字渦街流量計采用了普通模擬渦街流量計的前置放 大電路 包括電荷放大器 低通濾波器 限幅器和施密特觸發(fā)器 上述的前置處理電路 產(chǎn)生的兩種信號分別送到兩個單片機中 其中幅值為 3 3V 的脈沖信號送入 MSP430F149 中 幅值為 3 3V 的正弦信號送入 MSP430F1611 中 當(dāng)流量處于正常流速狀態(tài)時 由 MSP430F149 利用其 I O 端口的外部中斷功能 對前置放大電路輸出的方波信號進行計頻 從而得出當(dāng)前頻率值 當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時 對前置放大電路中低通濾波器輸出的 疊加了許多干擾的正弦信號進行 A D 采樣 再利用 MSP430F1611 對 A D 采樣的結(jié)果進行 頻譜分析 從而得出此時渦街信號的頻率 最后 在整個流量范圍內(nèi) 將得出的頻率值 以脈沖輸出的方式從 MSP430F149 的端口輸出同時以模擬電壓值的形式從 MSP430F1611 的 端口輸出然后通過 AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 4 20mA 電流輸出 圖 2 雙 MSP430 單片機的設(shè)計示意圖 壓電式渦街傳感 器 電荷放大器低通濾波器 限幅器施密特觸發(fā)器 脈沖計頻單片機 脈沖輸出 FFT 轉(zhuǎn)換單片機 三線制輸出接口 兩線制輸出接口 電荷信號 電壓值 電流值 電業(yè)轉(zhuǎn)換電流輸出 5 此方案與傳統(tǒng)模擬渦街流量計的信號處理方法基本類似 具有在正常流量范圍內(nèi)高 信噪比情況下計量準確 實時性好的優(yōu)點 但是 在小流量低信噪比的情況下 渦街信 號受干擾嚴重 易造成整形時的誤觸發(fā) 從而導(dǎo)致單片機計頻不準甚至無法測量 此時 數(shù)字渦街流量計會自動切換到 FFT 頻率計算方式 即在低流速小流量的情況下 模擬電 路輸出的代表渦街頻率的方波信號非常不穩(wěn) 跳變的范圍很大時 MSP430F1611 單片機首 先利用其 A D 采樣端口采集經(jīng)電荷放大 低通濾波處理后的正弦信號 然后進行 FFT 運 算和功率譜分析從而得出此時的渦街信號頻率值 然后 MSP430F1611 把頻率值轉(zhuǎn)化為電 壓值 又將電壓值經(jīng)過 AM402 轉(zhuǎn)換為 4 20mA 電流輸出 與此同時 通過通訊的方式將 頻率值發(fā)送給 MSP430F149 單片機 最后通過 MSP430F149 單片機進行脈沖輸出 此方案 把數(shù)字信號處理的方法應(yīng)用到實際中 很好的解決了傳統(tǒng)模擬方法很難解決的低信噪比 信號處理問題 即可有效地降低渦街信號的測量下限 5 2 4 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的 FFT 頻率計算方法 2 4 1 FFT 算法簡介 FFT 是 DFT 的快速計算方法 DFT 是連續(xù)傅里葉變換的離散形式 離散信號 x nT 的 傅里葉變換可以表示為 6 1 2 1 0 1 0 NkWnxkX N n nk N 式中 成為蝶形因子 上式實際上就是 N 點的 DFT 可以看出 計算 Nj N eW 2 所有的 X k 需要 N2 次乘法和 N2 次加法 運算量很大 DFT 的快速算法即 FFT 利用了蝶 形因子內(nèi)在的對稱性和周期性 從而加快運算速度 6 2 4 2 功率譜估計概念及頻率計算 經(jīng)典譜估計中的直接法又稱周期圖法 周期圖這一概念是由 Schuster 于 1899 年首 先提出的 因為它是直接由傅里葉變換得到的 所以習(xí)慣上稱之為直接法 它是把隨機 信號 x n 的 N 個觀察數(shù)據(jù) xN n 視為一能量有限信號 直接取 xN n 的傅里葉變換 得 XN 然后再取其幅值的平方 并除以 N 作為對 x n 真實的功率譜 P 的估計 以 表示用周期圖法估計出的功率譜 則 wPN 7 2 1 wX N wP N N 6 其中 8 1 0 N n jw NN enxwX 是實平穩(wěn)隨機序列的傅立葉變換 nxN 自 1965 年 FFT 出現(xiàn)后 周期圖法就成為了譜估計中的一個常用的方法 XN 可以 借助 FFT 實現(xiàn) 所以也可方便地求出 這樣不僅實現(xiàn)簡單 而且具有很高的計算效率和 計算精度 本課題設(shè)計的 FFT 計算程序首先依據(jù)快速傅立葉變換原理進行 1024 點 FFT 計算 然 后將計算得到的再進行功率譜計算 在 1024 個功率譜中找出最大的一個 wxN wPN 即功率譜的峰值 設(shè)第 K K 1 2 1024 個功率譜為最大值 那么實際渦街的真實頻 率為 9 NKff S 其中 fs 采樣頻率 N 采樣點數(shù) 本課題選取 N 1024 通過這樣的方法就可以計算出渦街在低流速下的頻率值了 不難發(fā)現(xiàn) 在式 9 中 fs N 正是頻率值的分辨率 如果要想更加準確地計算出頻率值 f 就必須提高分辨率 fs N 那么方法有兩種 一種是降低采樣頻率 另一種是增加采樣點數(shù) 但是 采樣頻 率的降低是有限度的 要滿足 Shannon 采樣定理 采樣點數(shù)增加會增大 MSP430 單片機的 計算量和數(shù)據(jù)存儲量 勢必會影響 MSP430 單片機運算的實時性和功耗的增加 鑒于上述 情況 課題引入了一種實正弦信號的快速插值頻率估計方法作為校正頻率值的方法 2 4 3 單頻實正弦信號的快速插值頻率估計法 由于渦街流量實際信號為單頻實正弦信號 根據(jù) FFT 變換系數(shù)的實部與幅度譜具有 相似的特征 當(dāng)信噪比高于 5dB 時 FFT 變換后系數(shù)的實部與幅度譜具有完全相同的峰值 位置 所以 只需利用 3 個 FFT 系數(shù)的實部來構(gòu)造頻率修正項 計算量低 具有精度高 測頻速度快的特點 具體算法實現(xiàn)如下 設(shè)實際渦街流量信號為 x n asin 2 n f fs 其中 a 為信號幅度 f 為信號頻 率 令 X0 k 該信號點的 FFT 系數(shù) k0 N f0 fs 為信號真實頻率位置 當(dāng) f0 fs N 時 根 據(jù)正負幅度譜的嚴格對稱性 只需對其正頻部分進行分析 完成對渦街流量信號的新型 幅度譜插值算法 該算法簡單 快速 大大提高了頻譜分析精度 具有很大的實用意義 7 7 3 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的硬件設(shè)計 3 1 整體硬件電路設(shè)計方案 從抗干擾和降低功耗兩個角度考慮 本課題設(shè)計了數(shù)字渦街流量計的硬件電路 整 體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示 采用了以 MSP430F149 單片機和 MSP430F1611 單片機為核心的雙 CPU 硬件結(jié)構(gòu) 其中 MSP430F149 單片機作為脈沖計頻單片機 MSP430F1611 為 FFT 轉(zhuǎn)換單片機 儀表的整體結(jié)構(gòu)可分為對壓電傳感器輸出的渦街信號的前置放大電路 單片機計算及輸 出電路 電壓轉(zhuǎn)換電路共三大部分 實現(xiàn)了雙通道信號采集 數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)處理 脈 沖輸出 電流輸出等功能 電荷放大器 低通濾波器 FFT轉(zhuǎn)換單片機 5V轉(zhuǎn)3 3V電源 芯片 施密特觸發(fā)器 限幅器 脈沖計頻單片機 壓電式渦街 傳感器 三線制輸出 電壓轉(zhuǎn)換電流 芯片 電源芯片 放大電路 渦街信號 電壓輸出 3 3V 5V 12V 24V 24V 脈沖輸出 脈沖輸出 圖 3 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計硬件電路框圖 3 2 前置放大電路的設(shè)計 課題設(shè)計的雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計選用壓電式渦街傳感頭 即檢測渦 街頻率信號應(yīng)用應(yīng)力式檢測方式 把應(yīng)用膜片和壓電晶體元件作為檢測元件置于旋渦發(fā) 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 圖 4 整體硬件電路圖 9 體后 當(dāng)旋渦在旋渦發(fā)生體附近產(chǎn)生后 就會作用在檢測元件上面產(chǎn)生一個交替的升力 該升力的頻率與旋渦發(fā)生體發(fā)出的旋渦頻率相同 這個升力加上管道噪聲和流體振動噪 聲同時作用在檢測元件上 使其產(chǎn)生應(yīng)力變化 應(yīng)力差作用于膜片上 使檢測元件內(nèi)的 壓電晶體元件的誘導(dǎo)電荷發(fā)生變化 將電荷變化量引出 它是微弱的含有各種噪聲的電 荷信號 幅值在幾 mV 左右 此即是壓電傳感頭的輸出信號 也是渦街前置放大電路的 輸入信號 前置放大電路的任務(wù)是將檢測元件提供的微弱電信號處理成有效代表渦街頻率的脈 沖信號 同時 由于本課題設(shè)計的數(shù)字渦街除了對上述脈沖信號直接用單片機計頻以外 還具有頻譜分析的功能 故還需從前置放大電路中另抽取一路正弦信號作為頻譜分析的 采樣信號 課題設(shè)計的前置放大電路主要由電荷放大器 低通濾波器 限幅器和施密特觸發(fā)整 形器四部分構(gòu)成 而具體的硬件電路則是由以運算放大器為主體的模擬電路來實現(xiàn) 如 圖 4 所示 出于對系統(tǒng)的低功耗特性和輸出的驅(qū)動能力兩方面的考慮 課題選用了 2 片美國德 州儀器 簡稱 TI 公司的 TLV2254 單電源 低電壓 低功耗 4 運算放大器 U1 和 U2 來實現(xiàn)本數(shù)字渦街流量計的前置放大電路 采用先進的 LinCMOSTM 工藝制造的 4 路運算 放大器 TLV2254 具有滿電源電壓幅度輸出性能 同時比現(xiàn)有的 CMOS 運放具有更好的輸 入失調(diào)電壓和更低的功耗 TLV2254 的典型特性有 輸出擺幅包括兩個電源電平 即可 達到滿電源電壓幅度 低噪聲 f 1kHZ 時 典型值為 19nV HZ 低輸入偏置電流 典型值為 1pA 超低的功耗 每一通道的典型值為 34 A 共模輸入電壓范圍包含負 載電源電平 低輸入失調(diào)電壓值 在 t 25 時最大為 850 V 供電電壓范圍寬泛 2 7V 8V 高輸入阻抗和低噪聲 非常適用于壓電傳感器之類小信號條件的高阻抗來 源 下面分電荷放大 電壓參考 低通濾波 限幅 施密特觸發(fā)整形五個環(huán)節(jié)分別進行 詳細介紹 3 2 1 電荷放大器的設(shè)計 由于壓電式傳感器輸出的電信號是很微弱的電荷信號 且傳感器本身有很大內(nèi)阻 故輸出能量甚微 為此 必須放大傳感器輸出的微弱電信號 并將壓電式傳感器的高阻 抗輸出變換為低阻抗輸出 而電荷放大器實際上是一個以電容為反饋元件的具有深度負 反饋的高增益運算放大器 不同于一般的電壓放大器的是 其輸入信號是電荷 輸出信 10 號為電壓 圖 5 所示即為電荷放大器電路結(jié)構(gòu) 8 CpCt Cf A Qeo 圖 5 電荷放大器電路原理圖 如圖所示 由于壓電傳感器具有很高的絕緣內(nèi)阻 因此其等效電路為電荷與電容器 的并聯(lián) 設(shè) Q 為傳感器產(chǎn)生的電荷 Cp 為傳感器電容 Ct 為連接電纜電容 Cf 為電荷放 大器帶有的深度負反饋電容 為運放的輸入電壓 eo 為運放的輸出電壓 A 為運放的放 大倍數(shù) 電荷放大器工作時 可推出 10 1 ACCC AQ e ftp o 由于電荷放大器的增益一般很高 使得 Cf 1 A Cp Ct 則有 11 FF o C Q AC AQ e 1 所以 電荷放大器的輸出電壓與壓電傳感器的輸出電荷成比例 放大器的靈敏度則 由反饋電容 Cf 來控制 如圖 6 所示 運放 U3C 部分的電路構(gòu)成了電荷放大器 為了提高輸入級的共模抑制 能力 采用的是雙端輸入的差動電荷放大器 雙端的電容 電阻參數(shù)完全對稱 R6 R7 C17 C18 考慮到電容負反饋對直流工作點相當(dāng)于開環(huán) 使放大器的零點漂 移增大 因此在 C17 C18 處分別并聯(lián)反饋電阻 R6 和 R7 來提供穩(wěn)定的直流工作點 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 圖 6 電荷放大器電路結(jié)構(gòu) 3 2 2 電壓參考電路的設(shè)計 如圖 7 運放 U3D 以及電阻 R11 和 R12 構(gòu)成了前置放大電路的電壓參考電路 用于提 供電荷放大器 U3C 運放 U3B U3A U4 A B C 的靜態(tài)工作點 由于壓電傳感器輸出的 交變信號類似正弦波 而所采用的運算放大器 TLV2254 是單電源 AVCC 3 3V 供電 如果 不采取措施 正弦信號的負半周將截止 為此 增加一個運算放大器 U4D 它的同相端輸 入電壓由電阻 R11 和 R12 分壓得到 R11 R12 即同相端的電壓為系統(tǒng)電壓的一半 AVCC 2 1 65V 由于整個電路的輸入信號為兩路壓電傳感器的差動信號 將電壓參考電 位定為 AVCC 2 有利于對差動信號進行充分的放大 U4D 的輸出電壓反饋至反向端 輸出 電壓則穩(wěn)定在 1 65V 這樣 電荷放大器的靜態(tài)工作點就被抬高至 1 65V 壓電傳感器輸 出的正弦波以 1 65V 為基準 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 圖 7 基準電路原理圖 12 3 2 3 低通濾波器的設(shè)計 工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中發(fā)現(xiàn) 影響前置放大電路正常工作的主要來自周圍的電磁場干擾 可分為高頻電磁輻射干擾和低頻電磁干擾 高頻電磁輻射干擾大多來自空間電磁場的作 用 因頻率較高且與渦街的頻帶 一般為幾 Hz 到幾千 Hz 相差較遠 可以通過金屬防護 罩屏蔽和低通濾波的方法加以解除 至于低頻電磁干擾 50Hz 由于其頻率處于渦街信 號的頻帶之內(nèi) 金屬外殼無法防御 故消除低頻電磁干擾是設(shè)計前置放大電路的關(guān)鍵 為了衰減信號中不感興趣的高頻成分 減小頻混的影響 在電路中加入了低通濾波 器 如圖 8 所示 渦街流量信號的頻帶很寬 并且隨著頻率的增大 信號的幅值近似以 指數(shù)增長 低頻時的信號很小 而高頻時的信號很大 為了保證流量信號在低頻 高頻 都有高的信噪比 都有很強的抗干擾能力 因此要把低通濾波器的截止頻率定在低頻段 來濾除普遍存在的 50Hz 的工頻干擾 流場的低頻擺動噪聲等低頻干擾噪聲 保證在小流 量情況下 仍有較高的信噪比 進行正確的測量 但是 截至頻率也不能定的很小 否 則會對高頻信號衰減的過大 導(dǎo)致高頻段的信噪比降低 影響測量 因此 必須選擇一 個適當(dāng)?shù)慕刂令l率 當(dāng)然 不同口徑和不同介質(zhì) 氣 液 渦街的截止頻率也會不同 由于電荷放大器的輸出電壓一般在幾十 mV 左右 不足以推動流量檢測電路 還需進 一步放大 由運放 U3B U3A 電阻 R8 R9 可變電阻 W1 和電容 C19 C20 組成的低通濾 波器具有電壓放大的作用 且增益可調(diào) 運放反相輸入端接可調(diào)電阻 W1 100K 和電阻 R9 5 1K 反饋電阻 R8 300K 所以 該運放的放大倍數(shù)為 2 20 倍 運放 U3B 的輸出 信號 Sine Signal 即單片機 A D 需要采集的渦街信號 它是以 1 65V 為基準 接近 A D 轉(zhuǎn)換量程 0 3 3V 的帶有許多 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 圖 8 低通濾波器電路原理圖 3 2 4 限幅器的設(shè)計 限幅器的作用是對上述低通濾波器的輸出信號電平進行箝位 從而進一步消除干擾 提高放大器的信噪比 同時為后續(xù)電路提供穩(wěn)定的觸發(fā)電壓 在圖 9 中 限幅器運放 U2C 的負反饋部分除了用一個小容量的電容 C23 2200p 和一個較大的反饋電阻 R17 1 2M 并聯(lián)以濾除一些高頻干擾和放大信號幅值以外 它 還有兩個反相并聯(lián)的二極管 D1 D2 起放大整形的作用 當(dāng)運放 U2C 反相輸入端的信 號電壓高于二極管的門坎電壓時 輸入信號能直接通過導(dǎo)通的二極管輸出 而當(dāng)輸入信 號電壓低于二極管的門坎電壓時 二極管不導(dǎo)通 則信號經(jīng)反饋電阻被放大 R17 R15 60 倍后再輸出 因此 限幅器輸出的信號己經(jīng)不再是完整的正弦波波形了 而是被限幅后 類似方波的波形 14 16 390 R15 22K R17 1 3M R14 22K 2 3 4 6 7 U4C TL V2245 D11N4148 D21N4148 C22 C24 CAP2 C23 圖 9 限幅器電路原理圖 3 2 5 施密特觸發(fā)器的設(shè)計 施密特觸發(fā)器 Schmitt Trigger 是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路 它其實 是具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器 由于對輸入輸出信號具有遲滯作用 所以能夠 有效地防止由噪聲產(chǎn)生地振蕩 施密特觸發(fā)器在性能上有兩個重要的特點 第一 輸入 信號從低電平上升時的轉(zhuǎn)換電平和從高電平下降時的轉(zhuǎn)換電平不同 第二 在電路狀態(tài) 轉(zhuǎn)換時 通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊緣變得很陡 利用這兩個特點 不僅可以將邊緣變化緩慢的信號波形整形為邊緣陡峭的矩形波 而且可以將疊加于矩形 脈沖信號高 低電平上的噪聲有效地清除 如圖 10 運放 U4B 的正相輸入端通過反饋電阻 R19 和正相輸入電阻 W2 對輸出端電壓 分壓 此分壓值即為觸發(fā)閾值 通過調(diào)節(jié)可變電阻 W2 的大小 可以改變觸發(fā)閾值的大小 從而改變輸出方波的形狀 但是輸出方波的頻率不變 假設(shè)運放的飽和電壓值為 VCC 反 饋電阻與正相輸入電阻相等 則閾值為 VCC 2 U2B 負相輸入端的限幅后的正弦信號與此 閾值作比較 得到幅值為 0 VCC 的方波輸出 此方波再與比較器 U4A 作比較得到最終的 脈沖信號 Pulse Signal 輸出 如圖 11 15 R21 10K R18 39K R19 300K 2 3 4 6 7 U4B TL V2245 W2 100K 圖 10 施密特觸發(fā)器電路原理圖 2 3 4 6 7 U4A TL V2254 R23 5 1K R22 39K AVCC3 3 Pulse Signal 圖 11 比較器電路原理圖 3 3 單片機計算及輸出電路的設(shè)計 單片機是本數(shù)字渦街流量計的控制核心 出于對單片機本身的控制功能 功耗以及 開發(fā)工具的完善程度等多方面的考慮 課題最終選擇了美國 TI 公司的 MSP430F149 單片 機及 MSP430F1611 單片機 MSP430 單片機的主要特點如下 1 低電源電壓范圍 1 8 3 6V 2 超低功耗 2 5 A 4kHz 2 2V 160 A 1MHz 2 2V 3 5 種節(jié)電模式 等待方式 0 7 A RAM 保持的節(jié)電方式 0 1 A 4 從等待方式喚醒時間 6 s 5 16 位 RISC 結(jié)構(gòu) 150ns 指 令周期 6 基本時鐘模塊配置 高 低速晶體 內(nèi)部 DCO 7 12 位 200kbps 的 A D 轉(zhuǎn) 換器 自帶采樣保持 8 具有三個捕獲 比較寄存器的 16 位定時器 Timer A Timer B 9 多達 60KB FLASH ROM 和 2KB RAM 其中 MSP430F1611 單片機具有 10KB RAM 10 安全熔絲的程序代碼保護 11 MSP430F1611 單片機具有 12 位 D A 轉(zhuǎn)換 模塊 10 16 脈沖計頻單片機 MSP430F149 FFT轉(zhuǎn)換單片機 MSP430F1611 脈沖信號正弦信號 電流輸出脈沖輸出 圖 12 單片機外圍電路硬件框圖 本數(shù)字渦街流量計信號處理系統(tǒng)充分利用了 MSP430F149 豐富的 I O 和中斷端口對施 密特觸發(fā)器輸出的方波信號進行脈沖計數(shù) 通訊以及脈沖輸出 利用 MSP430F1611 內(nèi)部 的 12 位 A D 對前置放大電路中低通濾波后的渦街流量信號進行采樣及電流輸出 圖 12 所示即單片機外圍電路硬件結(jié)構(gòu)框圖 下面分別介紹各部分電路 3 3 1 渦街信號采集電路的設(shè)計 課題設(shè)計的數(shù)字渦街流量計對渦街信號的采集分為 MSP430F1611 單片機對正弦信號 的采樣和 MSP430F149 單片機對方波信號的計頻兩種 對正弦信號的采樣通過 MSP430F1611 內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC12 來實現(xiàn) ADC12 是 12 位精度的 A D 轉(zhuǎn)換模塊 具有高速 通用的特點 它具有帶有采樣 保持功能的 ADC 內(nèi)核 可控制的轉(zhuǎn)換存儲 可控制的參考電平發(fā)生器 可控制的采樣及轉(zhuǎn)換時序電路五大功能 模塊 均可獨立配置 前置放大電路中引出的正弦信號 S1 作為 MSP430F1611 的第 59 引 腳 P6 0 A0 的模擬信號輸入端 采用單通道單次的采樣模式 對方波信號的計頻通過 MSP430F149 具有中斷功能的 I O 端口來實現(xiàn) MSP430F149 中 P1 和 P2 這兩個 8 位端口都能用做輸入和輸出 同時具有中斷能力 每個信號都可作為一 個中斷源 課題選用 P1 2 TA1 端口 以前置放大電路中輸出的方波信號 S2 作為 P1 2 TA1 的中斷源 采用上升沿中斷的方式計頻 3 3 2 脈沖輸出電路的設(shè)計 本數(shù)字渦街流量計在計算得出渦街信號頻率之后通過硬件將頻率輸出來即脈沖輸出 下圖 13 即本儀表脈沖輸出原理圖 其中 MCU149 Out 為 MSP430F149 單片機的脈沖輸出 Pulse out 為儀表脈沖輸出信號 根據(jù) MSP430F149 單片機的特點 選用帶有定時中斷功 能的 P4 0 TB0 端口輸出頻率脈沖 由于 MSP430F149 電源電壓定為 3 3V 而三線制脈 沖輸出的供電電壓范圍為 0 12V 故增加了一片 LM258 雙運放芯片 LM258 第一個運放 為一電壓比較器 參考電壓由 R25 和 R26 兩電阻分壓決定為 1V 左右 第二個運放作為一 電壓跟隨器 輸出即峰峰值在 0 12V 左右的脈沖信號 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 圖 13 脈沖輸出原理圖 3 3 3 電流輸出電路的設(shè)計 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 圖 14 電壓轉(zhuǎn)換為電流電路 本課題設(shè)計的數(shù)字渦街流量計具有 4 20mA 遠傳的功能 因此課題采用 AM4 芯片將 MSP430F1611 單片機的 D A 模塊輸出的電壓信號 0 2 5V 轉(zhuǎn)換為 4 20 電流信號 通過 調(diào)節(jié)變阻器 VR1 來調(diào)節(jié) 4mA 單片機的電壓信號通過一個滑動變器 VR2 連接到 AM402 的 7 腳來調(diào)節(jié) 0 16mA 進而整個電流輸出電路可以實現(xiàn) 420mA 的輸出 具體電路設(shè)計如圖 14 其中 MCU1611 Out 為 MSP430F1611 單片機的電壓輸出信號 24V 供電電源的正負電 源線中的電流即為 4 20mA 電流 此時儀表為兩線制 11 18 3 4 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 MSP430F149 單片機和 MSP430F1611 單片機都需要穩(wěn)定可靠的 3 3V 供電 因此電壓轉(zhuǎn) 換電路就尤為重要 課題采用 24V 直流電源供電 通過 AM402 芯片提供 5V 電源 再通過 BCM3033 電源芯片將 5V 轉(zhuǎn)換為 3 3V 電源為單片機供電 電路設(shè)計如下圖 AM402BCM303 MPS430F1611 MSP430F149 24V5V 3 3V 3 3V 圖 15 電壓轉(zhuǎn)換電路框圖 除了為單片機供電外 還需要為整個儀表脈沖輸出電路的放大器供電 即需要 12V 供電 因此本課題采用 uA7812 電源芯片將 24V 電壓轉(zhuǎn)換為 12V 電壓 電路原理圖如下圖 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 圖 16 24V 轉(zhuǎn)換為 12V 電路原理圖 3 5 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的硬件低功耗設(shè)計 近年來 科學(xué)技術(shù)發(fā)展推動著電子產(chǎn)品的日新月異 同時對電子產(chǎn)品的各項性能指 標的要求也越來越高 其中較為突出的就是產(chǎn)品的功耗問題 因此在保證速度的前提下 盡可能地降低系統(tǒng)的功耗 已成為電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢 系統(tǒng)低功耗設(shè)計在整體設(shè)計中 顯得越來越重要 其主要意義有 便于電池供電 促進便攜化發(fā)展 簡化設(shè)計 提 高可靠性 實現(xiàn) 綠色 電子 節(jié)省能源 由于本課題設(shè)計的數(shù)字渦街流量計要具有 4 20mA 遠傳功能 因此降低功耗就成為 至關(guān)重要的問題了 為了實現(xiàn)本數(shù)字渦街流量計的低功耗設(shè)計 課題采用了以下手段 選用了低功耗 19 器件 采用了低壓供電 功耗與電源電壓的平方成正比 降低電源電壓是降低功耗的 最有效的途徑 故采用能低壓工作的芯片 盡量降低系統(tǒng)的時鐘頻率 從而降低系統(tǒng) 的功耗 采用低功耗的工作方式 合理選擇系統(tǒng)的各項技術(shù)指標 因為系統(tǒng)中許多 技術(shù)指標都和功耗聯(lián)系在一起 像運行速度 驅(qū)動能力 穩(wěn)定性等 這些技術(shù)指標的提 高往往以增加功耗來換取 所以 從功耗角度出發(fā)應(yīng)合理選擇系統(tǒng)各項指標 采用低 功耗的軟件設(shè)計技術(shù) 12 MSP430 單片機在硬件上的低功耗設(shè)計關(guān)鍵是 1 為系統(tǒng)內(nèi)核及外圍模塊選擇盡可能低的工作時鐘頻率 單片機的功耗與工作頻 率成正比關(guān)系 功耗隨著工作頻率的降低而明顯減少 但是 工作頻率太低會影響指令 執(zhí)行速度 降低儀表的實時性要求 所以需要選擇一個適當(dāng)?shù)念l率值 因此 MSP430F1611 被設(shè)計為兩個時鐘 當(dāng)進行 FFT 計算時使用主頻 MCLK 為 8Hz 的高頻晶振 其他時間 使用外接 32768Hz 晶振作為外圍模塊的時鐘 ACLK 2 將不用的 I O 端口開路并設(shè)置成輸出端 3 適當(dāng)加大管腳中用到的上拉 下拉電阻值 4 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的軟件設(shè)計 4 1 軟件總體設(shè)計方案 在第三章介紹的硬