【正文】 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。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(zhǔn)確、實時性好的優(yōu)點。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。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(yán)重干擾及管道產(chǎn)生振動的場所。附加的旋渦干擾了渦街信 號，降低了信噪比。 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）。 本課題研究并且實現(xiàn)了一臺數(shù)字渦街流量計。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。 1 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。 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： dvStf ? (3) 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＝ ，對于圓柱體形漩渦發(fā)生體， St＝ 。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(zhǔn)確測得漩渦的分離頻率，就可以準(zhǔn)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]。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。 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。 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]。 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。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，造成整形時的誤觸發(fā)。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(zhǔn)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。 圖 2 雙 MSP430 單片機的設(shè)計示意圖 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(zhǔn)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(yán)重，易造成整形時的誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致單片機計頻不準(zhǔn)甚至無法測量。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]。 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(ω )，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(ω )的估計。 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 )(wxN 再進行功率譜 )(^ wPN 計算，在 1024 個功率譜中找出最大的一個，即功率譜的峰值。如果要想更加準(zhǔn)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)。 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。 其中， MSP430F149 單片機作為脈沖計頻單片機， MSP430F1611 為 FFT 轉(zhuǎn)換單片機。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 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)。 TLV2254 的典型特性有：①輸出擺幅包括兩個電源電平，即可達到滿電源電壓幅度；②低噪聲， f=1kHZ 時，典型值為 19nV/HZ；③低輸入偏置電流，典型值為 1pA；④超低的功耗，每一通道的典型值為 34μ A；⑤共模輸入電壓范圍包含負(fù)載電源電平；⑥低輸入失調(diào)電壓值，在 t=25℃時最大為 850μ V；⑦供電電壓范圍寬泛， ～ 8V；⑧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。圖 5所示即為電荷放大器電路結(jié)構(gòu) [8]。 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）。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=)供電，如果不采取措施，正弦信號的負(fù)半周將截止。 23467U 3 DT L V 2 2 54R 1 12 00 KR 1 347R 1 22 00 KC 2 11 0n FA V C C 3. 323467U 4 DT L V 2 2 54 圖 7 基準(zhǔn)電路原理圖 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。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。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。 23467U 3 BT l V 2 2 5 423467U 3 AT L V 2 2 5 4R83 0 0 KR95 . 1 KR 1 02 2 0C 1 9C 2 0W11 0 0 KS i n e S i g n a l 圖 8 低通濾波器電路原理圖 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。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。 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。 14 R 2 11 0 KR 1 83 9 KR 1 9 3 0 0 K23467U 4 BT L V 2 2 4 5W21 0 0 K 圖 10 施密特觸發(fā)器電 路原理圖 23467U 4 AT L V 2 2 5 4R 2 35 . 1 KR 2 23 9 KA V C C 3 . 3P u l s e S i g n a l 圖 11 比較器電路原理圖 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。 (4)從等待 方式喚醒時間： 6μ s。 (8)具有三個捕獲 /比較寄存器的 16 位定時器 Timer_A,Timer_B。 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)。 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。其中， MCU149_Out 為 MSP430F149 單片機的脈沖輸出；Pulseout 為儀表脈沖輸出信號。 16 V C C 3. 3R 2 7R 2 61 00 KR 2 52 00 KR 2 82 2023467U 5 AL M 2 58 23467U 5 BL M 2 58M C U 1 49 _ O U TP ul s e o u tA V C C 12 .0 圖 13 脈沖輸出原理圖 電流輸出電路的設(shè)計 R 3 125R 2 93 3 KR 3 03 3 KC72 .2 u FC80 .0 1 u FV R 15KV R 25KD3R 3 2T1B D 1 3 94012357121116M C U 1 6 1 1 _ O U TV C C 2 4A M 4 0 2V C C ( 5 V ) 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～ )轉(zhuǎn)換為 4～ 20電流信號。其中， MCU1611_Out 為 MSP430F1611 單片機的電壓輸出信號， 24V 供電電源的正負(fù)電源線中的電流即為 4～ 20mA 電流，此時儀表為兩線制 [11]。電路設(shè)計如下圖。 D4D I O D E C40 . 0 1 u FC 3 80 . 3 3 u FC31 0 u FL1L2V C C 2 4 A V C C 1 2 . 0123+ 2 4 VP u l s e O U TGND1 2 I C 2u A 7 8 1 2V i n + 1 2 VGND123J5 圖 16 24V 轉(zhuǎn)換為 12V 電路原理圖 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(biāo)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：①便于電池供電，促進便攜化發(fā)展；②簡化設(shè)計，提高可靠性；③實現(xiàn)“綠色”電子，節(jié)省能源。 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。 （ 2）將不用的 I/O 端口開路并設(shè)置成輸出端。 MSP430F149 單片機程序設(shè)計 程序設(shè)計首先對 MSP430F149 單片機的定時器及通訊模塊進行初始化，然后計算輸入的脈沖方波的頻率并且將頻率值進行輸出同時將頻率值發(fā)送給 MSP430F1611 單片機，將此頻率值與預(yù)先設(shè)定的臨界頻率值進行比較。由于此時采用的是32768Hz 的低頻晶振，因此方波的頻率就是 32768 與兩次上升沿差值的比值 。 通訊函數(shù)用于 MSP430F149 單片機與 MSP430F1611 單片機的數(shù)據(jù)傳輸。 單片機將脈沖計數(shù)測得的頻率值發(fā)送給 MSP430F1611 單片機，使MSP430F1611 單片機將頻率值轉(zhuǎn)換為電壓值。將轉(zhuǎn)換完成后的 FFT轉(zhuǎn)換值進行功率譜計算，找出功率譜最大值對應(yīng)的點數(shù)從而求出頻率值，最后將頻率值校正后發(fā)送給 MSP430F149 單片機同時進行 D/A 輸出。因此通過設(shè)置 Timer_A 的觸發(fā)頻率就可以設(shè)置 A/D 采樣頻率。由于整個 FFT的計算需要比較大的內(nèi)存空間，因此計算時需要較長時間。具體做法是將剛才 FFT計算所得的 1024 個復(fù)數(shù)值逐