【正文】 一計算模值，然后找出模值最大的所對應(yīng)的點數(shù) Km值。因此，為了準(zhǔn)確的計算頻率必須進(jìn)行校正。 事實上，無論是從 MSP430F149 單片機(jī)傳遞過來的頻率值，還是由 MSP430F1611 單 片機(jī)自身計算出 FFT 頻率值，都需要實時地將頻率值轉(zhuǎn)為模擬電壓值。例如，在 DN25和 DN50 管道值流量上限分別為 16m3/h和 40m3/h,所對 應(yīng)的頻率分別為 350Hz 和 100Hz，那么就規(guī)定此時的電流輸出為 20mA，如果頻率再增大儀表也只是輸出 20mA，如果頻率減小則按比例輸出電流 [13]。例如，單片機(jī)的主程序中，在無任何中斷產(chǎn)生的等待狀態(tài)中，單片機(jī)是處于 低功耗模式 LPM3，即 CPU 和系統(tǒng)主時鐘均關(guān)閉，只留片上外圍模塊的時鐘ACLK 工作。例如單片機(jī)程序中采用定時方式進(jìn)同時，比以往的 DSP 數(shù)字渦街流量計降低了功耗，從而實現(xiàn)了 4～ 20mA 電流遠(yuǎn)傳功能。對不同頻率的信號采用不同的放大倍數(shù)。為了使儀表便于攜帶，希望今后的研究人員可以將功耗盡量降低至 1mA 以下，從而實現(xiàn)電池供電 (儀表的功耗為 1mA，一節(jié)干電池可以使用一年 )。從論文的選題、研究方法和技術(shù)路線的確定，直到論文的定稿，無不凝聚著老師的心血。 23 參考文獻(xiàn) ： [1] 徐科軍 ,呂迅 竑 ,陳榮保 ,等 .基于 DSP 具有譜分析功能的渦街流量計信號處理系統(tǒng) [M].儀器儀表學(xué)報 , 2020, 22(3): 255260. [2] 陳智淵 .若干基于 DSP與 MCU的應(yīng)用系統(tǒng)硬件研制 [J].合肥 :合肥工業(yè)大學(xué) , 2020. [3] 王肖芬 ,徐科軍 ,陳智淵 .基于 DSP 的低成本渦 街流量計信號處理系統(tǒng) [M].儀器儀表學(xué)報 , 2020, 27(11): 14271432. 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The number of vortex flowmeter using dualMSP430 microcontroller hardware structure, small volume at low velocity, the MSP430F1611 MCU from the spectral analysis method to calculate the vortex signal frequency and effectively overe the vortex in the simulation measurement accuracy of small volume is not high and even the problem can not be measured, as well as conventional analog signal to noise ratio of vortex in the case of high accuracy, realtime advantages. Keywords: Vortex flow meter, pulse output, current output, MSP430, the minimum flow 同時，還須盡可能保證運算速度。 根據(jù)本課題設(shè)計的系統(tǒng)在實驗室中遇到的問題及國內(nèi)外數(shù)字渦街流量計的發(fā)展現(xiàn)狀，作者對今后的研究工作提出以下建議： 電路 前置模擬處理電路是渦街信號處理的關(guān)鍵部分，它對于渦街信號的放大、濾波起到了很大的作用。 5 總結(jié)與展望 本文提出了將數(shù)字信號處理方法中的快速傅立葉變換 (FFT）方法運用到雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字渦街流量計中。同理，在單片機(jī)等待定時中斷進(jìn)行 A/D 采樣過程中，也使單片機(jī)進(jìn)入 LPM3來降低系統(tǒng)功耗。如圖 1 18，兩個單片機(jī)的通訊、脈沖計頻、 A/D 采樣等等都是通過中斷進(jìn)入的，在中斷響應(yīng)程序里設(shè)置標(biāo)志位，之后再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序中去。首先設(shè)定參考電壓為 ，然后需要向 D/A 模塊中寄存器 DAC12_0DAT中寫入相應(yīng)的值（ 0～ 4095），則 MSP430F1611 單片機(jī)即可自動從 D/A 端口中輸出 0～ 之間的電壓值，最后通過 AM402 轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 電流輸出。設(shè) Km 左邊的 K 值為K1， Km 右邊的 K值為 K+1， Km對應(yīng)的模值為 Y， K1對應(yīng)的模值為 Y1， K+1對應(yīng)的模值為 Y+1。由單頻實正弦信號的快速插值頻同時又考慮到整個儀表的功耗，因此在結(jié)束 FFT 計算后程序仍然恢復(fù)到 32768Hz 晶振。利用每次的采樣中斷函數(shù)將 A/D 采樣值存入變量中，采樣點達(dá)到 1024 個點后，則停止 A/D采樣程序從而完成 1024 點的 A/D 采樣過程。 20 初 始 化 程 序接 收 到 請 求 D / A 轉(zhuǎn) 換 指 令接 受 到 請 求 F F T 轉(zhuǎn) 換 指 令低 功 耗 狀 態(tài)A / D 采 樣F F T 計 算 函 數(shù)頻 率 校 正計 算 頻 率功 率 譜 計 算將 頻 率 值 發(fā) 送 給M P S 4 3 0 F 1 4 9D / A 輸 出發(fā) 送 同 意 D / A 轉(zhuǎn) 換 信 號接 受 頻 率 值計 算 并 核 對 校 驗 位將 4 個 字 節(jié) 合 并 為 頻 率 值 圖 18 MPS430F1611 單片機(jī)的程序流程 由圖 18 可以看出， MSP430F1611 單片機(jī)的軟件中主要由 A/D 采樣函數(shù)、 FFT 計算函數(shù)、功率譜計算函數(shù)、頻率校正函數(shù)、通訊函數(shù)和 D/A 輸出函數(shù)六部分組成。 MSP430F1611 單片機(jī)程序設(shè)計 本程序首先對 MSP430F1611 單片機(jī)的通訊模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。通訊分為兩部分： ， MSP430F149 單片機(jī)接收 MSP430F1611 單片機(jī)的 FFT 頻率計算值。 如圖 17，MSP430F149 單片機(jī)的軟件中主要由脈沖計頻函數(shù)、頻率輸出函數(shù)和通訊函數(shù)三部分組成。 4 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的軟件設(shè)計 軟件總體設(shè)計方案 在第三章介紹的硬件電路設(shè)計中，脈沖計頻及頻率輸出由 MSP430F149 擔(dān)任而 FFT 轉(zhuǎn)換及電壓值輸出由 MSP430F1611 擔(dān)任。因此 MSP430F1611 被設(shè)計為兩個時鐘。 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：①選用了低功耗器件；②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因此本課題采用 uA7812 電源芯片將 24V 電壓轉(zhuǎn)換為 12V 電壓。 17 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 MSP430F149 單片機(jī)和 MSP430F1611 單片機(jī)都需要穩(wěn)定 可靠的 供電，因此電壓轉(zhuǎn)換電路就尤為重要。進(jìn)而整個電流輸出電路可以實現(xiàn) 420mA 的輸出。 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。 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。前置放大電路中引出的正弦信號 S1，作為 MSP430F1611 的第 59 引腳，采用單通道單次的采樣模式。圖 12 所示即單片機(jī)外圍電路硬件結(jié)構(gòu)框圖，下面分別介紹各部分電路。 (10)安全熔絲的程序代碼保護(hù)。 (6)基本時鐘模塊配置：高、低速晶體，內(nèi)部 DCO。 (2)超低功耗： μ A(4kHz， )； 160μ A(1MHz， )。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(fù)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。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。當(dāng)運放 U2C 反相輸入端的信號電運放反相輸入端接可調(diào)電阻 W1＝ 100K 和電阻 R9＝ ，反饋電阻 R8＝ 300K，所以，該運放的放大倍數(shù)為 2～ 20 倍。 12 信噪比，都有很強(qiáng)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(jìn)行正確的測量。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。 U4D 的輸出電壓反饋至反向端，輸出電壓則穩(wěn)定在 。 C 1 56 8 0 n FC 1 66 8 0 n FC 1 7C 1 8R55 . 6 M ( 6 . 5 )R6 6 . 8 MR76 . 8 M23467U 3 CT L V 2 2 5 4 圖 6 電荷 放大器電路結(jié)構(gòu) 10 Cp CtCfAQ eo 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(fù)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。 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。 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。 7 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(jī)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。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]。采樣點數(shù)增加會增大 MSP430 單片機(jī)的計算量和數(shù)據(jù)存儲量，勢必會影響 MSP430 單片機(jī)運算的實時性和功耗的增加。 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。 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(ω) 可以上式實際上就是 N點的 DFT，可以看出，計算所有的 X(k)需要 N2 次乘法和 N2 次加法，運算量很大。 5 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(jī)首先利用