【正文】 節(jié)電方式 。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。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。因此，必須選擇一個適當?shù)慕刂令l率；當然，不同口徑和不同介質(zhì)（氣、液）渦街的截止頻率也會不同。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。23467U3DTLV2254R11200KR1347 R12200KC2110nF23467U4DTLV2254圖 7 基準電路原理圖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，正弦信號的負半周將截止。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） 。10號為電壓。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 34μA；⑤共模輸入電壓范圍包含負載電源電平；⑥低輸入失調(diào)電壓值，在 t=25℃時最大為 850μV；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。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)。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73 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的硬件設(shè)計 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)。 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，當信噪比高于 5dB 時，F(xiàn)FT 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。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)。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。 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。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]。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。但是，當在低流速下測量時，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，造成整形時的誤觸圖 1 受擾的渦街信號圖管道一般與風機、水泵或壓縮機等裝置相連接，風機、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。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。3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]。 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。由式（1）可知，隨著流速的下降，雷諾數(shù) Re 也會減小，當 Re 減小到3102以下時斯特羅哈爾數(shù)就不再恒定。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]。 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)dvStf?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 3102～210 5） ，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。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。本課題研究并且實現(xiàn)了一臺數(shù)字渦街流量計。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） 。附加的旋渦干擾了渦街信號，降低了信噪比。不適用于低雷諾數(shù)測量，一般要求雷諾數(shù) Re不低于 2104，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。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。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。當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，從而得出當前頻率值；當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。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。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)。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。2022 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。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。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。 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計 2022 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。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。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。教學(xué)單位存檔。 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。第二，難以準確測量低流速流量。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。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 的脈沖信號送入MSP430F149 中，幅值為 的正弦信號送入 MSP430F1611 中。11雙 MSP430 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。渦街流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。渦街流量計也存在著一定的局限性。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。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。 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。1ν——來流的平均流速；L——為流束的定型尺寸。只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排漩渦，且當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≈（） （2）lh時，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。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)KfStndvQ?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)。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。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。那么渦街信號可以表示為： （5）)()()(321tntnsty??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；1n——流場干擾信號；)(2t——管道振動干擾信號。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。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。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。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。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。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]。N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。不難發(fā)現(xiàn)，在式（9）中fs/N 正是頻率值的分辨率。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。電荷放大器 低通濾波器F F T 轉(zhuǎn)換單片機5 V 轉(zhuǎn) 3 . 3 V 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 . 3 V5 V1 2 V2 4 V+ 2 4 V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 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