【正文】 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，在低流速小流量的情況下，由 MSP430F1611 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻譜分析算法來(lái)計(jì)算渦街信號(hào)頻率，有效地克服了模擬渦街在小流量下測(cè)量精度不高甚至不能測(cè)量的問(wèn)題；在正常流量范圍內(nèi)，由 MSP430F149 單片機(jī)對(duì)渦街信號(hào)前置放大電路輸出的方波進(jìn)行計(jì)頻，具有常規(guī)模擬渦街在高信噪比的情況下測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。隨著流體沿漩渦發(fā)生體流動(dòng)的 速度逐漸加快，雷諾數(shù) Re 逐漸增大，當(dāng) Re 達(dá)到 40左右時(shí)，由于漩渦發(fā)生體后半部分附面層中的流體團(tuán)受到更大的阻滯，就會(huì)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]。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外部條件幾何相似時(shí)（幾何相似的流動(dòng)環(huán)境、流體繞過(guò)幾何相似的物體），若雷諾數(shù)相同，流體的流動(dòng)狀態(tài)幾何相似，即流體具有相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和流速分布。由式（ 3）可知，渦街頻率與來(lái)流的平均流速成正比，那么根據(jù)流動(dòng)的連續(xù)性理論易知：渦街頻率與來(lái)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。 因此，應(yīng)用渦街流量計(jì)測(cè)量的特點(diǎn)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(dòng)介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。此時(shí)， Qv 與 f 不再是線性比例關(guān)系，即式（ 4）不能成立。從渦街傳感器引出的電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器和濾波器的簡(jiǎn)單處理后，形成了幅值在幾伏左右的電壓信號(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)是雜亂的、不規(guī)則的，其中包括體現(xiàn)渦街頻率的信號(hào)成分即有用信號(hào)，也包括各種噪聲。下面從三點(diǎn)加以介紹： 由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電力線及電力設(shè)備密集， 大量的電磁干擾就會(huì)影響到渦街流量計(jì)信號(hào)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。 3 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)的干擾對(duì)漩渦發(fā)生體附近的流場(chǎng)分部有很大的影響。理想的渦街信號(hào)經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應(yīng)該是一個(gè)規(guī)則的正弦波信號(hào)，但是，在工況下低流速的渦街信號(hào)則基本被噪聲淹沒(méi)，如圖 1所示的實(shí)際工況下采集的受擾的渦街信號(hào)波形圖。由于上述情況主要出現(xiàn)在測(cè)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(jì)的實(shí)際量程只有 1： 10。 本課題設(shè)計(jì)的雙 MSP430 單片機(jī)數(shù)字渦街流量計(jì)采用了普通模擬渦街流量計(jì)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(hào)分別送到兩個(gè)單片機(jī)中，其中幅值為 的脈沖信號(hào)送入 MSP430F149 中，幅值為 的正弦信號(hào)送入 MSP430F1611 中。此時(shí)，數(shù)字壓電式渦街傳感器 電荷放大器 低通濾波器 限幅器 施密特觸發(fā)器 脈沖計(jì)頻單片機(jī) 脈沖輸出 FFT 轉(zhuǎn)換單片機(jī) 三線制輸出接口 兩線制輸出接口 電荷信號(hào) 電壓值 電流值 電業(yè)轉(zhuǎn)換電流輸出 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié) 構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的 FFT 頻率計(jì)算方法 FFT 算法簡(jiǎn)介 FFT 是 DFT 的快速計(jì)算方法， DFT 是連續(xù)傅里葉變換的離散形式，離散信號(hào) x(nT)的傅里葉變換可以表示為： 1,.2,1,0,)()( 10 ???? ??? NkWnxkX Nn nkN （ 6） 式中， NjN eW /2??? ，成為蝶形因子。以 )(^ wPN 表示用周期圖法估計(jì)出的功率譜，則 2^ )(1)( wXNwP NN ? （ 7） 其中： ????? 10 )()(NnjwNN enxwX （ 8） 是實(shí)平穩(wěn)隨機(jī)序列 )(nxN 的傅立葉變換。設(shè)第 K(K=1， 2，?， 1024)個(gè)功率譜為最大值 ,那么實(shí)際渦街的真實(shí)頻率為 : NKff S /? （ 9） 其中： fs—— 采樣頻率； N—— 采樣點(diǎn)數(shù) (本課題選取 N＝ 1024)。但是，采樣頻率的降低是有限度的，要滿足 Shannon 采樣定理。具體算法實(shí)現(xiàn)如下： 設(shè)實(shí)際渦街流量信號(hào)為 x(n)＝ asin(2π n f/fs)，其中， a為信號(hào)幅度， f 為信號(hào)頻率，令 X0(k)該信號(hào)點(diǎn)的 FFT 系數(shù)， k0=N f0/fs 為信號(hào)真實(shí)頻率位置，當(dāng) f0≥ fs/N 時(shí)，根據(jù)正負(fù)幅度譜的嚴(yán)格對(duì)稱 性，只需對(duì)其正頻部分進(jìn)行分析。儀 8 C15680nFC16680nFC17C18R5 5.6M(6.5)R66.8MR76.8M2 3467U3CTLV22542 3467U3BTlV22542 3467U3ATLV2254R8300KR9 5.1KR10220C19C20W1 100KSine Signal16 390R1522KR171.3MR1422K2 3467U4CTLV2245D11N4148D21N4148C22C24CAP2C23R2110KR1839KR19300K2 3467U4BTLV2245W2 100K2 3467U4ATLV2254R235.1KR2239KAVCC3.3Pulse Signal23467U3DTLV2254R11200KR1347R12200KC2110nFAVCC3.32 3467U4DTLV2254 圖 4 整體硬件電路圖 如圖 4所示。 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(gè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。 考慮到電容負(fù)反饋對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，使放大器的零點(diǎn)漂移增大，因此在C1 C18 處分別并聯(lián)反饋電阻 R6和 R7來(lái)提供穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)，抑制放大器的零漂。為此，增加一個(gè)運(yùn)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=),由于整個(gè) 電路的輸入信號(hào)為兩路壓電傳感器的差動(dòng)信號(hào)，將電壓參考電位定為 AVCC/2 有利于對(duì)差動(dòng)信號(hào)進(jìn)行充分的放大。高頻電磁輻射干擾大多來(lái)自空間電磁場(chǎng)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(yuǎn)，可以通過(guò)金屬防護(hù)罩屏蔽和低通濾波的方法加以解除。為了保證流量信號(hào)在低頻、高頻都有高的 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(dòng)流量檢測(cè)電路，還需進(jìn)一步放大；由運(yùn)放 U3B、 U3A、電阻 R R可變電阻 W1 和電容 C1 C20 組成的低通濾波器具有電壓放大的作用，且 增益可調(diào)。 在圖 9中，限幅器運(yùn)放 U2C 的負(fù)反饋部分除了用一個(gè)小容量的電容（ C23＝ 2200p）和一個(gè)較大的反饋電阻（ R17＝ ）并聯(lián)以濾除一些高頻干擾和放大信號(hào)幅值以外，它還有兩個(gè)反相并聯(lián)的二極管（ D D2）起放大整形的作用。 163 9 0R 1 52 2 KR 1 7 1 .3 MR 1 42 2 K23467U 4 CT L V 2 2 4 5D1 1 N 4 1 4 8D2 1 N 4 1 4 8C 2 2C 2 4C A P 2C 2 3 圖 9 限幅器電路原理圖 施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì) 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(shí)是具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器，由于對(duì)輸入輸出信號(hào)具有遲滯作用，所以能夠有效地防止由噪聲產(chǎn)生地振蕩。通過(guò)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。 MSP430 單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下： (1)低電源電壓范圍： ～ 。 (5)16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， 150ns 指令周期。 (9)多達(dá)60KB FLASH ROM 和 2KB RAM(其中 MSP430F1611 單片機(jī)具有 10KB RAM)。 15 脈 沖 計(jì) 頻 單 片 機(jī)（ M S P 4 3 0 F 1 4 9 ）F F T 轉(zhuǎn) 換 單 片 機(jī)（ M S P 4 3 0 F 1 6 1 1 ）脈 沖 信 號(hào) 正 弦 信 號(hào)電 流 輸 出脈 沖 輸 出 圖 12 單片機(jī)外圍電路硬件框圖 本數(shù)字渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)充分利用了 MSP430F149 豐富的 I/O 和中斷端口對(duì)施密特觸發(fā)器輸出的方波信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，通訊以及脈沖輸出；利用 MSP430F1611 內(nèi)部的12 位 A/D 對(duì)前置放大電路中低通濾波后的渦街流量信號(hào)進(jìn)行采樣及電流輸出。 ADC12 是 12 位精度的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，具有高速、通用的特點(diǎn)，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(chǔ)、可控制的參考電平發(fā)生器、可控制的采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)序電路五大功能模塊，均可獨(dú)立配置。課題選用 ，以前置放大電路中輸出的方波信號(hào) S2作為 的中斷源，采用上升沿中斷的方式計(jì)頻。根據(jù) MSP430F149 單片機(jī)的特點(diǎn)，選用帶有定時(shí)中 斷功能的 ，由于 MSP430F149 電源電壓定為＋ ，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(yùn)放芯片。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器 VR1 來(lái)調(diào)節(jié) 4mA，單片機(jī)的電壓信號(hào)通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)變器 VR2 連接到 AM402 的 7 腳來(lái)調(diào)節(jié) 0～ 16mA。 A M 4 0 2 B C M 3 0 3M P S 4 3 0 F 1 6 1 1M S P 4 3 0 F 1 4 92 4 V 5 V3 . 3 V3 . 3 V 圖 15 電壓轉(zhuǎn)換電路框圖 除了為單片機(jī)供電外，還需要為整個(gè)儀表脈沖輸出電路的放大器供電，即需要 12V 供電。 由于本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)要具有 4～ 20mA 遠(yuǎn)傳功能，因此降低功耗就成為至關(guān)重要的問(wèn)題了。單片機(jī)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(huì)影響指令執(zhí)行速度，降低儀表的實(shí)時(shí)性要求，所以需要選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率值。 （ 3）適當(dāng)加大管腳中用到的上拉、下拉電阻值。如果當(dāng)前頻率值大于臨界頻率值，則繼續(xù)進(jìn)行脈沖計(jì)頻；如果當(dāng)前 頻率值小于臨界頻率值，則向 MSP430F1611 單片機(jī)發(fā)送指令，與此同時(shí) MSP430F149 單片機(jī)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待 MSP430F1611 單片機(jī)的頻率計(jì)算值。同時(shí)也采用了多次捕獲取平均值的方法使脈沖計(jì)頻更加準(zhǔn)確。首先對(duì)通訊模塊進(jìn)行初始化，將傳輸 波特率設(shè)置為 48001，并且設(shè)置允許接收中斷。首先發(fā)送指令 0xBB 給 MSP430F1611 單片機(jī)，接收到 MSP430F149 單片機(jī)的回應(yīng)指令 0xFB 后，發(fā)送頻率值給 MSP430F1611 單片機(jī) [10]。 本課題設(shè)置的 Timer_A 的觸發(fā)頻率為 1000Hz，所以 A/D 采樣頻率為 1000Hz。為了提高程序的計(jì)算速度，使得整體軟件具有較好的實(shí)時(shí)性，本程序在計(jì)算 FFT 時(shí)采用 8MHz 晶振，這樣可以使 FFT 計(jì)算在 1秒鐘內(nèi)完成?？墒沁@樣計(jì)算出的 Km 值是個(gè)整數(shù)值，這肯定會(huì)影響精確度。 頻率校正函數(shù)就是為了得到準(zhǔn)確的帶有小數(shù)位的 K 值而設(shè)計(jì)的。因此， D/A 輸出函數(shù)是非常關(guān)鍵的函數(shù)。 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件低功耗設(shè)計(jì) MSP430 單片機(jī)在軟件上的低功耗設(shè)計(jì)關(guān)鍵是： (1)用中斷代替查詢。當(dāng)有定時(shí)中斷或外部中斷產(chǎn)生時(shí)，單片機(jī)立即從 LPM3 喚醒，進(jìn)入到相應(yīng)的中斷入口程序中去。 22 行 A/D 采樣，共采 1024 點(diǎn)，每采完一點(diǎn)后應(yīng)立即關(guān)閉 A/D 采樣模塊，直至下一次定時(shí)時(shí)間到，再重新開(kāi)啟進(jìn)行采樣。這對(duì)于渦街流量計(jì)拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的實(shí)際意義。 FFT算法 在 MSP430F1611 單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法，由于采用的算法基于 1024 點(diǎn)的 FF 變換，所以精度還有待于提高，建議編寫點(diǎn)數(shù)更高的 FFT 變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，這樣會(huì)對(duì)計(jì)算精度有明顯的提高。 崔老師 淵博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，給我留下了深刻的印象；尤其是崔老師極具創(chuàng)新性的分析解決問(wèn)題的方法讓我受益匪淺，不論對(duì)今后的學(xué)習(xí)