【正文】 ................................... 18 軟件總體設(shè)計(jì)方案 ................................................................................................................. 18 MSP430F149 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) .............................................................................................. 18 MSP430F1611 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) ............................................................................................ 19 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) ............................................. 21 5 總結(jié)與展望 ................................................................................................................................ 22 參考文獻(xiàn)： ................................................................................................................................... 23 謝 辭 ........................................................................................................................................... 24 它的輸出為脈沖頻率，其頻率與被測(cè)流體的實(shí)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(cè)量范圍較大；在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，初始信號(hào)非常微弱，易受流體沖擊振動(dòng)噪聲和管道振動(dòng)噪聲的影響，存在一個(gè)量程下限死區(qū)，從而造成量程比受限，小流量不能測(cè)量。 2 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的總體方案設(shè)計(jì) 渦街流量計(jì)的工作原理 本文先從渦街流量計(jì)的產(chǎn)生、渦街現(xiàn)象解釋以及渦街信號(hào)的測(cè)量三個(gè)方面來闡述渦街信號(hào)檢測(cè)的基本工作原理。 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。這決定了渦街流量計(jì)的下列優(yōu)點(diǎn)：（ 1）渦街流量計(jì)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(tái)渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)是一定的，那么就可以用最方便、廉價(jià)的介質(zhì)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行其中噪聲可分為三部分：電磁干擾、流場(chǎng)干擾和管道振動(dòng)干擾。由于管道上下游存在著各種阻力件如閥門、彎頭、 T 形管、擴(kuò)張管和收縮管等，這些器件對(duì)管道的影響有兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生流體擾動(dòng)和雜亂的漩渦流。 鑒于上述模 擬渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以及存在的不足，本課題提出了一種新型脈沖電 5 渦街流量計(jì)會(huì)自動(dòng)切換到 FFT頻率計(jì)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(hào)非常不穩(wěn)、跳變的范圍很大時(shí)， MSP430F1611 單片機(jī)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(hào)，然后進(jìn)行 FFT 運(yùn)算和功率譜分析從而得出此時(shí)的渦街信號(hào)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。 自 1965 年 FFT 出現(xiàn)后，周期圖法就成為了譜估計(jì)中的一個(gè)常用的方法， XN(ω) 可以采樣點(diǎn)數(shù)增加會(huì)增大 MSP430 單片機(jī)的計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，勢(shì)必會(huì)影響 MSP430 單片機(jī)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性和功耗的增加。 7 表的整體結(jié) 構(gòu)可分為對(duì)壓電傳感器輸出的渦街信號(hào)的前置放大電路、單片機(jī)計(jì)算及輸出電路、電壓轉(zhuǎn)換電路共三大部分；實(shí)現(xiàn)了雙通道信號(hào)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。 出于對(duì)系統(tǒng)的低功耗特性和輸出的驅(qū)動(dòng)能力兩方面的考慮，課題選用了 2 片美國(guó)德州儀器（簡(jiǎn)稱 TI）公司的 TLV2254 單電源、低電壓、低功耗 4 運(yùn)算放大器（ U1和 U2），來實(shí)現(xiàn)本數(shù)字渦街流量計(jì)的前置放大電路。 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(yùn)放的輸入電壓， eo 為運(yùn)放的輸出電壓， A 為運(yùn)放的放大倍數(shù)。 U4D 的輸出電壓反饋至反向端，輸出電壓則穩(wěn)定在 。 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(chǎng)的低頻擺動(dòng)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(cè)量。當(dāng)運(yùn)放 U2C 反相輸入端的信號(hào)電假設(shè)運(yùn)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(hào)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(hào) Pulse Signal 輸出，如圖 11。 (6)基本時(shí)鐘模塊配置：高、低速晶體，內(nèi)部 DCO。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。 脈沖輸出電路的設(shè)計(jì) 本數(shù)字渦街流量計(jì)在計(jì)算得出渦街信號(hào)頻率之后通過硬件將頻率輸出來即脈沖輸出。進(jìn)而整個(gè)電流輸出電路可以實(shí)現(xiàn) 420mA 的輸出。因此本課題采用 uA7812 電源芯片將 24V 電壓轉(zhuǎn)換為 12V 電壓。因此 MSP430F1611 被設(shè)計(jì)為兩個(gè)時(shí)鐘。如圖 17，MSP430F149 單片機(jī)的軟件中主要由脈沖計(jì)頻函數(shù)、頻率輸出函數(shù)和通訊函數(shù)三部分組成。通訊分為兩部分： ， MSP430F149 單片機(jī)接收 MSP430F1611 單片機(jī)的 FFT 頻率計(jì)算值。 20 初 始 化 程 序接 收 到 請(qǐng) 求 D / A 轉(zhuǎn) 換 指 令接 受 到 請(qǐng) 求 F F T 轉(zhuǎn) 換 指 令低 功 耗 狀 態(tài)A / D 采 樣F F T 計(jì) 算 函 數(shù)頻 率 校 正計(jì) 算 頻 率功 率 譜 計(jì) 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(hào)接 受 頻 率 值計(jì) 算 并 核 對(duì) 校 驗(yàn) 位將 4 個(gè) 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(jì)算函數(shù)、功率譜計(jì)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。同時(shí)又考慮到整個(gè)儀表的功耗，因此在結(jié)束 FFT 計(jì)算后程序仍然恢復(fù)到 32768Hz 晶振。設(shè) Km 左邊的 K 值為K1， Km 右邊的 K值為 K+1， Km對(duì)應(yīng)的模值為 Y， K1對(duì)應(yīng)的模值為 Y1， K+1對(duì)應(yīng)的模值為 Y+1。如圖 1 18，兩個(gè)單片機(jī)的通訊、脈沖計(jì)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。 5 總結(jié)與展望 本文提出了將數(shù)字信號(hào)處理方法中的快速傅立葉變換 (FFT）方法運(yùn)用到雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字渦街流量計(jì)中。同時(shí)，還須盡可能保證運(yùn)算速度。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。對(duì)不同頻率的信號(hào)采用不同的放大倍數(shù)。例如單片機(jī)程序中采用定時(shí)方式進(jìn)例如，在 DN25和 DN50 管道值流量上限分別為 16m3/h和 40m3/h,所對(duì) 應(yīng)的頻率分別為 350Hz 和 100Hz，那么就規(guī)定此時(shí)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]。因此，為了準(zhǔn)確的計(jì)算頻率必須進(jìn)行校正。由于整個(gè) FFT的計(jì)算需要比較大的內(nèi)存空間，因此計(jì)算時(shí)需要較長(zhǎng)時(shí)間。將轉(zhuǎn)換完成后的 FFT轉(zhuǎn)換值進(jìn)行功率譜計(jì)算，找出功率譜最大值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)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(jī)同時(shí)進(jìn)行 D/A 輸出。 通訊函數(shù)用于 MSP430F149 單片機(jī)與 MSP430F1611 單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。 MSP430F149 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)首先對(duì) MSP430F149 單片機(jī)的定時(shí)器及通訊模塊進(jìn)行初始化，然后計(jì)算輸入的脈沖方波的頻率并且將頻率值進(jìn)行輸出同時(shí)將頻率值發(fā)送給 MSP430F1611 單片機(jī)，將此頻率值與預(yù)先設(shè)定的臨界頻率值進(jìn)行比較。 MSP430 單片機(jī)在硬件上的低功耗設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率。電路設(shè)計(jì)如下圖。 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(jì) 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(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)具有 4～ 20mA 遠(yuǎn)傳的功能，因此課題采用 AM4 芯片將MSP430F1611 單片機(jī)的 D/A 模塊輸出的電壓信號(hào) (0～ )轉(zhuǎn)換為 4～ 20電流信號(hào)。 MSP430F149 中，P1 和 P2 這兩個(gè) 8 位端口都能用做輸入和輸出，同時(shí)具有中斷能力，每個(gè)信號(hào)都可作為一個(gè)中斷源。 (4)從等待 方式喚醒時(shí)間： 6μ s。 如圖 10，運(yùn)放 U4B 的正相輸入端通過反饋電阻 R19 和正相輸入電阻 W2 對(duì)輸出端電壓分壓，此分壓值即為觸發(fā)閾值。 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(jì) 限幅器的作用是對(duì)上述低通濾波器的輸出信號(hào)電平進(jìn)行箝位，從而進(jìn)一步消除干擾，提高放大器的信噪比；同時(shí)為后續(xù)電路提供穩(wěn)定的觸發(fā)電壓。渦街流量信號(hào)的頻帶很寬，并且隨著頻率的增大，信號(hào)的幅值近似以指數(shù)增長(zhǎng)，低頻時(shí)的信號(hào)很小，而高頻時(shí)的信號(hào)很大。由于壓電傳感器輸出的交變信號(hào)類似正弦波，而所采用的運(yùn)算放大器 TLV2254 是單電源 (AVCC=)供電，如果不采取措施，正弦信號(hào)的負(fù)半周將截止。圖 5所示即為電荷放大器電路結(jié)構(gòu) [8]。 課題設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器為主體的模擬電路來實(shí)現(xiàn)。 其中， MSP430F149 單片機(jī)作為脈沖計(jì)頻單片機(jī)， MSP430F1611 為 FFT 轉(zhuǎn)換單片機(jī)。如果要想更加準(zhǔn)確地計(jì)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(diǎn)數(shù)。 功率譜估計(jì)概念及頻率計(jì)算 經(jīng)典譜估計(jì)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?yàn)樗侵苯佑筛道锶~變換得到的，所以習(xí)慣上稱之為直接法，它是把隨機(jī)信號(hào)x(n)的 N個(gè)觀察數(shù)據(jù) xN(n)視為一能量有限信號(hào)，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(duì) x(n)真實(shí)的功率譜 P(ω )的估計(jì)。 圖 2 雙 MSP430 單片機(jī)的設(shè)計(jì)示意圖 此方案與傳統(tǒng)模擬渦街流量計(jì)的信號(hào)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(jì)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)；但是，在小流量低信噪比的情況下，渦街信號(hào)受干擾嚴(yán)重，易造成整形時(shí)的誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致單片機(jī)計(jì)頻不準(zhǔn)甚至無法測(cè)量。但是，當(dāng)在低流速下測(cè)量時(shí)，由于有用信號(hào)波形