【正文】 機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計頻和 FFT 計算，并且實時進(jìn)行脈沖輸出及電流輸出。 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(jìn)步也讓流量計的完善成為可能。 雙 MSP430單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計 2020 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。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。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。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。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。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。 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(yuǎn)（實際量程比只能達(dá)到 10： 1，而理論值可到達(dá) 100： 1）。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。 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（ 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。 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。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。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]。 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(jìn)行 1024 點 FFT 計算，然后將計算得到的 )(wxN 再進(jìn)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。 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。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 TLV2254 的典型特性有：①輸出擺幅包括兩個電源電平，即可達(dá)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。 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）。 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。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。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。 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。 (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)。其中， MCU149_Out 為 MSP430F149 單片機的脈沖輸出；Pulseout 為儀表脈沖輸出信號。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]。 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(jìn)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。 （ 2）將不用的 I/O 端口開路并設(shè)置成輸出端。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 。 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。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。具體做法是將剛才 FFT計算所得的 1024 個復(fù)數(shù)值逐一計算模值，然后找出模值最大的所對應(yīng)的點數(shù) Km值。 事實上，無論是從 MSP430F149 單片機傳遞過來的頻率值，還是由 MSP430F1611 單 片機自身計算出 FFT 頻率值，都需要實時地將頻率值轉(zhuǎn)為模擬電壓值。例如，單片機的主程序中，在無任何中斷產(chǎn)生的等待狀態(tài)中，單片機是處于 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。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。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 )。 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. [4] 莫德舉 ,孫麗 .低功耗多變量渦街變送器的研究 [M].儀器儀表學(xué)報 ,2020, 23(3)增刊 : 860862. [5] 陳榮保 ,王誼 .基于 MSP430的低功耗渦街流量計 [M].自動化儀表 ,2020, 24(11): 2628. [6] 沈建華 ,楊艷琴 ,翟驍曙 .MSP430 系列 16 位超低功耗單片機原理與應(yīng)用 [J].北京 :清華大學(xué)出版社 , 2020. [7]吳達(dá)科，智能渦街流量計的設(shè)計研究： [J]，重慶；西南 農(nóng)業(yè)大學(xué)， [8]朱德祥，流量儀表原理和應(yīng)用 [M].上海；華東化工學(xué)院出版社， [9]梁國偉，蔡武昌，流量測量技術(shù)及儀表 [J].北京：機械工業(yè)出版社， [10] 劉叔軍、樊新 . 控制系統(tǒng)應(yīng)用與實例 [M].機械工業(yè)出版社 ,～ 356 [11] 胡燁、姚鵬翼、陳明 .Protel 99 SE 原理圖與 PCB設(shè)計教程 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 2020 [12] 陳杰、黃鴻 .傳感器與檢測技術(shù) [M]高等教育出版社 ,～ 177 [13] 胡大可 .MSP430系列 FLASH型超低功耗 16位單片機 [M].北京航空航天大學(xué)出版社 ,～ 89 Digital Vortex Flowmeter with Double MSP430 Single ChipMicroputers Dong Ke (Mechanical and Electronic Engineering Department of Dezhou University, Dezhou Shandong, 253015) Abstract:In view of the existing vortex flowmeter advantages and shortings, the subject of research and the implementation of a number of vortex flowmeter. 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 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