【正文】 ，它對于渦街信號的放大、濾波起到了很大的作用。同理，在單片機等待定時中斷進行 A/D 采樣過程中，也使單片機進入 LPM3來降低系統(tǒng)功耗。首先設定參考電壓為 ，然后需要向 D/A 模塊中寄存器 DAC12_0DAT中寫入相應的值（ 0～ 4095），則 MSP430F1611 單片機即可自動從 D/A 端口中輸出 0～ 之間的電壓值，最后通過 AM402 轉換為 4～ 20mA 電流輸出。由單頻實正弦信號的快速插值頻利用每次的采樣中斷函數將 A/D 采樣值存入變量中，采樣點達到 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。 MSP430F1611 單片機程序設計 本程序首先對 MSP430F1611 單片機的通訊模塊進行初始化，然后進入低功耗狀態(tài)。 4 雙 MSP430 單片機結構數字渦街流量計的軟件設計 軟件總體設計方案 在第三章介紹的硬件電路設計中，脈沖計頻及頻率輸出由 MSP430F149 擔任而 FFT 轉換及電壓值輸出由 MSP430F1611 擔任。 為了實現本數字渦街流量計的低功耗設計 ，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 17 電源電壓轉換電路設計 MSP430F149 單片機和 MSP430F1611 單片機都需要穩(wěn)定 可靠的 供電，因此電壓轉換電路就尤為重要。 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。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。 (10)安全熔絲的程序代碼保護。 (2)超低功耗： μ A(4kHz， )； 160μ A(1MHz， )。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換電平和從高電平下降時的轉換電平不同；第二，在電路狀態(tài)轉換時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊緣變得很陡。運放反相輸入端接可調電阻 W1＝ 100K 和電阻 R9＝ ，反饋電阻 R8＝ 300K，所以，該運放的放大倍數為 2～ 20 倍。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，金屬外殼無法防御，故消除低頻電磁干擾是設計前置放大電路的關鍵。 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 放大器電路結構 電荷放大器的設計 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。 9 體后，當旋渦在 旋渦發(fā)生體附近產生后，就會作用在檢測元件上面產生一個交替的升力，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，使其產生應力變化，應力差作用于膜片上，使檢測元件內的壓電晶體元件的誘導電荷發(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。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]。 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。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。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 采樣的結果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率。 雙 MSP430 單片機結構數字渦街流量 計的設計方案 大部分的脈沖輸出型渦街流量計都是基于電荷放大電路、濾波電路、整形電路和脈沖輸出電路組成的一套模擬電路的模擬渦街流量計。其中高頻電磁輻射干擾主要是通過空間電磁場作用到信號處理電路的；交直流電源干擾來自于電源間的相互影響；低頻電磁干擾是對渦街流量計的最主要的電磁干擾，低頻電磁干擾的來源非常復雜，它與渦街安裝位置、安裝方式、接地方式、接地位置、屏蔽情況及放大器的特性等有關，如：金屬屏蔽罩屏蔽空間電磁輻射的能力是有限的，不能抵御頻率 50Hz以下的電磁場；壓電敏感元件的接地點（表殼）與處理電路的接地點如果存在跨步電流 ，就會在地線兩端產生 50Hz 的跨步電壓干擾；當電源干擾存在，而處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。因此，渦街流量計實際測量的量 程下限遠遠高于理論值。這一原理被用來研制渦街流量計，測量封閉管道內流體的流量。 其中雷諾數 Re的定義為： ?vL?Re （ 1） 式中γ —— 工作狀態(tài)下流體的運動粘度； ν —— 來流的平均流速； L—— 為流束的定型尺寸。 課題研究目的及意義 根據目前渦 街流量計的研究現狀，課題的目的是將數字信號處理方法 FFT 應用于渦街流量儀表當中，采用雙 MSP430 單片機的結構進行脈沖計頻和 FFT 計算，并且實時進行脈沖輸出及電流輸出。渦街流量計本質上是流體振動型流量計，因此它對外界振動、流體的流動狀態(tài)特別敏感，如管道振動、管道流體的沖擊力以及由于流體壓力的變化、產生的隨機脈動壓力等，現場的干擾對流量測量產生很大的影響。當流體流過非流線型阻擋體時會產生穩(wěn)定的旋渦，旋渦的產生頻率與流體流速有著確定的對應關系，測得頻率的變化，就可以得知流體的流量。 ] 從抗干擾和降低功耗兩個角度考慮，本課題設計了數字渦街流量計的硬件 電路，采用了以 MSP430F149 單片機和 MSP430F1611 單片機為核心的雙 CPU 硬件結構。但是渦街流量計主要存在著兩個關鍵性問題：第一，易受噪聲干擾。 注：本表由擬擔任畢業(yè)論文（設計）指導任務的教師填寫。普通的渦街流量計采用模擬信號處理方法，在正常流量范圍內，渦街流量信號穩(wěn)定、測量準確、實時性好；鑒于上述模擬渦街流量計具有的優(yōu)勢以及存在的不足，課題的目的是數字信號處理方法 FFT 應用于渦街流量儀表當中，采用雙 MSP430單片機的結構進行脈沖計頻和 FFT計算，并且實時進行脈沖輸出及電流輸出。但是渦街流量計主要存在著兩個關鍵性問題：第一，易受噪聲干擾。而在低流速下，渦街測量就凸顯出了它的不足，渦街信號的信噪比很低，有用信號幾乎被噪聲淹沒。已研究的 DSP 與 MSP430 單片機相結合的數字渦街信號處理系統(tǒng)，在很大程度上降低了流量測量下限以及提高了抗干擾能力。最后，在整個流量范圍內，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 芯片轉換為 4～ 20mA 電流輸出。渦街流量計有其自身的使用特點。第二，難以準確測量低流速流量。該數字渦街流量計采用了雙 MSP430 單片機的硬件結構，在低流速小流量的情況下，由 MSP430F1611 單片機實現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；在正常流量范圍內，由 MSP430F149 單片機對渦街信號前置放大電路輸出的方波進行計頻，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。實驗表明，當外部條件幾何相似時（幾何相似的流動環(huán)境、流體繞過幾何相似的物體），若雷諾數相同，流體的流動狀態(tài)幾何相似，即流體具有相似的運動規(guī)律和流速分布。 因此，應用渦街流量計測量的特點就是：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，與流動介質的性質無關。從渦街傳感器引出的電荷信號經電荷放大器和濾波器的簡單處理后，形成了幅值在幾伏左右的電壓信號，這個電壓信號是雜亂的、不規(guī)則的，其中包括體現渦街頻率的信號成分即有用信號，也包括各種噪聲。 3 工業(yè)現場管道內的干擾對漩渦發(fā)生體附近的流場分部有很大的影響。由于上述情況主要出現在測量的低量程段，從而導致了量程比的縮小，普通的模擬渦街流量計的實際量程只有 1： 10。此時，數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 脈沖計頻單片機 脈沖輸出 FFT 轉換單片機 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)轉換電流輸出 以 )(^ wPN 表示用周期圖法估計出的功率譜，則 2^ )(1)( wXNwP NN ? （ 7） 其中： ????? 10 )()(NnjwNN enxwX （ 8） 是實平穩(wěn)隨機序列 )(nxN 的傅立葉變換。但是，采樣頻率的降低是有限度的，要滿足 Shannon 采樣定理。儀如圖 4所示。 為此，增加一個運算放大器 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 電路的輸入信號為兩路壓電傳感器的差動信號，將電壓參考電位定為 AVCC/2 有利于對差動信號進行充分的放大。為了保證流量信號在低頻、高頻都有高的 在圖 9中，限幅器運放 U2C 的負反饋部分除了用一個小容量的電容（ C23＝ 2200p）和一個較大的反饋電阻（ R17＝ ）并聯以濾除一些高頻干擾和放大信號幅值以外，它還有兩個反相并聯的二極管（ D D2）起放大整形的作用。通過調節(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。 (5)16 位 RISC 結構， 150ns 指令周期。 15 脈 沖 計 頻 單 片 機（ M S P 4 3 0 F 1 4 9 ）F F T 轉 換 單 片 機（ M S P 4 3 0 F 1 6 1 1 ）脈 沖 信 號 正 弦 信 號電 流 輸 出脈 沖 輸 出 圖 12 單片機外圍電路硬件框圖 本數字渦街流量計信號處理系統(tǒng)充分利用了 MSP430F149 豐富的 I/O 和中斷端口對施密特觸發(fā)器輸出的方波信號進行脈沖計數，通訊以及脈沖輸出；利用 MSP430F1611 內部的12 位 A/D 對前置放大電路中低通濾波后的渦街流量信號進行采樣及電流輸出。課題選用 ，以前置放大電路中輸出的方波信號 S2作為 的中斷源，采用上升沿中斷的方式計頻。通過調節(jié)變阻器 VR1 來調節(jié) 4mA，單片機的電壓信號通過一個滑動變器 VR2 連接到 AM402 的 7 腳來調節(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 電壓轉換電路框圖 除了為單片機供電外，還需要為整個儀表脈沖輸出電路的放大器供電，即需要 12V 供電。單片機的功耗與工作頻率成正比關系，功耗隨著工作頻率的降低而明顯減少；但是，工作頻率太低會影響指令執(zhí)行速度，降低儀表的實時性要求，所以需要選擇一個適當的頻率值。如果當前頻率值大于臨界頻率值，則繼續(xù)進行脈沖計頻；如果當前 頻率值小于臨界頻率值，則向 MSP430F1611 單片機發(fā)送指令，與此同時 MSP430F149 單片機進入低功耗狀態(tài)，等待 MSP430F1611 單片機的頻率計算值。首先對通訊模塊進行初始化，將傳輸 波特率設置為 48001，并且設置允許接收中斷。 為了提高程序的計算速度，使得整體軟件具有較好的實時性，本程序在計算 FFT 時采用 8MHz 晶振，這樣可以使 FFT 計算在 1秒鐘內完成。 頻率校正函數就是為了得到準確的帶有小數位的 K 值而設計的。 雙 MSP430 單片機結構數字渦街流量計的軟件低功耗設計 MSP430 單片機在軟件上的低功耗設計關鍵是： (1)用中斷代替查詢。 22 行 A/D 采樣，共采 1024 點，每采完一點后應立即關閉 A/D 采樣模塊，直至下一次定時時間到，再重新開啟進行采樣。 FFT算法 在 MSP430F1611 單片機上實現信號處理算法，由于采用的算法基于 1024 點的 FF 變換，所以精度還有待于提高，建議編寫點數更高的 FFT 變換對信號進行處理，這樣會對計算精度有明顯的提高。崔老師 淵博的學識，嚴謹求實的治學態(tài)度，給我留下了深刻的印象；尤其是崔老師極具創(chuàng)新性的分析解決問題的方法讓我受益匪淺，不論對今后的學習