【正文】 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(xiě)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。 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。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。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。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。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。 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。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。為了保證流量信號(hào)在低頻、高頻都有高的 儀以 )(^ 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。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。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。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。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。最后，在整個(gè)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(shí)以模擬電壓值的形式從 MSP430F1611的端口輸出然后通過(guò) AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 電流輸出。而在低流速下，渦街測(cè)量就凸顯出了它的不足，渦街信號(hào)的信噪比很低，有用信號(hào)幾乎被噪聲淹沒(méi)。普通的渦街流量計(jì)采用模擬信號(hào)處理方法，在正常流量范圍內(nèi)，渦街流量信號(hào)穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好；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，課題的目的是數(shù)字信號(hào)處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量?jī)x表當(dāng)中，采用雙 MSP430單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖輸出及電流輸出。但是渦街流量計(jì)主要存在著兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一，易受噪聲干擾。當(dāng)流體流過(guò)非流線型阻擋體時(shí)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦，旋渦的產(chǎn)生頻率與流體流速有著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)得頻率的變化，就可以得知流體的流量。 課題研究目的及意義 根據(jù)目前渦 街流量計(jì)的研究現(xiàn)狀，課題的目的是將數(shù)字信號(hào)處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量?jī)x表當(dāng)中，采用雙 MSP430 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT 計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖輸出及電流輸出。這一原理被用來(lái)研制渦街流量計(jì)，測(cè)量封閉管道內(nèi)流體的流量。其中高頻電磁輻射干擾主要是通過(guò)空間電磁場(chǎng)作用到信號(hào)處理電路的；交直流電源干擾來(lái)自于電源間的相互影響；低頻電磁干擾是對(duì)渦街流量計(jì)的最主要的電磁干擾，低頻電磁干擾的來(lái)源非常復(fù)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(guān)，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(chǎng)；壓電敏感元件的接地點(diǎn)（表殼）與處理電路的接地點(diǎn)如果存在跨步電流 ，就會(huì)在地線兩端產(chǎn)生 50Hz 的跨步電壓干擾；當(dāng)電源干擾存在，而處理電路的共模抑制比較低時(shí)，就會(huì)在電路中引入 50Hz 的電源共模干擾。當(dāng)流量處于正常流速狀態(tài)時(shí)，由 MSP430F149利用其 I/O端口的外部中斷功能，對(duì)前置放大電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)頻，從而得出當(dāng)前頻率值；當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時(shí)，對(duì)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(hào)進(jìn)行 A/D 采樣，再利用 MSP430F1611 對(duì) A/D 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號(hào)的頻率。 通過(guò)這樣的方法就可以計(jì)算出渦街在低流速下的頻率值了。 9 體后，當(dāng)旋渦在 旋渦發(fā)生體附近產(chǎn)生后，就會(huì)作用在檢測(cè)元件上面產(chǎn)生一個(gè)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(gè)升力加上管道噪聲和流體振動(dòng)噪聲同時(shí)作用在檢測(cè)元件上，使其產(chǎn)生應(yīng)力變化，應(yīng)力差作用于膜片上，使檢測(cè)元件內(nèi)的壓電晶體元件的誘導(dǎo)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(hào)（幅值在幾 mV左右），此即是壓電傳感頭的輸出信號(hào)，也是渦街前置放大電路的輸入信號(hào)。 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(jié)構(gòu) 運(yùn)放反相輸入端接可調(diào)電阻 W1＝ 100K 和電阻 R9＝ ，反饋電阻 R8＝ 300K，所以，該運(yùn)放的放大倍數(shù)為 2～ 20 倍。 (2)超低功耗： μ A(4kHz， )； 160μ A(1MHz， )。前置放大電路中引出的正弦信號(hào) S1，作為 MSP430F1611 的第 59 引腳，采用單通道單次的采樣模式。 17 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) MSP430F149 單片機(jī)和 MSP430F1611 單片機(jī)都需要穩(wěn)定 可靠的 供電，因此電壓轉(zhuǎn)換電路就尤為重要。 4 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì)方案 在第三章介紹的硬件電路設(shè)計(jì)中，脈沖計(jì)頻及頻率輸出由 MSP430F149 擔(dān)任而 FFT 轉(zhuǎn)換及電壓值輸出由 MSP430F1611 擔(dān)任。 MSP430F1611 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 本程序首先對(duì) MSP430F1611 單片機(jī)的通訊模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由單頻實(shí)正弦信號(hào)的快速插值頻同理，在單片機(jī)等待定時(shí)中斷進(jìn)行 A/D 采樣過(guò)程中，也使單片機(jī)進(jìn)入 LPM3來(lái)降低系統(tǒng)功耗。 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(jì)信號(hào)處理系統(tǒng) [M].儀器儀表學(xué)報(bào) , 2020, 22(3): 255260. 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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 同時(shí)，比以往的 DSP 數(shù)字渦街流量計(jì)降低了功耗，從而實(shí)現(xiàn)了 4～ 20mA 電流遠(yuǎn)傳功能。 事實(shí)上，無(wú)論是從 MSP430F149 單片機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的頻率值，還是由 MSP430F1611 單 片機(jī)自身計(jì)算出 FFT 頻率值，都需要實(shí)時(shí)地將頻率值轉(zhuǎn)為模擬電壓值。因此通過(guò)設(shè)置 Timer_A 的觸發(fā)頻率就可以設(shè)置 A/D 采樣頻率。由于此時(shí)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 。 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(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件低功耗設(shè)計(jì) 近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)著電子產(chǎn)品的日新月異，同時(shí)對(duì)電子產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，其中較為突出的就是產(chǎn)品的功耗問(wèn)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(shì)，系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)在整體設(shè)計(jì)中顯得越來(lái)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高可靠性；③實(shí)現(xiàn)“綠色”電子，節(jié)省能源。其中， MCU149_Out 為 MSP430F149 單片機(jī)的脈沖輸出；Pulseout 為儀表脈沖輸出信號(hào)。 (8)具有三個(gè)捕獲 /比較寄存器的 16 位定時(shí)器 Timer_A,Timer_B。因此，限幅器輸出的信號(hào)己經(jīng)不再是完整的正弦波波形了，而是被限幅后類(lèi)似方波的波形。 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(jì) 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，影響前置放大電路正常工作的主要來(lái)自周?chē)碾姶艌?chǎng)干擾，可分為高頻電磁輻射干擾和低頻電磁干擾。 TLV2254 的