【正文】 FFT算法 在 MSP430F1611 單片機上實現(xiàn)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(shù)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。 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的軟件低功耗設(shè)計 MSP430 單片機在軟件上的低功耗設(shè)計關(guān)鍵是： (1)用中斷代替查詢。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(nèi)完成。首先對通訊模塊進行初始化，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?shù)念l率值。通過調(diào)節(jié)變阻器 VR1 來調(diào)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(diào)節(jié) 0～ 16mA。 15 脈 沖 計 頻 單 片 機（ M S P 4 3 0 F 1 4 9 ）F F T 轉(zhuǎn) 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(shù)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(shù)，通訊以及脈沖輸出；利用 MSP430F1611 內(nèi)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。通過調(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。為了保證流量信號在低頻、高頻都有高的 儀以 )(^ 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。由于上述情況主要出現(xiàn)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。從渦街傳感器引出的電荷信號經(jīng)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(xiàn)渦街頻率的信號成分即有用信號，也包括各種噪聲。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(shù)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。第二，難以準確測量低流速流量。最后，在整個流量范圍內(nèi)，將得出的頻率值以脈沖輸出的方式從 MSP430F149 的端口輸出同時以模擬電壓值的形式從 MSP430F1611的端口輸出然后通過 AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 電流輸出。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。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(nèi)，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(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵性問題：第一，易受噪聲干擾。當流體流過非流線型阻擋體時會產(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應關(guān)系，測得頻率的變化，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 街流量計的研究現(xiàn)狀，課題的目的是將數(shù)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(jié)構(gòu)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。這一原理被用來研制渦街流量計，測量封閉管道內(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(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；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(chǎn)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。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(jié)果進行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率。 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。 9 體后，當旋渦在 旋渦發(fā)生體附近產(chǎn)生后，就會作用在檢測元件上面產(chǎn)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(chǎn)生應力變化，應力差作用于膜片上，使檢測元件內(nèi)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。 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 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 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(zhuǎn)換電路就尤為重要。 4 雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計的軟件設(shè)計 軟件總體設(shè)計方案 在第三章介紹的硬件電路設(shè)計中，脈沖計頻及頻率輸出由 MSP430F149 擔任而 FFT 轉(zhuǎn)換及電壓值輸出由 MSP430F1611 擔任。 MSP430F1611 單片機程序設(shè)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)。由單頻實正弦信號的快速插值頻同理，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。 23 參考文獻 ： [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].儀器儀表學報 , 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，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 電流遠傳功能。 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。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。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 。 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。其中， MCU149_Out 為 MSP430F149 單片機的脈沖輸出；Pulseout 為儀表脈沖輸出信號。 (8)具有三個捕獲 /比較寄存器的 16 位定時器 Timer_A,Timer_B。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。 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 基準電路原理圖 低通濾波器的設(shè)計 工業(yè)現(xiàn)場應用中發(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。 TLV2254 的