【文章內(nèi)容簡介】 為電荷放大器的反饋電容；R1與R3為電荷放大器的直流反饋電阻，一般為兆歐級，起到穩(wěn)定放大器直流工作點的作用；由于是兩路信號輸入，此時電荷放大器也有差分放大的作用，輸出為兩輸入電荷信號的差分電壓值。當信號頻率不滿足時，輸出電壓為： (31) 當信號頻率時，可簡化輸出電壓為： (32)由式(31)和(32)可見當反饋電容和電阻確定后，電荷放大器幅頻特性近似于一個高通濾波器，反饋電容和電阻的選擇要兼顧信號放大倍數(shù)和當前信號頻帶的要求。 低通濾波器對于應(yīng)力式渦街流量計，由于壓電檢測元件靈敏度較高，對力和加速度的作用相當敏感，因此流體流動噪聲、管道振動噪聲、以及電磁干擾都會隨著渦街信號進入到壓電傳感器中，然后送至前置放大電路，這些干擾信號同時也被放大，如果不對這些信號進行處理，就會引起很大的測量誤差除上述的干擾噪聲外，壓電晶體的固有振蕩噪聲也是一種很強的干擾信號。而由于受到流體自身性質(zhì)的限制，流量計所測的有效頻率信號是不超過400 Hz的低頻信號，因而要濾去高頻信號。圖 34 低通濾波器 施密特整形電路信號經(jīng)過放大、濾波以后分成兩路:一路直接送到 MSP430F149的 A/D 轉(zhuǎn)換單元，以便后面的 FFT 譜分析，計算信號頻率；另一路送到整形電路，將按正弦規(guī)律變化的交變的電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率相等的脈沖信號，以便微處理器對信號頻率進行預(yù)判斷，渦街流量計常采用施密特觸發(fā)器作整形電路。施密特觸發(fā)器輸入高低門檻電壓不同，對信號的小范圍波動有良好的濾除作用，因此在將渦街信號整形成方波時能將殘余噪聲濾掉。圖 35 施密特整形電路原理圖 模擬信號處理總電路及仿真用Multisim軟件進行仿真，其中用信號發(fā)生器代替電荷源，分別輸入100Hz和500Hz的正弦波輸出波形如圖37所示。圖36 模擬信號處理電路(a)100Hz的仿真圖(b)500Hz的仿真圖圖 37Multisim仿真圖因為本文所測得的信號應(yīng)在400Hz以內(nèi)，所以信號通過電荷放大電路、低通濾波器、施密特整形電路后，有效信號被整形為方波，高頻信號被過濾掉，用Multisim軟件仿真只是粗略的模擬一下，當輸入100Hz有效信號時示波器中出現(xiàn)方波，當輸入500Hz無效信號時示波器中無波形。 基于DSP的信號處理電路 DSP選型DSP 是數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor)的簡稱 DSP 芯片的主要功能是完成通用數(shù)字信號處理任務(wù)。DSP 芯片的總線結(jié)構(gòu)一般說來都具有實現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)分離的功能，實行多級流水線操作，并擁有可在單周期內(nèi)完成乘法的硬件乘法器以及一套完整的指令集以適應(yīng)數(shù)字信號處理的需要。DSP 芯片小巧靈活，運行穩(wěn)定可靠，具有很強的處理精度和良好的抗干擾能力，在大規(guī)模集成和嵌入式實時信號處理等方面具有良好表現(xiàn)。DSP芯片有眾多的供應(yīng)商，其中有很多大型的知名公司都在參與市場競爭。現(xiàn)階段，整體市場近50%的份額被 TI 公司所占據(jù)，該公司生產(chǎn)的 DSP 芯片在我國也被普遍采用。其DSP 產(chǎn)品大致可分為 C2000、C5000 以及 C6000 三大系列。根據(jù)各系列特點和功能不同，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也有所不同。其中包含了FLASH 和事件管理等模塊的C2000 系列主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域；在無線通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的 C5000 系列屬于低功耗系列；C6000 系列的主要優(yōu)勢在于對音頻和圖像的超強處理能力，屬于 TI公司的高端產(chǎn)品。要對 DSP 選型時考慮的根本出發(fā)點有以下三個方面：其一，要考慮該型號的實際功率損耗問題；其二，要考慮軟件是否容易操作；其三，要考慮線路板制作及相關(guān)元器件焊接問題。綜合以上三個方面的考慮TI 公司生產(chǎn)的 DSP 成為最終選擇，現(xiàn)將其芯片特性介紹如下[20] ：(1) 為方便 DSP 與外部器件通訊，完成自身程序加載， TMS320VC5416設(shè)有 8/16 位主機接口(Host Port Interface 簡稱 HPI )；(2) 功耗極低()，并有 IDLEIDLEIDLE3 三種低功耗模式可供選擇；(3) 擁有 128K RAM，其中 DRAM (DualAccess Program/Data RAM)SRAM(SingleAccess Program/Data RAM)各占 64K；(4) 具有 4 條地址、3 條數(shù)據(jù)總線和 1 條程序總線的高級多總線結(jié)構(gòu)；(5) 采用引腳無外彎封裝方式更便于芯片焊接，使電路設(shè)計與調(diào)試變得簡單易行。 信號處理電路組成信號處理電路的設(shè)計是以數(shù)字信號處理器 DSP 為核心外接程序所需要的各種接口和功能模塊的過程，設(shè)計的重點是保證各部分發(fā)揮功能、協(xié)調(diào)運行[21]，結(jié)構(gòu)如圖38所示。圖38 DSP實現(xiàn)信號處理圖各部分電路如下：(1) 本文所選用的單片機 MSP430F149 利用 HPI 數(shù)據(jù)接口(HD0~HD7)和HPI 控制接口(HPICl~HPIC7)實現(xiàn)單片機與 DSP 相互間的數(shù)據(jù)傳輸并完成對TMS320VC5416 的程序裝載。(2) 根據(jù)電路設(shè)計需要，本文選用了 TI 公司的 TPS767D301 作為供電電源，該電源可同時滿足數(shù)字信號處理器與單片機的供電要求。供電電源 TPS767D301可以通過改變外電路，產(chǎn)生三種不同幅值的固定電壓和一種范圍為 ~ 的可調(diào)電壓，可調(diào)電壓的具體輸出大小由 R1 和 R2 的匹配來確定。 和 兩種電壓幅值，兩種電壓輸出下 R1 和 R2 。同時單片機實現(xiàn)復(fù)位理論上需要的不小于 200ms 的低電平信號也要由該供電電源提供。選擇合適的供電電源是保證數(shù)字信號處理器及單片機。(3) DSP 時鐘模式的設(shè)定不但對系統(tǒng)功率損耗有很大影響，而且對DSP的準確穩(wěn)定運行有很大的意義。DSP 功率損耗與工作主頻間的關(guān)系呈線性。主時鐘可由輸入時鐘經(jīng)過封裝于DSP芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)電路做倍頻處理，達到頻率要求后獲得。時鐘模式寄存器 CLKMD的值確定了鎖相環(huán)電路倍頻環(huán)節(jié)的實際放大系數(shù)，復(fù)位時DSP的外部引腳CLKMDCLKMD2與CLKMD3三者的邏輯組合決定時鐘模式寄存器的初值。在本文設(shè)計中，為滿足DSP 低功耗要求，DSP 的工作主頻選定為20MHz，應(yīng)用 CLKMD1=1，CLKMD2=0，CLKMD3=0 的時鐘模式，接于 X2/CLKIN和 X1 端口的片外時鐘為 10MHz 晶振。圖39 電源電路圖(4) 數(shù)字信號處理器與單片機之間相互發(fā)送中斷請求、完成相互配合所使用的電路稱為握手電路。DSP的XF端和INT端實現(xiàn)兩者間的相互聯(lián)系。，成為數(shù)字信號處理器向單片機發(fā)送中斷請求的通道；DSP的中斷端 INT0 端與單片機的 ，成為單片機向數(shù)字信號處理器發(fā)送中斷請求的通道。 口向數(shù)字處理過程如下：首先，單片機對待處理信號進行采集，然后通過信號處理器INT0端發(fā)出中斷請求，待 DSP 狀態(tài)正常時將數(shù)據(jù)送入DSP中進行處理，處理任務(wù)完成后，告知單片機讀取數(shù)據(jù)處理結(jié)果。如此可知DSP與單片機完成各自任務(wù)并且實現(xiàn)相互間的配合要通過握手電路完成[22]。圖310 時鐘模式選擇電路 基于單片機的控制電路 單片機的選擇本設(shè)計所選擇的MSP430F149 單片機由美國TI公司生產(chǎn)，其主要優(yōu)勢有： (1) 。 (2) 遠低于其它單片機的超低功耗，可供選擇的五種工作模式均為低功耗設(shè)計，[23]。 (3) 16位RISC結(jié)構(gòu)，MSP430單片機在8MHz晶振工作時，指令速度可達8MIPS。 (4) 內(nèi)部含有時鐘模塊。(5) 擁有可高速處理12位數(shù)據(jù)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，且自身具有采樣及數(shù)據(jù)保持功能。 (6) 16位定時器Timere_A，Timere_B具有三個捕獲/比較寄存器。 (7) 具有2KB RAM及60KB FLASH ROM。 MSP430F149的特性完全滿足單片機選型中超低功耗、控制能力強大以及開發(fā)工具完備等多方面的要求。本文有效利用了芯片內(nèi)部60K的Flash ROM，MSP430 和DSP共同使用MSP430 內(nèi)部的60K和12位A/D，免去了片外模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與片外FLASH ROM的接入[24] 。 控制電路組成控制電路的設(shè)計是以單片機 MSP430F149 為核心，外接實現(xiàn)控制所必需的各接口電路和功能性模塊，控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖311所示。(1) 復(fù)位電路在本文中是將供電電源 TPS767D301 的 RESET1 與 RESET2 端相連，為單片機復(fù)位提供理論所必須的小于 200ms 的低電平信號。(2) HPI 接口電路由 HPI 控制電路(HPIC1~HPIC6) 和 HPI 數(shù)據(jù)接口電路(HD0~HD7)所組成，占用單片機的PP5口。 (3) DSP 復(fù)位電路時序由單片機提供， RST端對DSP進行復(fù)位操作 ，理論上只要復(fù)位信號為不小于200ms 的低電平即可保證DSP正常運行，但通過大量驗發(fā)現(xiàn)，僅僅使用一個大于 200ms 的低電平復(fù)位信號不一定能夠滿足需要。要測試DSP 是否工作正常還必須檢測其 HRDY 端，只有 HRDY 端始終為1時才說明 DSP運行正常，若HRDY 端非1，單片機將持續(xù)向DSP發(fā)送復(fù)位信號，同時需要注意的是復(fù)位次數(shù)最大限度為10次。(4) 本文所設(shè)計的渦街流量計主要要任務(wù)是測量流量，因此鍵盤僅設(shè)計了F、→、↑三個按鍵即可滿足要求。其中 F 鍵用于功能選擇，F(xiàn) 鍵第一次按下，會將系統(tǒng)設(shè)置為置數(shù)狀態(tài)，再次按下 F 鍵將完成要置儀表參數(shù)與瞬時流量間的相互切換；→鍵用于數(shù)據(jù)的位切換，每按一次→鍵，光標閃爍為將從儀器參數(shù)默認的最高位開始向右移動一位，當光標已處于參數(shù)末位時再次按下→鍵將改為數(shù)值小數(shù)點位置設(shè)置；↑鍵的作用是調(diào)整數(shù)值大小，每按一次↑鍵，光標閃爍位相應(yīng)數(shù)值加 1，若此位數(shù)值為9，↑鍵后數(shù)值變?yōu)?0。同時鍵盤的設(shè)計采用中斷的方式，充分利用 MSP430 單片機按下P1口的中斷功能，、其中 ，按鍵設(shè)計原理圖如圖312所示。圖311 控制電路結(jié)構(gòu)圖 (5) 流量計所測得的瞬時流量和累計流量需要顯示電路外接LCD 顯示屏顯示。單片機MSP430自身接口有限，外圍模塊已經(jīng)占用了其中的絕大部分，所以本文應(yīng)用串行接口實現(xiàn)單片機MSP430與顯示屏的連接[25] 。綜合各項性能指標，本文選用了LCM141多功能通用型液晶顯示模塊，它采用14位8段顯示，功耗極低。LCM141管腳功能如表3—1所示。在設(shè)計中顯示模塊的片選信號(CS)、數(shù)據(jù)信號(DATA)和 、。具體接口連接圖如圖313 所示。鑒于LCM141內(nèi)部的上拉電阻會產(chǎn)生功率損耗，每次數(shù)據(jù)傳輸傳送完成后，片選信號(CS)、數(shù)據(jù)(DATA) 和WR信號需懸浮或接高電平。 (6) HPI接口電路HPI 由控制寄存器(HPIC)、地址寄存器(HPIA)、HPI 數(shù)據(jù)寄存器(HPID)、內(nèi)部 DMA 總線及外部引腳五部分組成[26]，現(xiàn)將各部分功能介紹如下：1) 控制寄存器HPIC，控制HPI的工作模式，可接受單片機和DSP訪問。HPI操作必須用到的控制位和狀態(tài)位就包含在HPIC中，HPI究竟訪問數(shù)據(jù)寄存器還是地址寄存器由HPIC的值決定，HPIC需在訪問HPI 前由主機初始化。 圖 312 按鍵原理圖表3—1 LCM141管腳功能引腳符號 說明輸入/輸出1/CS模塊片選信號，內(nèi)部上拉輸入2/WR模塊數(shù)據(jù)/指令寫入控制線，內(nèi)部上拉輸入3 DATA數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)線輸入4 GND接地線 5VLCDLCD屏工作電壓調(diào)整，可調(diào)整視角對比度輸入6VDD正電源輸入7 + 為背光兩端輸入2) 地址寄存器HPIA，該寄存器存放著主機要訪問的地址，因此只接受主機訪問。HPIA 有自動增值及數(shù)值保持不變兩種地址存儲形式，HCNTL0 和 HCNTL1 的組合邏輯決定具體模式的選擇。3) 數(shù)據(jù)寄存器 HPID，它包含著要向 DSP 寫入的數(shù)據(jù)或是從 DSP中讀出的數(shù)據(jù)，同時HPID只接受主機訪問。 4) 內(nèi)部DMA總線，實現(xiàn) HPI 口同片內(nèi)RAM 的相連。5) HPI 外部引腳，具體連接方式如圖314所示。圖 313 液晶屏與單片機接口 圖 314 HPI接口圖314雙向數(shù)據(jù)總線HD0HD7與外部實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。HPI內(nèi)部寄存器HPIC、HPID、HPIA的選擇由輸入控制線 HCNTL0和HCNTL的不同組合來控制，HPI的讀、寫操作由HR/W端控制；片選端 HCS為與HDSHDS2組成內(nèi)部鎖存邏輯，本文設(shè)計已把 HCS和HDS2直接與固定電平連接，組合電平值完全由HDSl端決定，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)在組合電平達到下降沿時鎖存；HBIL的高、低分別表示現(xiàn)在傳送的是第二個比特或第一個比特位；HPI16=0 時表示8位HPI 操作，本文應(yīng)用的是8位增強型，所以HPI16接地。 本章小結(jié)在根據(jù)功能需要完成本章內(nèi)容中硬件系統(tǒng)的整體設(shè)計的基礎(chǔ)上完成 DSP 的選型DSP 芯片各部分功能；完成單片機的選型及電路設(shè)計，實現(xiàn)相應(yīng)功能，并充分利用HPI 接口完成DSP 與單片機的通訊，提高工作效率。 93 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計渦街流量計信號處理系統(tǒng)主要有以下三個方面的特點： (1) 系統(tǒng)主要由控制電路和信號處理電路兩大部分組成，分別以 MSP430F149單片機和 TMS320VC5416 數(shù)字信號處理器為核心； (2) 依靠HPI 口實現(xiàn)MSP430F149 單片機與DSP之間的數(shù)據(jù)交換； (3) 數(shù)字電路和模擬電路共同存在。其中控制電路與信號處理電路屬于數(shù)字電路，模擬信號預(yù)處理電路屬于模擬電路。圖4