【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(jí)，起到穩(wěn)定放大器直流工作點(diǎn)的作用；由于是兩路信號(hào)輸入，此時(shí)電荷放大器也有差分放大的作用，輸出為兩輸入電荷信號(hào)的差分電壓值。當(dāng)信號(hào)頻率不滿足時(shí)，輸出電壓為： (31) 當(dāng)信號(hào)頻率時(shí)，可簡(jiǎn)化輸出電壓為： (32)由式(31)和(32)可見(jiàn)當(dāng)反饋電容和電阻確定后，電荷放大器幅頻特性近似于一個(gè)高通濾波器，反饋電容和電阻的選擇要兼顧信號(hào)放大倍數(shù)和當(dāng)前信號(hào)頻帶的要求。 低通濾波器對(duì)于應(yīng)力式渦街流量計(jì)，由于壓電檢測(cè)元件靈敏度較高，對(duì)力和加速度的作用相當(dāng)敏感，因此流體流動(dòng)噪聲、管道振動(dòng)噪聲、以及電磁干擾都會(huì)隨著渦街信號(hào)進(jìn)入到壓電傳感器中，然后送至前置放大電路，這些干擾信號(hào)同時(shí)也被放大，如果不對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，就會(huì)引起很大的測(cè)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(qiáng)的干擾信號(hào)。而由于受到流體自身性質(zhì)的限制，流量計(jì)所測(cè)的有效頻率信號(hào)是不超過(guò)400 Hz的低頻信號(hào)，因而要濾去高頻信號(hào)。圖 34 低通濾波器 施密特整形電路信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jì)算信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成頻率相等的脈沖信號(hào)，以便微處理器對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行預(yù)判斷，渦街流量計(jì)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(duì)信號(hào)的小范圍波動(dòng)有良好的濾除作用，因此在將渦街信號(hào)整形成方波時(shí)能將殘余噪聲濾掉。圖 35 施密特整形電路原理圖 模擬信號(hào)處理總電路及仿真用Multisim軟件進(jìn)行仿真，其中用信號(hào)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(hào)處理電路(a)100Hz的仿真圖(b)500Hz的仿真圖圖 37Multisim仿真圖因?yàn)楸疚乃鶞y(cè)得的信號(hào)應(yīng)在400Hz以內(nèi)，所以信號(hào)通過(guò)電荷放大電路、低通濾波器、施密特整形電路后，有效信號(hào)被整形為方波，高頻信號(hào)被過(guò)濾掉，用Multisim軟件仿真只是粗略的模擬一下，當(dāng)輸入100Hz有效信號(hào)時(shí)示波器中出現(xiàn)方波，當(dāng)輸入500Hz無(wú)效信號(hào)時(shí)示波器中無(wú)波形。 基于DSP的信號(hào)處理電路 DSP選型DSP 是數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor)的簡(jiǎn)稱 DSP 芯片的主要功能是完成通用數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。DSP 芯片的總線結(jié)構(gòu)一般說(shuō)來(lái)都具有實(shí)現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)分離的功能，實(shí)行多級(jí)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(hào)處理的需要。DSP 芯片小巧靈活，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有很強(qiáng)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(shí)時(shí)信號(hào)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)?，F(xiàn)階段，整體市場(chǎng)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(guó)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(diǎn)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(wú)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(shì)在于對(duì)音頻和圖像的超強(qiáng)處理能力，屬于 TI公司的高端產(chǎn)品。要對(duì) DSP 選型時(shí)考慮的根本出發(fā)點(diǎn)有以下三個(gè)方面：其一，要考慮該型號(hào)的實(shí)際功率損耗問(wèn)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(wèn)題。綜合以上三個(gè)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(jī)接口(Host Port Interface 簡(jiǎn)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(jí)多總線結(jié)構(gòu)；(5) 采用引腳無(wú)外彎封裝方式更便于芯片焊接，使電路設(shè)計(jì)與調(diào)試變得簡(jiǎn)單易行。 信號(hào)處理電路組成信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)是以數(shù)字信號(hào)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(guò)程，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證各部分發(fā)揮功能、協(xié)調(diào)運(yùn)行[21]，結(jié)構(gòu)如圖38所示。圖38 DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理圖各部分電路如下：(1) 本文所選用的單片機(jī) MSP430F149 利用 HPI 數(shù)據(jù)接口(HD0~HD7)和HPI 控制接口(HPICl~HPIC7)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 DSP 相互間的數(shù)據(jù)傳輸并完成對(duì)TMS320VC5416 的程序裝載。(2) 根據(jù)電路設(shè)計(jì)需要，本文選用了 TI 公司的 TPS767D301 作為供電電源，該電源可同時(shí)滿足數(shù)字信號(hào)處理器與單片機(jī)的供電要求。供電電源 TPS767D301可以通過(guò)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(lái)確定。 和 兩種電壓幅值，兩種電壓輸出下 R1 和 R2 。同時(shí)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位理論上需要的不小于 200ms 的低電平信號(hào)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(hào)處理器及單片機(jī)。(3) DSP 時(shí)鐘模式的設(shè)定不但對(duì)系統(tǒng)功率損耗有很大影響，而且對(duì)DSP的準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)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(shí)鐘可由輸入時(shí)鐘經(jīng)過(guò)封裝于DSP芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)電路做倍頻處理，達(dá)到頻率要求后獲得。時(shí)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(shí)際放大系數(shù)，復(fù)位時(shí)DSP的外部引腳CLKMDCLKMD2與CLKMD3三者的邏輯組合決定時(shí)鐘模式寄存器的初值。在本文設(shè)計(jì)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(shí)鐘模式，接于 X2/CLKIN和 X1 端口的片外時(shí)鐘為 10MHz 晶振。圖39 電源電路圖(4) 數(shù)字信號(hào)處理器與單片機(jī)之間相互發(fā)送中斷請(qǐng)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(shí)現(xiàn)兩者間的相互聯(lián)系。，成為數(shù)字信號(hào)處理器向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求的通道；DSP的中斷端 INT0 端與單片機(jī)的 ，成為單片機(jī)向數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)送中斷請(qǐng)求的通道。 口向數(shù)字處理過(guò)程如下：首先，單片機(jī)對(duì)待處理信號(hào)進(jìn)行采集，然后通過(guò)信號(hào)處理器INT0端發(fā)出中斷請(qǐng)求，待 DSP 狀態(tài)正常時(shí)將數(shù)據(jù)送入DSP中進(jìn)行處理，處理任務(wù)完成后，告知單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)處理結(jié)果。如此可知DSP與單片機(jī)完成各自任務(wù)并且實(shí)現(xiàn)相互間的配合要通過(guò)握手電路完成[22]。圖310 時(shí)鐘模式選擇電路 基于單片機(jī)的控制電路 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)所選擇的MSP430F149 單片機(jī)由美國(guó)TI公司生產(chǎn)，其主要優(yōu)勢(shì)有： (1) 。 (2) 遠(yuǎn)低于其它單片機(jī)的超低功耗，可供選擇的五種工作模式均為低功耗設(shè)計(jì)，[23]。 (3) 16位RISC結(jié)構(gòu)，MSP430單片機(jī)在8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS。 (4) 內(nèi)部含有時(shí)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(shí)器Timere_A，Timere_B具有三個(gè)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(jī)選型中超低功耗、控制能力強(qiáng)大以及開(kāi)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(jì)是以單片機(jī) MSP430F149 為核心，外接實(shí)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(jī)復(fù)位提供理論所必須的小于 200ms 的低電平信號(hào)。(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(jī)的PP5口。 (3) DSP 復(fù)位電路時(shí)序由單片機(jī)提供， RST端對(duì)DSP進(jìn)行復(fù)位操作 ，理論上只要復(fù)位信號(hào)為不小于200ms 的低電平即可保證DSP正常運(yùn)行，但通過(guò)大量驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅僅使用一個(gè)大于 200ms 的低電平復(fù)位信號(hào)不一定能夠滿足需要。要測(cè)試DSP 是否工作正常還必須檢測(cè)其 HRDY 端，只有 HRDY 端始終為1時(shí)才說(shuō)明 DSP運(yùn)行正常，若HRDY 端非1，單片機(jī)將持續(xù)向DSP發(fā)送復(fù)位信號(hào)，同時(shí)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(jì)的渦街流量計(jì)主要要任務(wù)是測(cè)量流量，因此鍵盤(pán)僅設(shè)計(jì)了F、→、↑三個(gè)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(huì)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(shí)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(biāo)閃爍為將從儀器參數(shù)默認(rèn)的最高位開(kāi)始向右移動(dòng)一位，當(dāng)光標(biāo)已處于參數(shù)末位時(shí)再次按下→鍵將改為數(shù)值小數(shù)點(diǎn)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(biāo)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(shí)鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)采用中斷的方式，充分利用 MSP430 單片機(jī)按下P1口的中斷功能，、其中 ，按鍵設(shè)計(jì)原理圖如圖312所示。圖311 控制電路結(jié)構(gòu)圖 (5) 流量計(jì)所測(cè)得的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量需要顯示電路外接LCD 顯示屏顯示。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)MSP430與顯示屏的連接[25] 。綜合各項(xiàng)性能指標(biāo)，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(jì)中顯示模塊的片選信號(hào)(CS)、數(shù)據(jù)信號(hào)(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(huì)產(chǎn)生功率損耗，每次數(shù)據(jù)傳輸傳送完成后，片選信號(hào)(CS)、數(shù)據(jù)(DATA) 和WR信號(hào)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(jī)和DSP訪問(wèn)。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(wèn)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(wèn)HPI 前由主機(jī)初始化。 圖 312 按鍵原理圖表3—1 LCM141管腳功能引腳符號(hào) 說(shuō)明輸入/輸出1/CS模塊片選信號(hào)，內(nèi)部上拉輸入2/WR模塊數(shù)據(jù)/指令寫(xiě)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(duì)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(jī)要訪問(wèn)的地址，因此只接受主機(jī)訪問(wèn)。HPIA 有自動(dòng)增值及數(shù)值保持不變兩種地址存儲(chǔ)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(xiě)入的數(shù)據(jù)或是從 DSP中讀出的數(shù)據(jù)，同時(shí)HPID只接受主機(jī)訪問(wèn)。 4) 內(nèi)部DMA總線，實(shí)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(jī)接口 圖 314 HPI接口圖314雙向數(shù)據(jù)總線HD0HD7與外部實(shí)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(lái)控制，HPI的讀、寫(xiě)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(jì)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(dá)到下降沿時(shí)鎖存；HBIL的高、低分別表示現(xiàn)在傳送的是第二個(gè)比特或第一個(gè)比特位；HPI16=0 時(shí)表示8位HPI 操作，本文應(yīng)用的是8位增強(qiáng)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(jì)的基礎(chǔ)上完成 DSP 的選型DSP 芯片各部分功能；完成單片機(jī)的選型及電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，并充分利用HPI 接口完成DSP 與單片機(jī)的通訊，提高工作效率。 93 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)主要有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)： (1) 系統(tǒng)主要由控制電路和信號(hào)處理電路兩大部分組成，分別以 MSP430F149單片機(jī)和 TMS320VC5416 數(shù)字信號(hào)處理器為核心； (2) 依靠HPI 口實(shí)現(xiàn)MSP430F149 單片機(jī)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(hào)處理電路屬于數(shù)字電路，模擬信號(hào)預(yù)處理電路屬于模擬電路。圖4