【文章內(nèi)容簡介】 4反相輸入端的信號電壓高于二極管的門坎電壓時，輸入信號能直接通過導(dǎo)通的二極管輸出；而當(dāng)輸入信號電壓低于二極管的門坎電壓時，二極管不導(dǎo)通，則信號經(jīng)反饋電阻被放大R18/R17 ≈50倍后再輸出。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。施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它其實是具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器，由于對輸入輸出信號具有遲滯作用，所以能夠有效地防止由噪聲產(chǎn)生地振蕩。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(zhuǎn)換電平和從高電平下降時的轉(zhuǎn)換電平不同；第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊緣變得很陡。利用這兩個特點，不僅可以將邊緣變化緩慢的信號波形整形為邊緣陡峭的矩形波，而且可以將疊加于矩形脈沖信號高、低電平上的噪聲有效地清除。 施密特觸發(fā)器和電壓比較器，運放A5 的正相輸入端通過反饋電阻R20和正相輸入電阻W2對輸出端電壓分壓，此分壓值即為觸發(fā)閾值。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。假設(shè)運放的飽和電壓值為Vcc，反饋電阻與正相輸入電阻相等，則閾值為Vcc/2，A5負(fù)相輸入端的限幅后的正弦信號與此閾值作比較，得到幅值為0～Vcc的方波輸出，此方波再與比較器A6 作比較得到最終的脈沖信號輸出。 單片機采集、控制與脈沖輸出電路設(shè)計單片機是本脈沖輸出型數(shù)字渦街流量計的控制核心，出于對單片機本身的控制功能、功耗以及開發(fā)工具的完善程度等多方面的考慮，課題最終選擇了美國TI公司的MSP430F149單片機。MSP430F149單片機的主要特點如下：①低電源電壓范圍：－。②超低功耗：@4kHz，；160μA@1MHz。③5種節(jié)電模式： μA；。④從等待方式喚醒時間：6μs。⑤16位RISC結(jié)構(gòu)，150ns指令周期。⑥基本時鐘模塊配置：高、低速晶體，內(nèi)部DCO。⑦12位200kbps的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持。⑧具有三個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A,Timer_B。⑨多達(dá)60KB FLASH ROM和2KBRAM。⑩安全熔絲的程序代碼保護(hù)。本數(shù)字渦街流量計信號處理系統(tǒng)充分利用了MSP430F149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(jìn)行采樣；利用MSP430F149豐富的I/O和中斷端口進(jìn)行液晶驅(qū)動、鍵盤管理、累計存儲和脈沖輸出等。下面分別介紹各部分電路。在包含了控制器的電路中，都有對應(yīng)的復(fù)位電路，這樣能使系統(tǒng)上電后很好的復(fù)位，使其處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。一般簡單的復(fù)位電路可以采用RC復(fù)位，但是很不穩(wěn)定，可靠性不高，尤其在高速和龐大的系統(tǒng)中根本不能采用。在MSP430系統(tǒng)中，采用專門的復(fù)位芯片來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這里采用SP708S，該芯片可提供可靠的復(fù)位。SP708S特性如下： ☆高精度低電壓監(jiān)控器； ☆復(fù)位脈沖寬度200ms； ☆最大電源電流40uA； ☆去抖TTL/CMOS手動復(fù)位輸入； ☆Vcc下降至1V時產(chǎn)生RESET信號； ☆RESET輸出：SP708S 支持高/低電平兩種方式； ☆WDI可以保持為浮空，以禁止看門狗功能； ☆內(nèi)置Vcc干擾抑止電路； ☆提供8引腳PDIP，NSOIC及uSOIC封裝； ☆電壓監(jiān)控器，可監(jiān)控供電失敗或電池電壓不足； ☆708S引腳兼容性增強以符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 復(fù)位電路課題設(shè)計的脈沖輸出型數(shù)字渦街流量計對渦街信號的采集是對方波信號的計頻。對方波信號的計頻通過MSP430F149具有中斷功能的I/O端口來實現(xiàn)。MSP430F149中，P1和P2這兩個8位端口都能用做輸入和輸出，同時具有中斷能力，每個信號都可作為一個中斷源。，采用下降沿中斷的方式計頻。FYD128640402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點陣的漢字. 。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。基本特性:低電源電壓（VDD:++）顯示分辨率:12864點內(nèi)置漢字字庫，提供8192個1616點陣漢字(簡繁體可選)內(nèi)置 128個168點陣字符2MHZ時鐘頻率顯示方式：STN、半透、正顯驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS視角方向：6點背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10通訊方式：串行、并口可選內(nèi)置DCDC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓無需片選信號，簡化軟件設(shè)計工作溫度: 0℃ +55℃ ,存儲溫度: 20℃ +60℃ 模塊接口說明見附錄一。驅(qū)動程序見附錄三。按鍵電路考慮到設(shè)計的儀表主要用來測量流量，所以鍵盤并不需要很多按鍵。設(shè)計了三個按鍵的鍵盤，即→、F、↑三個鍵，最多可完成8種任務(wù)。其中，各個鍵的功能為：（1）→鍵為數(shù)據(jù)的位切換功能鍵。在選擇好要置的儀表參數(shù)后，其最高位開始閃爍，此時按→鍵，閃爍位將右移一位，此時配合↑鍵調(diào)節(jié)該位大小。在閃爍位移至最后一位后，再按→鍵，則最高位重新開始閃爍，依次循環(huán)。（2）F鍵為選擇功能鍵。按下F鍵，系統(tǒng)將進(jìn)入置數(shù)狀態(tài)，每按F鍵一下儀表則在所有參數(shù)（例如：被測流體的密度、儀表K值等）間從頭到尾依次切換，至最末一個參數(shù)時再按F鍵則返回顯示瞬時流量。（3）↑鍵為數(shù)值調(diào)整功能鍵。按下↑鍵，就會使相應(yīng)的位的數(shù)加1，如果該位已為9，則再次按下↑鍵，其數(shù)值將返回0。課題采用中斷的方法來設(shè)計鍵盤，由于MSP430F149單片機的P1口具有中斷功能，、。本數(shù)字渦街流量計在計算得出渦街信號頻率之后，不僅可以通過液晶顯示出來，還可以通過硬件輸出來即脈沖輸出。根據(jù)MSP430F149單片機的特點，由于MSP430F149電源電壓定為＋，而三線制脈沖輸出的供電電壓范圍為0～12V，故增加了一片LM258雙運放芯片。LM258第一個運放為一電壓比較器，參考電壓由R23和R24兩電阻分壓決定為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。JTAG接口電路是單片機進(jìn)行實時調(diào)試的重要接口，通過連接仿真器，便于在現(xiàn)場對單片機進(jìn)行調(diào)試和及時的升級單片機程序，本文應(yīng)用了利爾達(dá)公司的仿真器進(jìn)行MSP430F149的編程和調(diào)試。電源模塊是儀表能夠正常運行的重要保證。12V電源采用3V鋰錳扣式電池(CR系列)。，又考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗特點，因此該硬件系統(tǒng)的電源先用LM7805穩(wěn)壓成5V給外圍電路供電。 為了使電源輸出的紋波較小和降低其對整個系統(tǒng)的干擾，在輸入端和輸出端連接兩個電容。（）濾除低頻和高頻干擾，在輸出端得到穩(wěn)定的直流工作電壓。第四章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計是針對硬件來進(jìn)行的，由于本系統(tǒng)硬件的主要特點是：；，并通過外圍電路實現(xiàn)了流量顯示、脈沖輸出以及按鍵設(shè)置等智能化處理；3. 數(shù)字電路（控制電路）和模擬電路（前置放大電路）共存。根據(jù)上述特點和模塊化設(shè)計的思想，設(shè)計了本數(shù)字渦街流量計信號處理系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。YNYN開始系統(tǒng)初始化模塊判斷系統(tǒng)是否有正常流量計算標(biāo)志按鍵參數(shù)設(shè)置模塊低功耗模式單片機對前置放大電路輸出的脈沖計頻模塊流量計算模塊累積流量存儲?？祜@示模塊脈沖輸出模塊判斷系統(tǒng)有無按鍵參數(shù)設(shè)置標(biāo)志 數(shù)字渦街系統(tǒng)信號處理流程圖 單片機的控制程序設(shè)計以MSP430F149單片機為核心的控制電路，完成了整個系統(tǒng)的所有控制功能，這些功能包括：鍵盤參數(shù)設(shè)置、脈沖計頻、A/D采樣、流量顯示、累計存儲及脈沖輸出等功能。程序設(shè)計中，充分利用MSP430F149的低功耗特點，在主程序中，對相應(yīng)的標(biāo)志位進(jìn)行判斷，由判斷得到的結(jié)果來決定程序的執(zhí)行情況，最后再返回低功耗模式。所有子程序模塊都設(shè)計為一個中斷服務(wù)程序，所有程序都是通過中斷喚醒來執(zhí)行，由中斷返回后進(jìn)入低功耗模式。YNY初始化子程序開 始有無正常流量計算標(biāo)志？有無鍵盤參數(shù)設(shè)置標(biāo)志？低功耗模式鍵盤參數(shù)設(shè)置模塊渦街流量計算模塊N 單片機主程序流程圖單片機主程序按照盡量簡短和模塊化的思想設(shè)計，主循環(huán)依據(jù)對系統(tǒng)標(biāo)志位的判斷分為兩大模塊：按鍵參數(shù)設(shè)置模塊和渦街流量計算模塊。其中，鍵盤參數(shù)設(shè)置模塊的設(shè)計應(yīng)用了單片機的中斷功能，程序設(shè)計包括去抖程序、判鍵子程序、查鍵子程序、端口中斷服務(wù)程序等。渦街流量計算模塊是本數(shù)字渦街流量計的關(guān)鍵部分，也是單片機程序設(shè)計的重點。渦街流量計算子程序入口脈沖計頻子程序流量計算子程序累計存儲子程序液晶顯示子程序脈沖輸出子程序渦街流量計算子程序結(jié)束 渦街流量計算子程序流程圖上節(jié)中闡述了本渦街流量計算模塊的程序設(shè)計思想，下面針對圖4－3具體介紹其軟件實現(xiàn)。1. 脈沖計頻子程序：，（設(shè)下降沿中斷），定時器定時1s，亦此時渦街流量信號的頻率。2．流量計算子程序：由渦街流量計的工作原理可知，在已知渦街頻率的基礎(chǔ)上，渦街流量僅與儀表系數(shù)有關(guān)。課題設(shè)計的渦街流量計，其儀表系數(shù)由實驗標(biāo)定得出。3．累計存儲子程序：課題中將累計脈沖量存儲于MSP430F149單片機的60KFLASH中沒有用到的代碼段。4．液晶顯示子程序：顯示電路采用的是FYD128640402B液晶顯示模塊，程序的編寫分為液晶初始化、寫命令操作和寫數(shù)據(jù)操作。5．脈沖輸出子程序：，定時時間間隔的倒數(shù)即輸出脈沖的頻率值。第五章 MSP430單片機介紹 MSP430概述TI公司MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應(yīng)用而由各種不同模塊組成。它們具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。靈活的時鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μs的時間內(nèi)被激活到正常的工作方式。MSP430系列單片機的16位定時器是應(yīng)用于工業(yè)控制如紋波計數(shù)器、數(shù)字化電機控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內(nèi)置的硬件乘法器大大加強了其功能并提供了軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理能力。MSP430單片機具有如下特點：①低電壓、超低功耗MSP430系列單片機，～ V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，工作電流（～400μA之間）因不同的工作模式而不同；具有16個可以任意嵌套的中斷源，使用靈活方便；將CPU置于省電模式時，用中斷方式可喚醒程序，其過度響應(yīng)時間小于6μs，編制出的源代碼程序?qū)崟r性較高。②強大的處理能力MSP430系列單片機為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在晶振頻率為8MHz驅(qū)動時，其指令周期為125μs。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。③系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可以用看門狗將其復(fù)位。④豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是以下一些外圍模塊的不同組合：看門狗(WDT)、定時器A(Timer—A)、定時器B(Timer—B)、比較器、串口0、1(USARTO、1)、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、10／12位ADC、48個I／O端口、基本定時器(Basic Timer)，可在線仿真的FLASH內(nèi)存，7路PWM輸出，以及內(nèi)嵌的LCD驅(qū)動等。本設(shè)計所選用的主控芯片MSP430F413就包含了：FLL+（頻率鎖相環(huán)）時鐘系統(tǒng)，看門狗，精密模擬比較器（Comparator），帶有3個捕獲／比較寄存器的16位定時器（Timer A），48個I/O通用引腳、并且端口PP2有中斷能力，LCD驅(qū)動器能直接驅(qū)動液晶多達(dá)96段等模塊。⑤高效的開發(fā)方式MSP430支持在線仿真和編程，所配編譯器功能強大。具有FLASH存儲器型的單片機，利用其本身具有JTAG接口，可以在一臺PC機及一個JTAG控制器的幫助下實現(xiàn)程序的下載，完成程序的在線調(diào)試，實時修改片內(nèi)寄存器和存儲器的內(nèi)容，對開發(fā)人員來說將大大提高程序的調(diào)試效率。MSP430系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為4O～+85℃，因此很適合作為便攜儀表和水、電、熱表的主控芯片。MSP430系列單片機由很多模塊組成。在MSP430系列單片機中,與其它的單片機最大的區(qū)別就是系統(tǒng)各個模塊完全是獨立運行的,定時器(Timer)、輸入/輸出口(I/O Port)、A/D轉(zhuǎn)換（以芯片型號的不同而有無）、看門狗(WDT)、液晶顯示器(LCD)等都可以在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。當(dāng)需要主CPU工作時任何一個模塊都可以通過中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)運行在最低功耗上。這一點是MSP430系列單片機最突出的優(yōu)點。此外由于MSP430系列單片機具有LCD驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換、模擬比較器、多路中斷和定時器、串行通信口,因而其用途極廣。 MSP430F149型單片機MSP430F149單片機管腳名稱及功能說明見附錄二。 CPUMSP430f149單片機是TI公司最近推出的超低功耗混合信號16位單片機系