【導(dǎo)讀】許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。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。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(yīng)用于渦街流量儀表當(dāng)中，采用雙MSP430單片機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計頻和FFT計算，并且實時進(jìn)行脈沖輸出及電流輸出。使其具有測量下限低，抗干擾能力強，實時數(shù)字信號處理等特點。渦街流量計是最年輕的一類流量計,但發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計。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。流量計的發(fā)展將向提高流量計的可靠性,提高流量計對介質(zhì)適應(yīng)性、對環(huán)境。同時隨著新的信號處理技術(shù)及新的信號傳輸技術(shù)的應(yīng)用,流量計將。向高度智能化方向發(fā)展。已研究的DSP與MSP430單片機相結(jié)合的數(shù)字渦街信號處理系統(tǒng)，在很大程度上。MSP430F149中，幅值為的正弦信號送入MSP430F1611中。進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時渦街信號的頻率。

　　

【正文】 片機的軟件中主要由脈沖計頻函數(shù)、頻率輸出函數(shù)和通訊函數(shù)三部分組成。 脈沖計頻函數(shù)利用 MSP430F149 單片機定時器 Timer_A 的捕獲功能，使其捕獲方波的上升沿，分別記錄兩次上升沿定時器 Timer_A 的寄存器 TACCR1 的值。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 。同時也采用了多次捕獲取平均值的方法使脈沖計頻更加準(zhǔn)確。 19 初 始 化 程 序低 功 耗 狀 態(tài) 等 待 接收 頻 率發(fā) 送 請 求 F F T 轉(zhuǎn) 換 指 令頻 率 輸 出 函 數(shù)發(fā) 送 頻 率 值接 受 同 意 D / A 轉(zhuǎn) 換 新 號發(fā) 送 請 求 D / A 轉(zhuǎn) 化 指 令脈 沖 計 頻 函 數(shù)頻 率 是 否 大于 臨 界 值 ？N oY e s 圖 17 MSP430F149 單片機的程序流程 頻率輸出函數(shù)利用 MSP430F149 單片機定時器 Timer_B 的輸出功能，設(shè)置 Timer_B 的晶振為 32768Hz 的低頻晶振，通過向 Timer_B 的寄存器 TBCCR0 相應(yīng)的值，從 MSP430F149單片機的端口輸出給定頻率值的方波。 通訊函數(shù)用于 MSP430F149 單片機與 MSP430F1611 單片機的數(shù)據(jù)傳輸。首先對通訊模塊進(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。通訊分為兩部分： ， MSP430F149 單片機接收 MSP430F1611 單片機的 FFT 頻率計算值。首先 MSP430F149 單片機向 MSP430F1611 單片機發(fā)送指令 0xAA，然后進(jìn)入低功耗等待狀態(tài)，當(dāng)接收中斷發(fā)生時，讀取 FFT 頻率計算值，最后調(diào)用輸出函數(shù)進(jìn)行輸出。 單片機將脈沖計數(shù)測得的頻率值發(fā)送給 MSP430F1611 單片機，使MSP430F1611 單片機將頻率值轉(zhuǎn)換為電壓值。首先發(fā)送指令 0xBB 給 MSP430F1611 單片機，接收到 MSP430F149 單片機的回應(yīng)指令 0xFB 后，發(fā)送頻率值給 MSP430F1611 單片機 [10]。 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(jìn)行初始化，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)接收到 FFT 轉(zhuǎn)換指令 0xAA 的時候，進(jìn)入 A/D 采樣程序，采樣完成后進(jìn)行 FFT 計算。將轉(zhuǎn)換完成后的 FFT轉(zhuǎn)換值進(jìn)行功率譜計算，找出功率譜最大值對應(yīng)的點數(shù)從而求出頻率值，最后將頻率值校正后發(fā)送給 MSP430F149 單片機同時進(jìn)行 D/A 輸出。 20 初 始 化 程 序接 收 到 請 求 D / A 轉(zhuǎn) 換 指 令接 受 到 請 求 F F T 轉(zhuǎn) 換 指 令低 功 耗 狀 態(tài)A / D 采 樣F F T 計 算 函 數(shù)頻 率 校 正計 算 頻 率功 率 譜 計 算將 頻 率 值 發(fā) 送 給M P S 4 3 0 F 1 4 9D / A 輸 出發(fā) 送 同 意 D / A 轉(zhuǎn) 換 信 號接 受 頻 率 值計 算 并 核 對 校 驗 位將 4 個 字 節(jié) 合 并 為 頻 率 值 圖 18 MPS430F1611 單片機的程序流程 由圖 18 可以看出， MSP430F1611 單片機的軟件中主要由 A/D 采樣函數(shù)、 FFT 計算函數(shù)、功率譜計算函數(shù)、頻率校正函數(shù)、通訊函數(shù)和 D/A 輸出函數(shù)六部分組成。 A/D 采樣函數(shù)首先對 A/D 模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置 A/D 模塊的采樣方式為單通道多次而且采樣信號由定時器 Timer_A 觸發(fā)。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。本課題設(shè)置的 Timer_A 的觸發(fā)頻率為 1000Hz，所以 A/D 采樣頻率為 1000Hz。利用每次的采樣中斷函數(shù)將 A/D 采樣值存入變量中，采樣點達(dá)到 1024 個點后，則停止 A/D采樣程序從而完成 1024 點的 A/D 采樣過程。 FFT 計算函數(shù)是根據(jù)之前所述的 FFT 算法編寫成的，這里就不再贅述了。由于整個 FFT的計算需要比較大的內(nèi)存空間，因此計算時需要較長時間。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。同時又考慮到整個儀表的功耗，因此在結(jié)束 FFT 計算后程序仍然恢復(fù)到 32768Hz 晶振。 功率譜計算函數(shù)也是根據(jù)前面 所述的功率譜計算方法編寫的。具體做法是將剛才 FFT計算所得的 1024 個復(fù)數(shù)值逐一計算模值，然后找出模值最大的所對應(yīng)的點數(shù) Km值。可是這樣計算出的 Km 值是個整數(shù)值，這肯定會影響精確度。由單頻實正弦信號的快速插值頻 21 率估計法可知，實際的 K值往往與 Km 不同，即實際的 K值是 Km 附近的小數(shù)值。因此，為了準(zhǔn)確的計算頻率必須進(jìn)行校正。 頻率校正函數(shù)就是為了得到準(zhǔn)確的帶有小數(shù)位的 K 值而設(shè)計的。設(shè) Km 左邊的 K 值為K1， Km 右邊的 K值為 K+1， Km對應(yīng)的模值為 Y， K1對應(yīng)的模值為 Y1， K+1對應(yīng)的模值為 Y+1。具體計算如下 ： 011 ???? ??YY YK （ Y1≤ Y+1） (12) 011 ????? ??YY YK (Y1Y+1) (13) 因此，實際 K＝ Km+Δ K,校正后的頻率 f=Kfs/N,其中 fs 為采樣頻率； N為采樣點數(shù) (本課題選取 N＝ 1024)[9][10]。 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， D/A 輸出函數(shù)是非常關(guān)鍵的函數(shù)。首先設(shè)定參考電壓為 ，然后需要向 D/A 模塊中寄存器 DAC12_0DAT中寫入相應(yīng)的值（ 0～ 4095），則 MSP430F1611 單片機即可自動從 D/A 端口中輸出 0～ 之間的電壓值，最后通過 AM402 轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 電流輸出。儀表若想要輸出正確的電流值，必須預(yù)先定義好 20mA 所對應(yīng)的最大頻率值，即流量上限所對應(yīng)的頻率值。例如，在 DN25和 DN50 管道值流量上限分別為 16m3/h和 40m3/h,所對 應(yīng)的頻率分別為 350Hz 和 100Hz，那么就規(guī)定此時的電流輸出為 20mA，如果頻率再增大儀表也只是輸出 20mA，如果頻率減小則按比例輸出電流 [13]。 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。如圖 1 18，兩個單片機的通訊、脈沖計頻、 A/D 采樣等等都是通過中斷進(jìn)入的，在中斷響應(yīng)程序里設(shè)置標(biāo)志位，之后再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序中去。 (2)低功耗模式的加入。例如，單片機的主程序中，在無任何中斷產(chǎn)生的等待狀態(tài)中，單片機是處于 低功耗模式 LPM3，即 CPU 和系統(tǒng)主時鐘均關(guān)閉，只留片上外圍模塊的時鐘ACLK 工作。當(dāng)有定時中斷或外部中斷產(chǎn)生時，單片機立即從 LPM3 喚醒，進(jìn)入到相應(yīng)的中斷入口程序中去。同理，在單片機等待定時中斷進(jìn)行 A/D 采樣過程中，也使單片機進(jìn)入 LPM3來降低系統(tǒng)功耗。 (3)盡量關(guān)閉單片機中未用到或暫時不用的模塊。例如單片機程序中采用定時方式進(jìn) 22 行 A/D 采樣，共采 1024 點，每采完一點后應(yīng)立即關(guān)閉 A/D 采樣模塊，直至下一次定時時間到，再重新開啟進(jìn)行采樣。 5 總結(jié)與展望 本文提出了將數(shù)字信號處理方法中的快速傅立葉變換 (FFT）方法運用到雙 MSP430 單片機結(jié)構(gòu)的數(shù)字渦街流量計中。對實際渦街信號進(jìn)行實時處理，得到了很好的測量效果，有效地抑制了低流速下的噪聲干擾，精確的將渦街信號提取出來，降低了渦街測量下限可準(zhǔn)確測量頻率為 3Hz的渦街信號，擴大了渦街測量的量程。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(yuǎn)傳功能。這對于渦街流量計拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的實際意義。 根據(jù)本課題設(shè)計的系統(tǒng)在實驗室中遇到的問題及國內(nèi)外數(shù)字渦街流量計的發(fā)展現(xiàn)狀，作者對今后的研究工作提出以下建議： 電路 前置模擬處理電路是渦街信號處理的關(guān)鍵部分，它對于渦街信號的放大、濾波起到了很大的作用。因此，在前置模擬處理電路設(shè)計過程中，尋求新的電子器件從而進(jìn)一步優(yōu)化電路板結(jié)構(gòu)提高抗干擾能力。對不同頻率的信號采用不同的放大倍數(shù)。 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(jìn)行處理，這樣會對計算精度有明顯的提高。同時，還須盡可能保證運算速度。 由于本課題設(shè)計的程序在計算 FFT 時，需要運用 8Mz 高頻晶振，因此在計算過程中難免會增加功耗。為了使儀表便于攜帶，希望今后的研究人員可以將功耗盡量降低至 1mA 以下，從而實現(xiàn)電池供電 (儀表的功耗為 1mA，一節(jié)干電池可以使用一年 )。 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信號處理系統(tǒng) [M].儀器儀表學(xué)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 24 謝 辭 本論文是在導(dǎo)師崔玉玲老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題、研究方法和技術(shù)路線的確定，直到論文的定稿，無不凝聚著老師的心血。崔老師 淵博的學(xué)識，嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度，給我留下了深刻的印象；尤其是崔老師極具創(chuàng)新性的分析解決問題的方法讓我受益匪淺，不論對今后的學(xué)習(xí)