雙MSP430單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)

1、 . . . 雙雙 MSP430MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)2008年 12 月 20 日題目雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)指導(dǎo)教師馬老師職稱講師主要研究方向單片機(jī)原理理論選題的主要目的和意義：渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。而在低流速下，渦街測(cè)量就凸顯出了它的不足，渦街信號(hào)的信噪比很低，有用信號(hào)幾乎被噪聲淹沒。普通的渦街流量計(jì)采用模擬信號(hào)處理方法，在正常流量圍，渦街流量信號(hào)穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好；鑒于上述模擬渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以與存在的不足，課題的目的是數(shù)字信號(hào)處理方法 FF

2、T 應(yīng)用于渦街流量?jī)x表當(dāng)中，采用雙 MSP430 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT 計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖輸出與電流輸出。使其具有測(cè)量下限低，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)。國(guó)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)：渦街流量計(jì)是最年輕的一類流量計(jì),但發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計(jì)。但是渦街流量計(jì)主要存在著兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一，易受噪聲干擾。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。流量計(jì)伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能,而技術(shù)的進(jìn)步也讓流量計(jì)的完善成為可能。流量計(jì)的發(fā)展將向提高流量計(jì)的可靠性,提高流量計(jì)對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等方面發(fā)展。同時(shí)隨著新的信號(hào)處理技術(shù)與新的信號(hào)傳輸技術(shù)的應(yīng)用,流量計(jì)將向

3、高度智能化方向發(fā)展。注：本表由擬擔(dān)任畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)任務(wù)的教師填寫。教學(xué)單位存檔。2008 年 12 月 16 日 . . . 1 / 35渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。而在低流速下，渦街測(cè)量就凸顯出了它的不足，渦街信號(hào)的信噪比很低，有用信號(hào)幾乎被噪聲淹沒。普通的渦街流量計(jì)采用模擬信號(hào)處理方法，在正常流量圍，渦街流量信號(hào)穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好；而在小流量下，渦街有用信號(hào)微弱、提取困難，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量下限比較高。 鑒于上述模擬渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以與存在的不足，課題的目的是數(shù)字信號(hào)處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量?jī)x表當(dāng)中，

4、采用雙 MSP430 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT 計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖輸出與電流輸出。使其具有測(cè)量下限低，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)。二、本選題在國(guó)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)渦街流量計(jì)是最年輕的一類流量計(jì),但發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計(jì)。但是渦街流量計(jì)主要存在著兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一，易受噪聲干擾。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，使得復(fù)雜的信號(hào)處理算法得以在硬件上實(shí)現(xiàn)。已研究的 DSP 與 MSP430 單片機(jī)相結(jié)合的數(shù)字渦街信號(hào)處理系統(tǒng)，在很大程度上降低了流量測(cè)量下限以與提高了抗干擾能力。流量計(jì)伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其

5、性能,而技術(shù)的進(jìn)步也讓流量計(jì)的完善成為可能。流量計(jì)的發(fā)展將向提高流量計(jì)的可靠性,提高流量計(jì)對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等方面發(fā)展。同時(shí)隨著新的信號(hào)處理技術(shù)與新的信號(hào)傳輸技術(shù)的應(yīng)用,流量計(jì)將向高度智能化方向發(fā)展。三、課題設(shè)計(jì)方案 主要說(shuō)明：研究（設(shè)計(jì)）的基本容、觀點(diǎn)與擬采取的研究途徑和方法。 . . . 2 / 35從抗干擾和降低功耗兩個(gè)角度考慮，本課題設(shè)計(jì)了數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件電路，采用了以 MSP430F149 單片機(jī)和 MSP430F1611 單片機(jī)為核心的雙 CPU 硬件結(jié)構(gòu)。本課題設(shè)計(jì)的雙 MSP430 單片機(jī)數(shù)字渦街流量計(jì)采用了普通模擬渦街流量計(jì)的前置放大電路；上述的前置處理電路產(chǎn)生

6、的兩種信號(hào)分別送到兩個(gè)單片機(jī)中，其中幅值為 3.3V 的脈沖信號(hào)送入MSP430F149 中，幅值為 3.3V 的正弦信號(hào)送入 MSP430F1611 中。當(dāng)流量處于正常流速狀態(tài)時(shí)，由 MSP430F149 利用其 I/O 端口的外部中斷功能，對(duì)前置放大電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)頻，從而得出當(dāng)前頻率值；當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時(shí)，對(duì)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(hào)進(jìn)行 A/D 采樣，再利用 MSP430F1611 對(duì) A/D 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號(hào)的頻率。最后，在整個(gè)流量圍，將得出的頻率值以脈沖輸出的方式從 MSP430F149 的端口輸出同時(shí)以模擬電壓值

7、的形式從MSP430F1611 的端口輸出然后通過(guò) AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 420mA 電流輸出。目目 錄錄摘要 11 引言 11.1 渦街流量計(jì)概述 11.2 渦街流量計(jì)的主要問(wèn)題 11.3 課題研究目的與意義 22 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的總體方案設(shè)計(jì) 22.1 渦街流量計(jì)的工作原理 22.2 渦街信號(hào)的組成 42.3 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案 52.4 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的 FFT 頻率計(jì)算方法 73 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì) 93.1 整體硬件電路設(shè)計(jì)方案 93.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)

8、93.3 單片機(jī)計(jì)算與輸出電路的設(shè)計(jì) 163.4 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 19 . . . 3 / 353.5 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件低功耗設(shè)計(jì) 194 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì) 204.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案 204.2 MSP430F149 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 204.3 MSP430F1611 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 214.4 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件低功耗設(shè)計(jì) 235 總結(jié)與展望 24參考文獻(xiàn)：25辭 26 . . . 1 / 35雙雙 MSP430MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)摘 要：鑒于

9、現(xiàn)有渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以與存在的不足，本課題研究并且實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)字渦街流量計(jì)。該數(shù)字渦街流量計(jì)采用了雙 MSP430 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，在低流速小流量的情況下，由MSP430F1611 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻譜分析算法來(lái)計(jì)算渦街信號(hào)頻率，有效地克服了模擬渦街在小流量下測(cè)量精度不高甚至不能測(cè)量的問(wèn)題，以與具有常規(guī)模擬渦街在高信噪比的情況下測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：渦街流量計(jì)、脈沖輸出、電流輸出、MSP430、流量下限1 引言1.1 渦街流量計(jì)概述渦街流量計(jì)屬旋渦流量計(jì)類型，它是利用流體振蕩的原理進(jìn)行流量測(cè)量。當(dāng)流體流過(guò)非流線型阻擋體時(shí)會(huì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，

10、測(cè)得頻率的變化，就可以得知流體的流量。渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體） 、檢測(cè)元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、DA 轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。渦街流量計(jì)有其自身的使用特點(diǎn)。它的輸出為脈沖頻率，其頻率與被測(cè)流體的實(shí)際體積流量成正比，它不受流體密度、壓力、溫度的影響；壓力損失較小，測(cè)量圍較大；在一定的雷諾數(shù)圍，輸出信號(hào)頻率不受流體物性和組分變化的影響，儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體形狀和尺寸有關(guān)，為旋渦發(fā)生體的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。渦街流量計(jì)也存在著一定的局限性。不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量，一般要求雷諾數(shù) Re 不低于2104，故在高粘度

11、、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制；需要根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長(zhǎng)的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器） ；不適用于周圍環(huán)境有嚴(yán)重干擾與管道產(chǎn)生振動(dòng)的場(chǎng)所。1.2 渦街流量計(jì)的主要問(wèn)題渦街流量計(jì)主要存在著兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一，易受噪聲干擾。渦街流量計(jì)本質(zhì)上是流體振動(dòng)型流量計(jì)，因此它對(duì)外界振動(dòng)、流體的流動(dòng)狀態(tài)特別敏感，如管道振動(dòng)、管道流體的沖擊力以與由于流體壓力的變化、產(chǎn)生的隨機(jī)脈動(dòng)壓力等，現(xiàn)場(chǎng)的干擾對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生很大的影響。流場(chǎng)的穩(wěn)定性、均勻性不僅對(duì)卡門渦街的形成和分離有影響，而且對(duì)各種敏感元件的檢測(cè)效果也有直接影響。附加的旋渦干擾了渦街信號(hào)，降低了信噪比。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。

12、因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，初始信號(hào)非常微弱，易受流體沖擊振動(dòng)噪聲和管道振動(dòng)噪聲的影響，存在一個(gè)量程下限死區(qū)，從而造成量程比受限，小流量不能測(cè)量。 . . . 0 / 35基于上述問(wèn)題，使得渦街流量計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用中，實(shí)際量程與理論值相差甚遠(yuǎn)（實(shí)際量程比只能達(dá)到 10：1，而理論值可到達(dá) 100：1） 。其實(shí)質(zhì)性原因在于低流速下測(cè)量的困難，所以擴(kuò)大量程比的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為了擴(kuò)大渦街流量計(jì)測(cè)量下限的問(wèn)題了，也成為渦街流量計(jì)研究的十分重要的研究課題之一。1.3 課題研究目的與意義根據(jù)目前渦街流量計(jì)的研究現(xiàn)狀，課題的目的是將數(shù)字信號(hào)處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量?jī)x表當(dāng)中，采用雙 MSP430 單片

13、機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT 計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖輸出與電流輸出。使其具有測(cè)量下限低，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)。本課題研究并且實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)字渦街流量計(jì)。該數(shù)字渦街流量計(jì)采用了雙 MSP430 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，在低流速小流量的情況下，由 MSP430F1611 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻譜分析算法來(lái)計(jì)算渦街信號(hào)頻率，有效地克服了模擬渦街在小流量下測(cè)量精度不高甚至不能測(cè)量的問(wèn)題；在正常流量圍，由 MSP430F149 單片機(jī)對(duì)渦街信號(hào)前置放大電路輸出的方波進(jìn)行計(jì)頻，具有常規(guī)模擬渦街在高信噪比的情況下測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。2 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 渦

14、街流量計(jì)的工作原理本文先從渦街流量計(jì)的產(chǎn)生、渦街現(xiàn)象解釋以與渦街信號(hào)的測(cè)量三個(gè)方面來(lái)闡述渦街信號(hào)檢測(cè)的基本工作原理。2.1.1 渦街的產(chǎn)生與渦街現(xiàn)象渦街流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)中的著名的“卡門渦街”原理。在流動(dòng)的流體中放置一根與流向垂直的非流線性柱形體（如三角柱，圓柱等） ，稱之為漩渦發(fā)生體。隨著流體沿漩渦發(fā)生體流動(dòng)的速度逐漸加快，雷諾數(shù) Re 逐漸增大，當(dāng) Re 達(dá)到40 左右時(shí)，由于漩渦發(fā)生體后半部分附面層中的流體團(tuán)受到更大的阻滯，就會(huì)在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反、平行參差排列的渦列，這就是所謂的“卡門渦街”12。其中雷諾數(shù) Re 的定義為： （1）vLRe式中 工作

15、狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)粘度； . . . 1 / 35來(lái)流的平均流速；L為流束的定型尺寸。由流體力學(xué)理論可知，雷諾數(shù)的大小反映了流體的流動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)外部條件幾何相似時(shí)（幾何相似的流動(dòng)環(huán)境、流體繞過(guò)幾何相似的物體） ，若雷諾數(shù)一樣，流體的流動(dòng)狀態(tài)幾何相似，即流體具有相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和流速分布。值得注意的是，并非在任何條件下產(chǎn)生的渦街都是穩(wěn)定的，由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。只有形成相互交替的旋的兩排漩渦，且當(dāng)兩漩渦列之間的距離和同列的兩漩渦之間距離之比 滿足hl0.281（0.28005） （2）lh時(shí)，所產(chǎn)生的渦街才是穩(wěn)定的。2.1.2 渦街信號(hào)的測(cè)量大量實(shí)驗(yàn)證明：在二維流動(dòng)狀

16、態(tài)下（阻流體具有規(guī)則截面，且可視為無(wú)限長(zhǎng)） ，當(dāng)滿足渦街穩(wěn)定的條件時(shí)，渦街的單側(cè)旋渦脫落頻率（簡(jiǎn)稱渦街頻率）f 與阻流體兩側(cè)的平均流速 v 之間具有以下關(guān)系：(3)dvStf 其中為 d 阻流體迎流面的最大寬度；St 為斯特羅哈爾數(shù)，它是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)；當(dāng)發(fā)生體的幾何形狀確定時(shí)，在一定的雷諾數(shù)圍（一般在 31022105） ，斯特羅哈爾數(shù)是一個(gè)常數(shù)，對(duì)于三角柱形漩渦發(fā)生體，St0.16，對(duì)于圓柱體形漩渦發(fā)生體，St0.20。由式（3）可知，渦街頻率與來(lái)流的平均流速成正比，那么根據(jù)流動(dòng)的連續(xù)性理論易知：渦街頻率與來(lái)流的體積流量成正比關(guān)系；且其比例系數(shù)在很寬的流量圍為定值。這一原理被用來(lái)研制渦街流

17、量計(jì)，測(cè)量封閉管道流體的流量。流量計(jì)的檢測(cè)元件用各種方法檢測(cè)渦街頻率，以得到被測(cè)流體的體積流量：(4)KfStndfSSvQv其中 v 為漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速（m/s） ；S 為管道截面積；m 為旋渦發(fā)生體兩側(cè)流通面積與管道截面積之比，d 為漩渦發(fā)生體特征尺寸，K 為儀表的儀表系數(shù)。由式（4）可看出，只要給定渦街流量傳感器，其管道截面積 S、漩渦發(fā)生體特征尺寸 d 與斯特羅哈爾數(shù)是可知的，因此儀表系數(shù)也是確定的，只要準(zhǔn)確測(cè)得漩渦的分離頻率，就可以準(zhǔn)確的得知被測(cè)流體的速度，從而到達(dá)測(cè)量管道流量的目的3。因此，應(yīng)用渦街流量計(jì)測(cè)量的特點(diǎn)就是：體積流量 Qv 只與渦街頻率與管道和發(fā)生體的幾何形狀有關(guān)

18、，與流動(dòng)介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。這決定了渦街流量計(jì)的下列優(yōu)點(diǎn)：（1）渦街 . . . 2 / 35流量計(jì)具有線性的儀表系數(shù)，而儀表系數(shù)的取值僅由管道口徑、發(fā)生體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定；（2）同一臺(tái)渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)是一定的，那么就可以用最方便、廉價(jià)的介質(zhì)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。由式（1）可知，隨著流速的下降，雷諾數(shù) Re 也會(huì)減小，當(dāng) Re 減小到3102以下時(shí)斯特羅哈爾數(shù)就不再恒定。此時(shí)，Qv 與 f 不再是線性比例關(guān)系，即式（4）不能成立。因此，渦街流量計(jì)實(shí)際測(cè)量的量程下限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論值。不難看出，擴(kuò)展渦街流量計(jì)量程的下限是一個(gè)重要的研究課題。2.2 渦街信號(hào)的組成組成渦街的信號(hào)既有有用信號(hào)也有噪聲或者叫干擾信

19、號(hào)。從渦街傳感器引出的電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器和濾波器的簡(jiǎn)單處理后，形成了幅值在幾伏左右的電壓信號(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)是雜亂的、不規(guī)則的，其中包括體現(xiàn)渦街頻率的信號(hào)成分即有用信號(hào)，也包括各種噪聲。其中噪聲可分為三部分：電磁干擾、流場(chǎng)干擾和管道振動(dòng)干擾。那么渦街信號(hào)可以表示為： （5）)()()()()(321tntntntsty式中 體現(xiàn)渦街頻率的信號(hào)，稱為有用信號(hào)；)(ts電磁干擾信號(hào)；)(1tn流場(chǎng)干擾信號(hào)；)(2tn管道振動(dòng)干擾信號(hào)。)(3tn我們的最終目的就是要精確的從這個(gè)復(fù)雜的渦街信號(hào)里提取出有用信號(hào)，那么，我們必須先了解噪聲信號(hào)，才能有效的去除噪聲4。下面從三點(diǎn)加以介紹：1.電磁干擾信號(hào)由于

20、在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電力線與電力設(shè)備密集，大量的電磁干擾就會(huì)影響到渦街流量計(jì)信號(hào)處理電路，這種干擾主要分為三類：高頻電磁輻射干擾、交直流電源干擾和低頻電磁干擾。其中高頻電磁輻射干擾主要是通過(guò)空間電磁場(chǎng)作用到信號(hào)處理電路的；交直流電源干擾來(lái)自于電源間的相互影響；低頻電磁干擾是對(duì)渦街流量計(jì)的最主要的電磁干擾，低頻電磁干擾的來(lái)源非常復(fù)雜，它與渦街安裝位置、安裝方式、接地方式、接地位置、屏蔽情況與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(chǎng)；壓電敏感元件的接地點(diǎn)（表殼）與處理電路的接地點(diǎn)如果存在跨步電流，就會(huì)在地線兩端產(chǎn)生 50Hz 的跨步電壓干擾；當(dāng)電

21、源干擾存在，而處 . . . 3 / 35理電路的共模抑制比較低時(shí)，就會(huì)在電路中引入 50Hz 的電源共模干擾。這種低頻干擾在渦街頻帶之，所以消除低頻電磁干擾是渦街現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題。2.流場(chǎng)干擾信號(hào)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管道的干擾對(duì)漩渦發(fā)生體附近的流場(chǎng)分部有很大的影響。由于管道上下游存在著各種阻力件如閥門、彎頭、T 形管、擴(kuò)管和收縮管等，這些器件對(duì)管道的影響有兩個(gè)方面：（1）影響管道的壓力分部，導(dǎo)致管道的壓力分布不均勻，從而導(dǎo)致管道流速分部不均勻；（2）會(huì)產(chǎn)生流體擾動(dòng)和雜亂的漩渦流。這種干擾會(huì)使渦街信號(hào)的信噪比降低，并且破壞管道流場(chǎng)的均勻性和對(duì)稱性。3.管道振動(dòng)干擾信號(hào)圖 1 受擾的渦街信號(hào)圖管道一般

22、與風(fēng)機(jī)、水泵或壓縮機(jī)等裝置相連接，風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)、人為撞擊管道以與局部阻力件產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲有時(shí)十分強(qiáng)烈，會(huì)疊加到渦街信號(hào)中，對(duì)于有用信號(hào)的提取帶來(lái)了很大的困難。理想的渦街信號(hào)經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應(yīng)該是一個(gè)規(guī)則的正弦波信號(hào)，但是，在工況下低流速的渦街信號(hào)則基本被噪聲淹沒，如圖 1 所示的實(shí)際工況下采集的受擾的渦街信號(hào)波形圖。2.3 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案大部分的脈沖輸出型渦街流量計(jì)都是基于電荷放大電路、濾波電路、整形電路和脈沖輸出電路組成的一套模擬電路的模擬渦街流量計(jì)。實(shí)踐證明，在高信噪比的情況下，這種模擬渦街流量計(jì)處理渦街頻率信號(hào)的效果是很好的

23、。但是，當(dāng)在低流速下測(cè)量時(shí)，由于有用信號(hào)波形的峰值大致與流速的平方成正比，信號(hào)幅值較小，信噪比較低，經(jīng)常性的噪聲（如流動(dòng)噪聲）的幅值則相對(duì)增強(qiáng)，以至于淹沒有用信號(hào)，造成整形時(shí)的誤觸 . . . 4 / 35發(fā)。由于上述情況主要出現(xiàn)在測(cè)量的低量程段，從而導(dǎo)致了量程比的縮小，普通的模擬渦街流量計(jì)的實(shí)際量程只有 1：10。鑒于上述模擬渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以與存在的不足，本課題提出了一種新型脈沖電流輸出型數(shù)字渦街流量計(jì)的方案設(shè)計(jì)。該方案既保留了原有模擬渦街流量計(jì)在正常流量圍高信噪比情況下測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢(shì)；又采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，有效地克服了小流量下測(cè)量精度不高甚至不能測(cè)量的問(wèn)題。本課題設(shè)計(jì)

24、的雙 MSP430 單片機(jī)數(shù)字渦街流量計(jì)采用了普通模擬渦街流量計(jì)的前置放大電路，包括電荷放大器、低通濾波器、限幅器和施密特觸發(fā)器；上述的前置處理電路產(chǎn)生的兩種信號(hào)分別送到兩個(gè)單片機(jī)中，其中幅值為 3.3V 的脈沖信號(hào)送入 MSP430F149中，幅值為 3.3V 的正弦信號(hào)送入 MSP430F1611 中。當(dāng)流量處于正常流速狀態(tài)時(shí)，由MSP430F149 利用其 I/O 端口的外部中斷功能，對(duì)前置放大電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)頻，從而得出當(dāng)前頻率值；當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時(shí)，對(duì)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(hào)進(jìn)行 A/D 采樣，再利用 MSP430F1611 對(duì) A/D 采樣

25、的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號(hào)的頻率。最后，在整個(gè)流量圍，將得出的頻率值以脈沖輸出的方式從 MSP430F149 的端口輸出同時(shí)以模擬電壓值的形式從 MSP430F1611 的端口輸出然后通過(guò) AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 420mA 電流輸出。圖 2 雙 MSP430 單片機(jī)的設(shè)計(jì)示意圖壓電式渦街傳感器電荷放大器低通濾波器限幅器施密特觸發(fā)器脈沖計(jì)頻單片機(jī)脈沖輸出FFT 轉(zhuǎn)換單片機(jī)三線制輸出接口兩線制輸出接口電荷信號(hào)電壓值電流值電業(yè)轉(zhuǎn)換電流輸出 . . . 5 / 35此方案與傳統(tǒng)模擬渦街流量計(jì)的信號(hào)處理方法基本類似，具有在正常流量圍高信噪比情況下計(jì)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)；但是，在小流量低

26、信噪比的情況下，渦街信號(hào)受干擾嚴(yán)重，易造成整形時(shí)的誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致單片機(jī)計(jì)頻不準(zhǔn)甚至無(wú)法測(cè)量。此時(shí)，數(shù)字渦街流量計(jì)會(huì)自動(dòng)切換到 FFT 頻率計(jì)算方式，即在低流速小流量的情況下，模擬電路輸出的代表渦街頻率的方波信號(hào)非常不穩(wěn)、跳變的圍很大時(shí)，MSP430F1611 單片機(jī)首先利用其 A/D 采樣端口采集經(jīng)電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號(hào)，然后進(jìn)行 FFT 運(yùn)算和功率譜分析從而得出此時(shí)的渦街信號(hào)頻率值，然后 MSP430F1611 把頻率值轉(zhuǎn)化為電壓值，又將電壓值經(jīng)過(guò) AM402 轉(zhuǎn)換為 420mA 電流輸出。與此同時(shí)，通過(guò)通訊的方式將頻率值發(fā)送給 MSP430F149 單片機(jī)，最后通過(guò) MSP4

27、30F149 單片機(jī)進(jìn)行脈沖輸出。此方案把數(shù)字信號(hào)處理的方法應(yīng)用到實(shí)際中，很好的解決了傳統(tǒng)模擬方法很難解決的低信噪比信號(hào)處理問(wèn)題，即可有效地降低渦街信號(hào)的測(cè)量下限5。2.4 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的 FFT 頻率計(jì)算方法2.4.1 FFT 算法簡(jiǎn)介FFT 是 DFT 的快速計(jì)算方法，DFT 是連續(xù)傅里葉變換的離散形式，離散信號(hào) x(nT)的傅里葉變換可以表示為： （6）1,.2 , 1 , 0,)()(10NkWnxkXNnnkN式中，成為蝶形因子。上式實(shí)際上就是 N 點(diǎn)的 DFT，可以看出，計(jì)算NjNeW/2所有的 X(k)需要 N2 次乘法和 N2 次加法，運(yùn)算量很大。

28、DFT 的快速算法即 FFT，利用了蝶形因子在的對(duì)稱性和周期性，從而加快運(yùn)算速度6。2.4.2 功率譜估計(jì)概念與頻率計(jì)算經(jīng)典譜估計(jì)中的直接法又稱周期圖法，周期圖這一概念是由 Schuster 于 1899 年首先提出的，因?yàn)樗侵苯佑筛道锶~變換得到的，所以習(xí)慣上稱之為直接法，它是把隨機(jī)信號(hào) x(n)的 N 個(gè)觀察數(shù)據(jù) xN(n)視為一能量有限信號(hào)，直接取 xN(n)的傅里葉變換，得XN()，然后再取其幅值的平方，并除以 N，作為對(duì) x(n)真實(shí)的功率譜 P()的估計(jì)。以表示用周期圖法估計(jì)出的功率譜，則)(wPN （7）2)(1)(wXNwPNN . . . 6 / 35其中： （8）10)()

29、(NnjwNNenxwX是實(shí)平穩(wěn)隨機(jī)序列的傅立葉變換。)(nxN自 1965 年 FFT 出現(xiàn)后，周期圖法就成為了譜估計(jì)中的一個(gè)常用的方法，XN()可以借助 FFT 實(shí)現(xiàn)，所以也可方便地求出，這樣不僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且具有很高的計(jì)算效率和計(jì)算精度。本課題設(shè)計(jì)的 FFT 計(jì)算程序首先依據(jù)快速傅立葉變換原理進(jìn)行 1024 點(diǎn) FFT 計(jì)算，然后將計(jì)算得到的再進(jìn)行功率譜計(jì)算，在 1024 個(gè)功率譜中找出最大的一個(gè)，)(wxN)(wPN即功率譜的峰值。設(shè)第 K(K=1，2，1024)個(gè)功率譜為最大值,那么實(shí)際渦街的真實(shí)頻率為: （9）NKffS/其中：fs采樣頻率；N采樣點(diǎn)數(shù)(本課題選取 N1024)。通

30、過(guò)這樣的方法就可以計(jì)算出渦街在低流速下的頻率值了。不難發(fā)現(xiàn)，在式（9）中fs/N 正是頻率值的分辨率。如果要想更加準(zhǔn)確地計(jì)算出頻率值 f 就必須提高分辨率fs/N，那么方法有兩種：一種是降低采樣頻率，另一種是增加采樣點(diǎn)數(shù)。但是，采樣頻率的降低是有限度的，要滿足 Shannon 采樣定理。采樣點(diǎn)數(shù)增加會(huì)增大 MSP430 單片機(jī)的計(jì)算量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，勢(shì)必會(huì)影響 MSP430 單片機(jī)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性和功耗的增加。鑒于上述情況，課題引入了一種實(shí)正弦信號(hào)的快速插值頻率估計(jì)方法作為校正頻率值的方法。2.4.3 單頻實(shí)正弦信號(hào)的快速插值頻率估計(jì)法由于渦街流量實(shí)際信號(hào)為單頻實(shí)正弦信號(hào)，根據(jù) FFT 變換系數(shù)的實(shí)

31、部與幅度譜具有相似的特征，當(dāng)信噪比高于 5dB 時(shí)，F(xiàn)FT 變換后系數(shù)的實(shí)部與幅度譜具有完全一樣的峰值位置，所以，只需利用 3 個(gè) FFT 系數(shù)的實(shí)部來(lái)構(gòu)造頻率修正項(xiàng)，計(jì)算量低，具有精度高、測(cè)頻速度快的特點(diǎn)。具體算法實(shí)現(xiàn)如下：設(shè)實(shí)際渦街流量信號(hào)為 x(n)asin(2n f/fs)，其中，a 為信號(hào)幅度，f 為信號(hào)頻率，令 X0(k)該信號(hào)點(diǎn)的 FFT 系數(shù)，k0=N f0/fs 為信號(hào)真實(shí)頻率位置，當(dāng) f0fs/N 時(shí)，根據(jù)正負(fù)幅度譜的嚴(yán)格對(duì)稱性，只需對(duì)其正頻部分進(jìn)行分析。完成對(duì)渦街流量信號(hào)的新型幅度譜插值算法，該算法簡(jiǎn)單、快速，大大提高了頻譜分析精度，具有很大的實(shí)用意義7。 . . . 7

32、 / 353 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)3.1 整體硬件電路設(shè)計(jì)方案從抗干擾和降低功耗兩個(gè)角度考慮，本課題設(shè)計(jì)了數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件電路，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示，采用了以 MSP430F149 單片機(jī)和 MSP430F1611 單片機(jī)為核心的雙CPU 硬件結(jié)構(gòu)。其中，MSP430F149 單片機(jī)作為脈沖計(jì)頻單片機(jī)，MSP430F1611 為 FFT 轉(zhuǎn)換單片機(jī)。儀表的整體結(jié)構(gòu)可分為對(duì)壓電傳感器輸出的渦街信號(hào)的前置放大電路、單片機(jī)計(jì)算與輸出電路、電壓轉(zhuǎn)換電路共三大部分；實(shí)現(xiàn)了雙通道信號(hào)采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理，脈沖輸出，電流輸出等功能。電荷放大器 低通濾波器FFT轉(zhuǎn)

33、換單片機(jī)5V轉(zhuǎn)3.3V電源芯片施密特觸發(fā)器限幅器脈沖計(jì)頻單片機(jī)壓電式渦街傳感器三線制輸出電壓轉(zhuǎn)換電流芯片電源芯片放大電路 渦街信號(hào)電壓輸出3.3V5V12V24V+24V脈沖輸出-脈沖輸出圖 3 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)硬件電路框圖3.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)課題設(shè)計(jì)的雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)選用壓電式渦街傳感頭，即檢測(cè)渦街頻率信號(hào)應(yīng)用應(yīng)力式檢測(cè)方式。把應(yīng)用膜片和壓電晶體元件作為檢測(cè)元件置于旋渦發(fā)生 . . . 8 / 35C15680nFC16680nFC17C18R55.6M(6.5)R66.8MR76.8M23467U3CTLV225423467U3BT

34、lV225423467U3ATLV2254R8300KR95.1KR10220C19C20W1100KSine Signal16390R1522KR171.3MR1422K23467U4CTLV2245D11N4148D21N4148C22C24CAP2C23R2110KR1839KR19300K23467U4BTLV2245W2100K23467U4ATLV2254R235.1KR2239KAVCC3.3Pulse Signal23467U3DTLV2254R11200KR1347R12200KC2110nFAVCC3.323467U4DTLV2254圖 4 整體硬件電路圖 . . . 9

35、/ 35體后，當(dāng)旋渦在旋渦發(fā)生體附近產(chǎn)生后，就會(huì)作用在檢測(cè)元件上面產(chǎn)生一個(gè)交替的升力，該升力的頻率與旋渦發(fā)生體發(fā)出的旋渦頻率一樣，這個(gè)升力加上管道噪聲和流體振動(dòng)噪聲同時(shí)作用在檢測(cè)元件上，使其產(chǎn)生應(yīng)力變化，應(yīng)力差作用于膜片上，使檢測(cè)元件的壓電晶體元件的誘導(dǎo)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(hào)（幅值在幾 mV 左右） ，此即是壓電傳感頭的輸出信號(hào)，也是渦街前置放大電路的輸入信號(hào)。前置放大電路的任務(wù)是將檢測(cè)元件提供的微弱電信號(hào)處理成有效代表渦街頻率的脈沖信號(hào)，同時(shí)，由于本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街除了對(duì)上述脈沖信號(hào)直接用單片機(jī)計(jì)頻以外，還具有頻譜分析的功能，故還需從前置放大電路中

36、另抽取一路正弦信號(hào)作為頻譜分析的采樣信號(hào)。課題設(shè)計(jì)的前置放大電路主要由電荷放大器，低通濾波器，限幅器和施密特觸發(fā)整形器四部分構(gòu)成，而具體的硬件電路則是由以運(yùn)算放大器為主體的模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖 4 所示。出于對(duì)系統(tǒng)的低功耗特性和輸出的驅(qū)動(dòng)能力兩方面的考慮，課題選用了 2 片美國(guó)儀器（簡(jiǎn)稱 TI）公司的 TLV2254 單電源、低電壓、低功耗 4 運(yùn)算放大器（U1 和 U2） ，來(lái)實(shí)現(xiàn)本數(shù)字渦街流量計(jì)的前置放大電路。采用先進(jìn)的 LinCMOSTM 工藝制造的 4 路運(yùn)算放大器 TLV2254，具有滿電源電壓幅度輸出性能，同時(shí)比現(xiàn)有的 CMOS 運(yùn)放具有更好的輸入失調(diào)電壓和更低的功耗。TLV225

37、4 的典型特性有：輸出擺幅包括兩個(gè)電源電平，即可達(dá)到滿電源電壓幅度；低噪聲，f=1kHZ 時(shí)，典型值為 19nV/HZ；低輸入偏置電流，典型值為 1pA；超低的功耗，每一通道的典型值為 34A；共模輸入電壓圍包含負(fù)載電源電平；低輸入失調(diào)電壓值，在 t=25時(shí)最大為 850V；供電電壓圍寬泛，2.7V8V；高輸入阻抗和低噪聲，非常適用于壓電傳感器之類小信號(hào)條件的高阻抗來(lái)源。下面分電荷放大、電壓參考、低通濾波、限幅、施密特觸發(fā)整形五個(gè)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。3.2.1 電荷放大器的設(shè)計(jì)由于壓電式傳感器輸出的電信號(hào)是很微弱的電荷信號(hào)，且傳感器本身有很大阻，故輸出能量甚微，為此，必須放大傳感器輸出的微弱

38、電信號(hào)，并將壓電式傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。而電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)以電容為反饋元件的具有深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，不同于一般的電壓放大器的是，其輸入信號(hào)是電荷，輸出信號(hào) . . . 10 / 35為電壓。圖 5 所示即為電荷放大器電路結(jié)構(gòu)8。圖 5 電荷放大器電路原理圖如圖所示，由于壓電傳感器具有很高的絕緣阻，因此其等效電路為電荷與電容器的并聯(lián)，設(shè) Q 為傳感器產(chǎn)生的電荷，Cp 為傳感器電容，Ct 為連接電纜電容，Cf 為電荷放大器帶有的深度負(fù)反饋電容，為運(yùn)放的輸入電壓，eo 為運(yùn)放的輸出電壓，A 為運(yùn)放的放大倍數(shù)。電荷放大器工作時(shí)，可推出： （10）)1 (ACCCAQeft

39、po由于電荷放大器的增益一般很高，使得 Cf（1+A）Cp+Ct,則有： （11）FFoCQACAQe)1 (所以，電荷放大器的輸出電壓與壓電傳感器的輸出電荷成比例，放大器的靈敏度則由反饋電容 Cf 來(lái)控制。如圖 6 所示，運(yùn)放 U3C 部分的電路構(gòu)成了電荷放大器，為了提高輸入級(jí)的共模抑制能力，采用的是雙端輸入的差動(dòng)電荷放大器，雙端的電容、電阻參數(shù)完全對(duì)稱（R6=R7，C17C18） ?？紤]到電容負(fù)反饋對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，使放大器的零點(diǎn)漂移增大，因此在 C17、C18 處分別并聯(lián)反饋電阻 R6 和 R7 來(lái)提供穩(wěn)定的直流工作點(diǎn)，抑制放大器的零漂。圖 6 電荷放大器電路結(jié)構(gòu)3.2.2 電壓參

40、考電路的設(shè)計(jì)如圖 7，運(yùn)放 U3D 以與電阻 R11 和 R12 構(gòu)成了前置放大電路的電壓參考電路,用于提供電荷放大器 U3C、運(yùn)放 U3B、U3A、U4(A、B、C)的靜態(tài)工作點(diǎn)。由于壓電傳感器輸出的交變信號(hào)類似正弦波，而所采用的運(yùn)算放大器 TLV2254 是單電源(AVCC=3.3V)供電，如果不采取措施，正弦信號(hào)的負(fù)半周將截止。為此，增加一個(gè)運(yùn)算放大器 U4D，它的同相端輸入電壓由電阻 R11 和 R12 分壓得到，R11=R12，即同相端的電壓為系統(tǒng)電壓的一半(AVCC/2=1.65V),由于整個(gè)電路的輸入信號(hào)為兩路壓電傳感器的差動(dòng)信號(hào)，將電壓參考電位定為 AVCC/2 有利于對(duì)差動(dòng)信

41、號(hào)進(jìn)行充分的放大。U4D 的輸出電壓反饋至反向端，輸出電壓則穩(wěn)定在 1.65V。這樣，電荷放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)就被抬高至 1.65V，壓電傳感器輸 . . . 11 / 35出的正弦波以 1.65V 為基準(zhǔn)，波峰可至 3.3V,波谷可至 0V。23467U3DTL V2254R11200KR1347R12200KC2110nFAVCC3.323467U4DTL V2254圖 7 基準(zhǔn)電路原理圖3.2.3 低通濾波器的設(shè)計(jì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，影響前置放大電路正常工作的主要來(lái)自周圍的電磁場(chǎng)干擾，可分為高頻電磁輻射干擾和低頻電磁干擾。高頻電磁輻射干擾大多來(lái)自空間電磁場(chǎng)的作用，因頻率較高且與渦街的頻帶（

42、一般為幾 Hz 到幾千 Hz）相差較遠(yuǎn)，可以通過(guò)金屬防護(hù)罩屏蔽和低通濾波的方法加以解除。至于低頻電磁干擾（50Hz） ，由于其頻率處于渦街信號(hào)的頻帶之，金屬外殼無(wú)法防御，故消除低頻電磁干擾是設(shè)計(jì)前置放大電路的關(guān)鍵。為了衰減信號(hào)中不感興趣的高頻成分，減小頻混的影響，在電路中加入了低通濾波器，如圖 8 所示。渦街流量信號(hào)的頻帶很寬，并且隨著頻率的增大，信號(hào)的幅值近似以指數(shù)增長(zhǎng)，低頻時(shí)的信號(hào)很小，而高頻時(shí)的信號(hào)很大。為了保證流量信號(hào)在低頻、高頻都有高的信噪比，都有很強(qiáng)的抗干擾能力，因此要把低通濾波器的截止頻率定在低頻段，來(lái)濾除普遍存在的 50Hz 的工頻干擾、流場(chǎng)的低頻擺動(dòng)噪聲等低頻干擾噪聲，保證在

43、小流量情況下，仍有較高的信噪比，進(jìn)行正確的測(cè)量。但是，截至頻率也不能定的很小，否則會(huì)對(duì)高頻信號(hào)衰減的過(guò)大，導(dǎo)致高頻段的信噪比降低，影響測(cè)量。因此，必須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)慕刂令l率；當(dāng)然，不同口徑和不同介質(zhì)（氣、液）渦街的截止頻率也會(huì)不同。由于電荷放大器的輸出電壓一般在幾十 mV 左右，不足以推動(dòng)流量檢測(cè)電路，還需進(jìn)一步放大；由運(yùn)放 U3B、U3A、電阻 R8、R9、可變電阻 W1 和電容 C19、C20 組成的低通濾波器具有電壓放大的作用，且增益可調(diào)。運(yùn)放反相輸入端接可調(diào)電阻 W1100K 和電阻R95.1K，反饋電阻 R8300K，所以，該運(yùn)放的放大倍數(shù)為 220 倍。運(yùn)放 U3B 的輸出 . .

44、 . 12 / 35信號(hào) Sine Signal 即單片機(jī) A/D 需要采集的渦街信號(hào)，它是以 1.65V 為基準(zhǔn)，接近 A/D轉(zhuǎn)換量程（03.3V）的帶有許多“小毛刺”的正弦波9。23467U3BTlV225423467U3ATL V2254R8300KR95.1KR10220C19C20W1100KSine Signal圖 8 低通濾波器電路原理圖3.2.4 限幅器的設(shè)計(jì)限幅器的作用是對(duì)上述低通濾波器的輸出信號(hào)電平進(jìn)行箝位，從而進(jìn)一步消除干擾，提高放大器的信噪比；同時(shí)為后續(xù)電路提供穩(wěn)定的觸發(fā)電壓。在圖 9 中，限幅器運(yùn)放 U2C 的負(fù)反饋部分除了用一個(gè)小容量的電容（C232200p）和一個(gè)

45、較大的反饋電阻（R171.2M）并聯(lián)以濾除一些高頻干擾和放大信號(hào)幅值以外，它還有兩個(gè)反相并聯(lián)的二極管（D1、D2）起放大整形的作用。當(dāng)運(yùn)放 U2C 反相輸入端的信號(hào)電壓高于二極管的門坎電壓時(shí)，輸入信號(hào)能直接通過(guò)導(dǎo)通的二極管輸出；而當(dāng)輸入信號(hào)電壓低于二極管的門坎電壓時(shí)，二極管不導(dǎo)通，則信號(hào)經(jīng)反饋電阻被放大 R17/R1560倍后再輸出。因此，限幅器輸出的信號(hào)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。 . . . 13 / 3516390R1522KR171.3MR1422K23467U4CTL V2245D11N4148D21N4148C22C24CAP2C23圖 9 限幅器電路

46、原理圖3.2.5 施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)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(shí)是具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器，由于對(duì)輸入輸出信號(hào)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(gè)重要的特點(diǎn)：第一，輸入信號(hào)從低電平上升時(shí)的轉(zhuǎn)換電平和從高電平下降時(shí)的轉(zhuǎn)換電平不同；第二，在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊緣變得很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)，不僅可以將邊緣變化緩慢的信號(hào)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(hào)高、低電平上的噪聲有效地清除。如圖 10，運(yùn)放 U4B 的正相輸入端通過(guò)反饋電阻 R19

47、 和正相輸入電阻 W2 對(duì)輸出端電壓分壓，此分壓值即為觸發(fā)閾值。通過(guò)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(yùn)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，U2B 負(fù)相輸入端的限幅后的正弦信號(hào)與此閾值作比較，得到幅值為 0VCC 的方波輸出，此方波再與比較器 U4A 作比較得到最終的脈沖信號(hào) Pulse Signal 輸出，如圖 11。圖 10 施密特觸發(fā)器電路原理圖圖 11 比較器電路原理圖 . . . 14 / 353.3 單片機(jī)計(jì)算與輸出電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)是本數(shù)字渦街流量計(jì)的控制核心，出于對(duì)單片機(jī)

48、本身的控制功能、功耗以與開發(fā)工具的完善程度等多方面的考慮，課題最終選擇了美國(guó) TI 公司的 MSP430F149 單片機(jī)與 MSP430F1611 單片機(jī)。MSP430 單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下：(1)低電源電壓圍：1.83.6V。(2)超低功耗：2.5A(4kHz，2.2V)；160A(1MHz，2.2V)。(3)5 種節(jié)電模式：等待方式 0.7A；RAM保持的節(jié)電方式 0.1A。(4)從等待方式喚醒時(shí)間：6s。(5)16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，150ns 指令周期。(6)基本時(shí)鐘模塊配置：高、低速晶體，部 DCO。(7)12 位 200kbps 的 A/D 轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持。(8)具有三個(gè)捕

49、獲/比較寄存器的 16 位定時(shí)器 Timer_A,Timer_B。(9)多達(dá) 60KB FLASH ROM 和 2KB RAM(其中 MSP430F1611 單片機(jī)具有 10KB RAM)。(10)安全熔絲的程序代碼保護(hù)。(11)MSP430F1611 單片機(jī)具有 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換模塊10。脈沖計(jì)頻單片機(jī)（MSP430F149）FFT轉(zhuǎn)換單片機(jī)（MSP430F1611）脈沖信號(hào)正弦信號(hào)電流輸出脈沖輸出圖 12 單片機(jī)外圍電路硬件框圖本數(shù)字渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)充分利用了 MSP430F149 豐富的 I/O 和中斷端口對(duì)施密特觸發(fā)器輸出的方波信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，通訊以與脈沖輸出；利用 MS

50、P430F1611 部的12 位 A/D 對(duì)前置放大電路中低通濾波后的渦街流量信號(hào)進(jìn)行采樣與電流輸出。圖 12 所示即單片機(jī)外圍電路硬件結(jié)構(gòu)框圖，下面分別介紹各部分電路。3.3.1 渦街信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)對(duì)渦街信號(hào)的采集分為 MSP430F1611 單片機(jī)對(duì)正弦信號(hào)的采樣和 MSP430F149 單片機(jī)對(duì)方波信號(hào)的計(jì)頻兩種。對(duì)正弦信號(hào)的采樣通過(guò) MSP430F1611 部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC12 來(lái)實(shí)現(xiàn)。ADC12 是 12 位精度的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，具有高速、通用的特點(diǎn)，它具有帶有采樣/保持功能的 ADC 核、可控制的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)、可控制的參考電平發(fā)生器、可控制的采樣與

51、轉(zhuǎn)換時(shí)序電路五大功能模塊，均可獨(dú)立配置。前置放大電路中引出的正弦信號(hào) S1，作為 MSP430F1611 的第 59 引腳P6.0/A0 的模擬信號(hào)輸入端，采用單通道單次的采樣模式。對(duì)方波信號(hào)的計(jì)頻通過(guò) MSP430F149 具有中斷功能的 I/O 端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。MSP430F149 中， . . . 15 / 35P1 和 P2 這兩個(gè) 8 位端口都能用做輸入和輸出，同時(shí)具有中斷能力，每個(gè)信號(hào)都可作為一個(gè)中斷源。課題選用 P1.2/TA1 端口，以前置放大電路中輸出的方波信號(hào) S2 作為P1.2/TA1 的中斷源，采用上升沿中斷的方式計(jì)頻。3.3.2 脈沖輸出電路的設(shè)計(jì)本數(shù)字渦街流量計(jì)在計(jì)算得

52、出渦街信號(hào)頻率之后通過(guò)硬件將頻率輸出來(lái)即脈沖輸出。下圖 13 即本儀表脈沖輸出原理圖。其中，MCU149_Out 為 MSP430F149 單片機(jī)的脈沖輸出；Pulse-out 為儀表脈沖輸出信號(hào)。根據(jù) MSP430F149 單片機(jī)的特點(diǎn)，選用帶有定時(shí)中斷功能的 P4.0/TB0 端口輸出頻率脈沖，由于 MSP430F149 電源電壓定為3.3V，而三線制脈沖輸出的供電電壓圍為 012V，故增加了一片 LM258 雙運(yùn)放芯片。LM258 第一個(gè)運(yùn)放為一電壓比較器，參考電壓由 R25 和 R26 兩電阻分壓決定為 1V 左右，第二個(gè)運(yùn)放作為一電壓跟隨器，輸出即峰峰值在 012V 左右的脈沖信號(hào)。

53、VCC3.3R27R26100KR25200KR2822023467U5ALM25823467U5BLM258MCU149_OUTPulse-outAVCC12.0圖 13 脈沖輸出原理圖 . . . 16 / 353.3.3 電流輸出電路的設(shè)計(jì)R3125R2933KR3033KC72.2uFC80.01uFVR15KVR25KD3R32T1BD1394012357121116M CU1611_O UTVCC24AM 402VCC(5V)圖 14 電壓轉(zhuǎn)換為電流電路本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)具有 420mA 遠(yuǎn)傳的功能，因此課題采用 AM4 芯片將MSP430F1611 單片機(jī)的 D/A 模塊

54、輸出的電壓信號(hào)(02.5V)轉(zhuǎn)換為 420 電流信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器 VR1 來(lái)調(diào)節(jié) 4mA，單片機(jī)的電壓信號(hào)通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)變器 VR2 連接到 AM402 的 7腳來(lái)調(diào)節(jié) 016mA。進(jìn)而整個(gè)電流輸出電路可以實(shí)現(xiàn) 420mA 的輸出。具體電路設(shè)計(jì)如圖14。其中，MCU1611_Out 為 MSP430F1611 單片機(jī)的電壓輸出信號(hào)，24V 供電電源的正負(fù)電源線中的電流即為 420mA 電流，此時(shí)儀表為兩線制11。3.4 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)MSP430F149 單片機(jī)和 MSP430F1611 單片機(jī)都需要穩(wěn)定可靠的 3.3V 供電，因此電壓轉(zhuǎn)換電路就尤為重要。課題采用 24V 直流電源供電

55、，通過(guò) AM402 芯片提供 5V 電源，再通過(guò)BCM3033 電源芯片將 5V 轉(zhuǎn)換為 3.3V 電源為單片機(jī)供電。電路設(shè)計(jì)如下圖。AM402BCM303MPS430F1611MSP430F14924V5V3.3V3.3V . . . 17 / 35圖 15 電壓轉(zhuǎn)換電路框圖除了為單片機(jī)供電外，還需要為整個(gè)儀表脈沖輸出電路的放大器供電，即需要 12V供電。因此本課題采用 uA7812 電源芯片將 24V 電壓轉(zhuǎn)換為 12V 電壓。電路原理圖如下圖。D4DIODEC40.01uFC380.33uFC310uFL1L2VCC24AVCC12.0123+24VPulse-OUTGND12IC2uA

56、7812Vin+12VGND123J5圖 16 24V 轉(zhuǎn)換為 12V 電路原理圖3.5 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件低功耗設(shè)計(jì)近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)著電子產(chǎn)品的日新月異，同時(shí)對(duì)電子產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，其中較為突出的就是產(chǎn)品的功耗問(wèn)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(shì)，系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)在整體設(shè)計(jì)中顯得越來(lái)越重要，其主要意義有：便于電池供電，促進(jìn)便攜化發(fā)展；簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高可靠性；實(shí)現(xiàn)“綠色”電子，節(jié)省能源。由于本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字渦街流量計(jì)要具有 420mA 遠(yuǎn)傳功能，因此降低功耗就成為至關(guān)重要的問(wèn)題了。為了實(shí)現(xiàn)本數(shù)字渦街流量

57、計(jì)的低功耗設(shè)計(jì)，課題采用了以下手段：選用了低功耗器件；采用了低壓供電，功耗與電源電壓的平方成正比，降低電源電壓是降低功耗的最有效的途徑，故采用能低壓工作的芯片；盡量降低系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，從而降低系統(tǒng)的功耗；采用低功耗的工作方式；合理選擇系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，因?yàn)橄到y(tǒng)中許多技術(shù)指標(biāo)都和功耗聯(lián)系在一起，像運(yùn)行速度、驅(qū)動(dòng)能力、穩(wěn)定性等，這些技術(shù)指標(biāo)的提高往往以增加功耗來(lái)?yè)Q取，所以，從功耗角度出發(fā)應(yīng)合理選擇系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)；采用低功耗的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)12。MSP430 單片機(jī)在硬件上的低功耗設(shè)計(jì)關(guān)鍵是：（1）為系統(tǒng)核與外圍模塊選擇盡可能低的工作時(shí)鐘頻率。單片機(jī)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

58、明顯減少；但是，工作頻率太低會(huì)影響指令執(zhí)行速度，降低儀表的實(shí)時(shí)性要求，所以需要選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率值。因此 MSP430F1611 . . . 18 / 35被設(shè)計(jì)為兩個(gè)時(shí)鐘。當(dāng)進(jìn)行 FFT 計(jì)算時(shí)使用主頻（MCLK）為 8Hz 的高頻晶振，其他時(shí)間使用外接 32768Hz 晶振作為外圍模塊的時(shí)鐘（ACLK） 。（2）將不用的 I/O 端口開路并設(shè)置成輸出端。（3）適當(dāng)加大管腳中用到的上拉、下拉電阻值。4 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案在第三章介紹的硬件電路設(shè)計(jì)中，脈沖計(jì)頻與頻率輸出由 MSP430F149 擔(dān)任而 FFT 轉(zhuǎn)換與電壓值輸出由 MSP

59、430F1611 擔(dān)任。因此，根據(jù)這兩片單片機(jī)的不同工作分別編寫相應(yīng)的程序。4.2 MSP430F149 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)首先對(duì) MSP430F149 單片機(jī)的定時(shí)器與通訊模塊進(jìn)行初始化，然后計(jì)算輸入的脈沖方波的頻率并且將頻率值進(jìn)行輸出同時(shí)將頻率值發(fā)送給 MSP430F1611 單片機(jī)，將此頻率值與預(yù)先設(shè)定的臨界頻率值進(jìn)行比較。如果當(dāng)前頻率值大于臨界頻率值，則繼續(xù)進(jìn)行脈沖計(jì)頻；如果當(dāng)前頻率值小于臨界頻率值，則向 MSP430F1611 單片機(jī)發(fā)送指令，與此同時(shí) MSP430F149 單片機(jī)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待 MSP430F1611 單片機(jī)的頻率計(jì)算值。如圖 17，MSP430F149

60、單片機(jī)的軟件中主要由脈沖計(jì)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(jì)頻函數(shù)利用 MSP430F149 單片機(jī)定時(shí)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(shí)器 Timer_A 的寄存器 TACCR1 的值。由于此時(shí)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(shí)也采用了多次捕獲取平均值的方法使脈沖計(jì)頻更加準(zhǔn)確。 . . . 19 / 35初始化程序低功耗狀態(tài)等待接收頻率發(fā)送請(qǐng)求FFT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(hào)發(fā)送請(qǐng)求D/A轉(zhuǎn)化指令脈沖計(jì)頻函數(shù)頻率是否大于臨界值？NoYes圖 17 M