MSP430F449在新型流量計中的應(yīng)用

1 引言
電磁流量計是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種測量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。其勵磁方式的選擇直接影響傳感器內(nèi)部勵磁線圈所產(chǎn)生的磁場情況，進一步影響傳感器輸出的感應(yīng)電動勢信號和儀表的測量準確度。本人在總結(jié)現(xiàn)有勵磁方法及前人的工作的基礎(chǔ)上，提出了三值梯形波勵磁方式。這種勵磁方式采用正—零—負三極性規(guī)律的梯形波作為勵磁電壓波形。使用梯形波代替矩形波可以減小勵磁波形上升沿和下降沿造成的磁場突變，有效地降低了對感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的微分干擾，有利于儀表零點穩(wěn)定性和測量準確度的提高。
2 電磁流量計硬件系統(tǒng)設(shè)計
基于三值梯形波勵磁的電磁流量計硬件系統(tǒng)主要由勵磁電路、信號處理電路和單片機系統(tǒng)三部分組成。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖
2.1 勵磁電路
勵磁電路由梯形波勵磁信號產(chǎn)生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。梯形波勵磁信號產(chǎn)生部分采用16位D/A 轉(zhuǎn)換芯片DAC7731 通過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC245與MSP430F449單片機的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵磁信號。DAC7731 輸出量程為-5V~+5V，內(nèi)部參考電壓10V，USART為4 線SPI主機模式。此勵磁信號產(chǎn)生電路，通過MSP430單片機的定時器進行分頻，可軟件編程修改勵磁頻率，為電磁流量計選擇不同的勵磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分，采用互補對稱式功率放大電路。通過運算放大器對勵磁信號電壓放大，兩級互補對稱功率放大電路對勵磁信號電流放大，放大后的信號輸入電磁流量計勵磁線圈作為勵磁電壓。此電路可線性放大梯形波斜邊部分，滿足了梯形波勵磁方式的要求。
2.2 信號處理電路
電磁流量計是法拉第電磁感應(yīng)定律的具體應(yīng)用。導(dǎo)電流體在磁場中流動切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。此感應(yīng)電動勢是一個微弱的交變信號，在實際測量中基本上可以測出1m/s流速對應(yīng)為0.1mv感應(yīng)電動勢，且此信號內(nèi)阻高，為兆歐級，同時噪聲信號多，尤其為50Hz工頻干擾，幅值遠遠大于流量的感應(yīng)電動勢信號。
根據(jù)感應(yīng)電動勢信號的特點，信號處理電路是測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它是傳感器和單片機之間的橋梁，作用是將傳感器的感應(yīng)電動勢信號(微伏至毫伏級的梯形波勵磁信號)經(jīng)過放大、濾波、相乘等處理，轉(zhuǎn)變?yōu)锳/D采樣可接受的信號，并且通過對這個采樣信號的計算可得到流速信息，其電路單元框圖如圖2所示。
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圖2信號處理電路單元框圖
信號通道位于乘法電路之前，其作用是將弱信號放大到足夠大的電平，兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功能。它由前置放大電路、高通濾波電路、放大電路組成。放大后的信號進入接下來的乘法器，乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835, AD835具有很高的差分輸入阻抗，不需外接阻抗變換電路。放大后的信號與線圈反饋回來的信號通過硬件乘法器相乘，輸出乘積信號。由于MSP430單片機為單極性電源供電，因此片內(nèi)A/D電壓輸入也為單極性輸入，即0~3.3V，而乘法器AD835輸出的信號為雙極性信號，因此必須經(jīng)過電平提升電路而將信號轉(zhuǎn)換為單極性信號。電平提升電路包括兩部分，第一部分完成的功能是把輸入信號加1.6V后反相輸出，第二部分把反相輸出的信號再進行反相。這樣就使最初輸入的信號提升了1.6V，這樣就能進入接下來的A/D進行采樣。
2.3 單片機系統(tǒng)
本測量系統(tǒng)采用TI公司的MPS430F449單片機作為電磁流量計CPU，與晶振輸入模塊、復(fù)位電路、顯示模塊和鍵盤模塊共同構(gòu)成單片機系統(tǒng)。MSP430F449超低功耗微處理器是IT公司推出的一種新型單片機。它具有16位精簡指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含12位快速A/D，60K字節(jié)FLASH ROM，2K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富，有ADC、PWM、若干TIMER、串行口、看門狗定時器等。單片機系統(tǒng)的復(fù)位電路使用的是將引腳電壓拉低到GND，然后釋放，從而引起系統(tǒng)復(fù)位的方法。系統(tǒng)的鍵盤模塊采用獨立按鍵式鍵盤。由3個獨立按鍵分別與3只上拉電阻共同和MSP430F449的P1.1、P1.2和P1.3相連，并將這三個端口設(shè)置為上升沿中斷使能的方式，利用中斷處理程序來判斷鍵盤輸入。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤菜單處理、定時器中斷、梯形波勵磁信號產(chǎn)生、A/D采樣、LCD顯示等部分組成。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

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從流程圖中可以看出，系統(tǒng)軟件是通過對連續(xù)等間隔采集來的1000個點求平均值來達到濾波目的的，即得到直流分量。這1000個點采到的數(shù)據(jù)都保存在一個數(shù)組當(dāng)中，每采到一個新的點，就在這個數(shù)組當(dāng)中對最老的點進行替換，數(shù)組中保存的都是最新的采樣點，而對于這些點的求和則采用逐點法求得，即除了最開始采集的1000個數(shù)據(jù)需要做一次求和以外，后面只要把這個和減去最早的點的數(shù)據(jù)再加上最新的點的數(shù)據(jù)就可得到當(dāng)前的最新的1000個數(shù)據(jù)之和(每采集一個新的點，就得到一個新的和)。然后對每一次求得的和作平滑處理，求這1000個點的平均值作為直流分量，平滑處理的目的是為了使得到的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，不會因為偶爾的誤差或者波動出現(xiàn)顯示的跳變。對經(jīng)過平滑處理的和除以1000求得的平均值才認為就是軟件濾波得到的直流分量。
4 試驗結(jié)果及結(jié)論
試驗所用傳感器的內(nèi)徑為50mm，采用標準計量罐進行標定。低頻矩形波勵磁、三值低頻矩形波勵磁和三值梯形波勵磁方式的勵磁頻率均為6Hz，勵磁電壓最大幅值為±8V。
由于儀表的零點穩(wěn)定性主要反應(yīng)于小流速（一般在0.25m/s以下）的測量準確度，因此主要集中在此流速段進行了試驗。從試驗結(jié)果可以表明三值梯形波勵磁方式與低頻矩形波勵磁方式相比，在相同的標定流速下的相對誤差更小，而且在接近零流速的試驗點（標定流速為0.079m/s），三值梯形波勵磁方式下的測量相對誤差為-4.8%，小于低頻矩形波勵磁方式下的-6.9%，說明了提出的三值梯形波勵磁方式在提高零點穩(wěn)定性方面效果明顯。
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)通過軟硬件協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了用戶通過鍵盤設(shè)置改變勵磁頻率、梯形波斜坡斜度和高低零值勵磁段時間比。在流速變化小，測量準確度要求高的情況下選用較低的勵磁頻率，以保證更好的零點穩(wěn)定性和測量準確度，在流速變化大，測量實時性要求高的情況下選用較高的勵磁頻率，以保證電磁流量計的響應(yīng)速度。相比現(xiàn)有電磁流量計單一勵磁頻率難以滿足不同測量要求方面取得了一定的突破。因而具有較高的推廣應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益。
本文作者創(chuàng)新點：提出了三值梯形波勵磁方式下的新型的信號處理方法。