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MSP430F449在新型流量計(jì)中的應(yīng)用

   2012年05月11日 17:32  
  摘要:電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。其勵(lì)磁方式的選擇直接影響傳感器內(nèi)部勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)情況,進(jìn)一步影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度。文在總結(jié)現(xiàn)有勵(lì)磁方法及前人的工作的基礎(chǔ)上,提出了三值梯形波勵(lì)磁方式。這種勵(lì)磁方式采用正—零—負(fù)三極性規(guī)律的梯形波作為勵(lì)磁電壓波形
  
  1、引言
  
  電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。其勵(lì)磁方式的選擇直接影響傳感器內(nèi)部勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)情況,進(jìn)一步影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度。本文在總結(jié)現(xiàn)有勵(lì)磁方法及前人的工作的基礎(chǔ)上,提出了三值梯形波勵(lì)磁方式。這種勵(lì)磁方式采用正—零—負(fù)三極性規(guī)律的梯形波作為勵(lì)磁電壓波形。使用梯形波代替矩形波可以減小勵(lì)磁波形上升沿和下降沿造成的磁場(chǎng)突變,有效地降低了對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的微分干擾,有利于儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度的提高。
  
  2、電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  
  基于三值梯形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要由勵(lì)磁電路、信號(hào)處理電路和單片機(jī)系統(tǒng)三部分組成。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
  
  圖1硬件總體結(jié)構(gòu)圖
  
  2.1勵(lì)磁電路
  
  勵(lì)磁電路由梯形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路和勵(lì)磁信號(hào)功率放大電路兩部分組成。梯形波勵(lì)磁信號(hào)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(jī)的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)。DAC7731輸出量程為-5V~+5V,內(nèi)部參考電壓10V,USART為4線SPI主機(jī)模式。此勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路,通過MSP430單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行分頻,可軟件編程修改勵(lì)磁頻率,為電磁流量計(jì)選擇不同的勵(lì)磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分,采用互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路。通過運(yùn)算放大器對(duì)勵(lì)磁信號(hào)電壓放大,兩級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路對(duì)勵(lì)磁信號(hào)電流放大,放大后的信號(hào)輸入電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈作為勵(lì)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(lì)磁方式的要求。
  
  2.2信號(hào)處理電路
  
  電磁流量計(jì)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(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)微弱的交變信號(hào),在實(shí)際測(cè)量中基本上可以測(cè)出1m/s流速對(duì)應(yīng)為0.1mv感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),且此信號(hào)內(nèi)阻高,為兆歐級(jí),同時(shí)噪聲信號(hào)多,尤其為50Hz工頻干擾,幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。
  
  根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的特點(diǎn),信號(hào)處理電路是測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,它是傳感器和單片機(jī)之間的橋梁,作用是將傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)(微伏至毫伏級(jí)的梯形波勵(lì)磁信號(hào))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(hào),并且通過對(duì)這個(gè)采樣信號(hào)的計(jì)算可得到流速信息,其電路單元框圖如圖2所示。
  
  圖2信號(hào)處理電路單元框圖
  
  信號(hào)通道位于乘法電路之前,其作用是將弱信號(hào)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(hào)進(jìn)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(hào)與線圈反饋回來的信號(hào)通過硬件乘法器相乘,輸出乘積信號(hào)。由于MSP430單片機(jī)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(hào)為雙極性信號(hào),因此必須經(jīng)過電平提升電路而將信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)。電平提升電路包括兩部分,*部分完成的功能是把輸入信號(hào)加1.6V后反相輸出,第二部分把反相輸出的信號(hào)再進(jìn)行反相。這樣就使zui初輸入的信號(hào)提升了1.6V,這樣就能進(jìn)入接下來的A/D進(jìn)行采樣。
  
  2.3單片機(jī)系統(tǒng)
  
  本測(cè)量系統(tǒng)采用TI公司的MPS430F449單片機(jī)作為電磁流量計(jì)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(jī)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(jī)。它具有16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu),內(nèi)含12位快速A/D,60K字節(jié)FLASHROM,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(shí)器等。單片機(jī)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(dú)立按鍵式鍵盤。由3個(gè)獨(dú)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(gè)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(jì)
  
  系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤菜單處理、定時(shí)器中斷、梯形波勵(lì)磁信號(hào)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。
  
  從流程圖中可以看出,系統(tǒng)軟件是通過對(duì)連續(xù)等間隔采集來的1000個(gè)點(diǎn)求平均值來達(dá)到濾波目的的,即得到直流分量。這1000個(gè)點(diǎn)采到的數(shù)據(jù)都保存在一個(gè)數(shù)組當(dāng)中,每采到一個(gè)新的點(diǎn),就在這個(gè)數(shù)組當(dāng)中對(duì)zui老的點(diǎn)進(jìn)行替換,數(shù)組中保存的都是的采樣點(diǎn),而對(duì)于這些點(diǎn)的求和則采用逐點(diǎn)法求得,即除了zui開始采集的1000個(gè)數(shù)據(jù)需要做一次求和以外,后面只要把這個(gè)和減去zui早的點(diǎn)的數(shù)據(jù)再加上的點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可得到當(dāng)前的的1000個(gè)數(shù)據(jù)之和(每采集一個(gè)新的點(diǎn),就得到一個(gè)新的和)。然后對(duì)每一次求得的和作平滑處理,求這1000個(gè)點(diǎn)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(huì)因?yàn)榕紶柕恼`差或者波動(dòng)出現(xiàn)顯示的跳變。對(duì)經(jīng)過平滑處理的和除以1000求得的平均值才認(rèn)為就是軟件濾波得到的直流分量。
  
  4、試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
  
  試驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為50mm,采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定。低頻矩形波勵(lì)磁、三值低頻矩形波勵(lì)磁和三值梯形波勵(lì)磁方式的勵(lì)磁頻率均為6Hz,勵(lì)磁電壓zui大幅值為±8V。
  
  由于儀表的零點(diǎn)穩(wěn)定性主要反應(yīng)于小流速(一般在0.25m/s以下)的測(cè)量準(zhǔn)確度,因此主要集中在此流速段進(jìn)行了試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以表明三值梯形波勵(lì)磁方式與低頻矩形波勵(lì)磁方式相比,在相同的標(biāo)定流速下的相對(duì)誤差更小,而且在接近零流速的試驗(yàn)點(diǎn)(標(biāo)定流速為0.079m/s),三值梯形波勵(lì)磁方式下的測(cè)量相對(duì)誤差為-4.8%,小于低頻矩形波勵(lì)磁方式下的-6.9%,說明了提出的三值梯形波勵(lì)磁方式在提高零點(diǎn)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(jì),實(shí)現(xiàn)了用戶通過鍵盤設(shè)置改變勵(lì)磁頻率、梯形波斜坡斜度和高低零值勵(lì)磁段時(shí)間比。在流速變化小,測(cè)量準(zhǔn)確度要求高的情況下選用較低的勵(lì)磁頻率,以保證更好的零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度,在流速變化大,測(cè)量實(shí)時(shí)性要求高的情況下選用較高的勵(lì)磁頻率,以保證電磁流量計(jì)的響應(yīng)速度。相比現(xiàn)有電磁流量計(jì)單一勵(lì)磁頻率難以滿足不同測(cè)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(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
  
  本文作者創(chuàng)新點(diǎn):提出了三值梯形波勵(lì)磁方式下的新型的信號(hào)處理方法。

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