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一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的制作方法

文檔序號(hào):5868026閱讀:258來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域,為一種低功耗數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),特別是一 種以單片機(jī)(MCU)為核心、周期圖譜分析與硬件帶通濾波器組相結(jié)合的采用電池供電的渦 街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)
中國(guó)發(fā)明專利公布了一種改進(jìn)的低功耗兩線制渦街流量計(jì)(徐科軍,劉三山,劉 家祥,羅清林,朱志海.改進(jìn)的低功耗兩線制渦街流量計(jì),申請(qǐng)發(fā)明專利,200810246107. 9, 申請(qǐng)日2008.12.22.)。這種改進(jìn)后的低功耗兩線制渦街流量計(jì),包括壓電傳感器、差分電 荷放大器、電壓放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選擇開(kāi) 關(guān)電路、峰值檢測(cè)電路、整形電路、單片機(jī)、人機(jī)接口電路、4 20mA輸出與電源管理電路、 恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用少點(diǎn)數(shù)FFT頻譜分析 與模擬帶通濾波器組相結(jié)合的方式處理渦街傳感器信號(hào),采用多周期等精度的頻率測(cè)量方 法,具備溫度和壓力補(bǔ)償電路和功能,輸出4 20mA直流電流、兩線制工作。改進(jìn)后的低功 耗兩線制渦街流量計(jì)量程比、測(cè)量精度和抗干擾能力均大幅度提高。這種低功耗兩線制渦 街流量計(jì)是用14V-36V直流電壓供電工作的,但是,在有些應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有外部電源供電或 者用導(dǎo)線引電源費(fèi)用比較高,這時(shí)就需要用由電池供電的渦街流量計(jì)。與渦街流量計(jì)測(cè)量 原理相近的旋進(jìn)旋渦流量計(jì),也是采用壓電傳感器輸出與流量成比例的頻率信號(hào),通常用 來(lái)測(cè)量氣體流量,也常常采用電池供電方式。對(duì)于電池供電的渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),不要 求具備4-20mA電流輸出,對(duì)測(cè)量精度的要求也比普通供電方式的稍低,要求顯示瞬時(shí)和累 積流量,并進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,要求用一節(jié)3. 6V、6. 5安 時(shí)的電池能夠連續(xù)工作一年半 以上。為了實(shí)現(xiàn)電池供電能夠工作一年半,目前此類流量計(jì)均是采用經(jīng)常休眠的方式,具體 地講,流量計(jì)不是每時(shí)每刻計(jì)流量產(chǎn)生的脈沖,而是間隔一段時(shí)間后,計(jì)一段時(shí)間的脈沖, 再間隔一段時(shí)間后,再計(jì)一段時(shí)間的脈沖,……。即用某一很短時(shí)間段內(nèi)的瞬時(shí)流量作為 一長(zhǎng)時(shí)間段的平均流量。這樣,當(dāng)流量變化比較大時(shí),就會(huì)產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。同時(shí),目 前此類流量計(jì)均是使用的放大、濾波、整形和脈沖計(jì)數(shù)的處理方式,存在量程比小、抗現(xiàn)場(chǎng) 振動(dòng)干擾能力差的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前電池供電渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的缺陷,本發(fā)明專利根據(jù)對(duì)電池供電渦 街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的精度和量程比的要求,在已經(jīng)申請(qǐng)專利的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步改進(jìn)電路 與算法(l)根據(jù)實(shí)際渦街信號(hào)頻率選擇帶通濾波器組的某路通道后,其余七個(gè)通道不再 進(jìn)行濾波;(2)考慮在某些應(yīng)用場(chǎng)合,溫度和壓力變化比較緩慢,利用間歇采樣模式取代實(shí) 時(shí)采樣模式,并且設(shè)計(jì)回路通斷可控的恒流源,以降低系統(tǒng)的功耗;(3)針對(duì)于低功耗兩線 制工作模式設(shè)計(jì)的電路,進(jìn)一步降低電流消耗。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是周期圖譜與模擬帶通濾波器組相結(jié)合,對(duì)流量傳感器進(jìn)行最佳
4濾波,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的脈沖計(jì)數(shù);始終對(duì)流量脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),即便流量發(fā)生較大變化時(shí),也能保 證較好的測(cè)量精度;采用一節(jié)3. 6伏、6. 5安 時(shí)的電池供電,這種低功耗、數(shù)字渦街/旋進(jìn) 旋渦流量計(jì)至少可以工作一年半時(shí)間。


圖l是系統(tǒng)硬件框圖。 圖2是單運(yùn)放差動(dòng)電荷放大器電路原理圖。 圖3是電荷放大器輸出信號(hào)調(diào)理電路原理圖。 圖4是分壓跟隨電路原理圖。 圖5是偏置電路原理圖。 圖6是帶通濾波器組1電路原理圖。 圖7是帶通濾波器組2電路原理圖。 圖8是濾波器選擇與脈沖整形電路圖。 圖9是DC/DC的選通電路圖。 圖10是數(shù)字2. 7V電壓轉(zhuǎn)換電路圖。 圖11是模擬2. 5V電壓轉(zhuǎn)換電路圖。 圖12是掉電保護(hù)電路圖。 圖13是脈沖輸出電路圖。 圖14是可控恒流源、溫度傳感器和壓力傳感器接口電路圖。 圖15是壓力傳感器差分放大電路圖。 圖16是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖。 圖17是單片機(jī)電路圖。 圖18是鍵盤輸入電路圖。 圖19是LCD顯示模塊接線示意圖。 圖20是外部看門狗電路圖。 圖21是外擴(kuò)FRAM電路圖。 圖22是系統(tǒng)軟件框圖。 圖23是系統(tǒng)主監(jiān)控程序流程圖。 圖24是系統(tǒng)脈沖捕獲原理框圖。 圖25是系統(tǒng)頻率估算流程圖。 圖26是系統(tǒng)濾波器通道選擇流程圖。 圖27是系統(tǒng)流量計(jì)算流程圖。 圖28是系統(tǒng)鍵盤掃描流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。 本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是采用數(shù)字頻譜分析結(jié)合帶通濾波器的方法,提高了儀表的 抗干擾能力、測(cè)量精度和量程比,并且通過(guò)溫度和壓力補(bǔ)償,擴(kuò)展了儀表的適用范圍。然而, 按照電池供電的要求,系列要能工作一年半。若采用一節(jié)3.6伏、6.5安,時(shí)的電池供電,系統(tǒng)消耗的平均電流必須低于500uA,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單片機(jī)完全運(yùn)行及信號(hào)調(diào)理和補(bǔ)償電路的 電流消耗。所以,采用了以下有效措施來(lái)降低系統(tǒng)的功耗(l)根據(jù)電池實(shí)際電壓及單片機(jī) 的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換中降壓型直流-直流變換器(DC/DC)與低壓差線性穩(wěn)壓 電源(LDO)的實(shí)時(shí)切換;為了降低模擬部分功耗,利用LDO實(shí)現(xiàn)第二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換,進(jìn)一步降 低模擬部分的供電電壓。(2)采用低功耗單片機(jī)進(jìn)行少點(diǎn)數(shù)快速傅立葉變換(FFT),實(shí)現(xiàn)周 期圖譜分析,確定渦街信號(hào)的頻率值;設(shè)計(jì)一組硬件帶通濾波器,其通帶覆蓋渦街/旋進(jìn)旋 渦信號(hào)的頻帶,根據(jù)頻譜分析結(jié)果來(lái)選擇具體的帶通濾波器,進(jìn)行最佳濾波;未選通的帶通 濾波器中的運(yùn)算放大器處于未使能狀態(tài),降低系統(tǒng)的功耗。(3)溫度和壓力補(bǔ)償,設(shè)置為間 歇采樣模式。在采樣的間隙,利用單刀雙擲開(kāi)關(guān)(SPDT)切斷恒流源的上位端電壓供給,降 低系統(tǒng)的功耗。 本發(fā)明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本發(fā)明系統(tǒng)由壓電傳感器、單運(yùn)放差動(dòng)電荷 放大器、電壓放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選擇開(kāi)關(guān)電路、整形電 路、單片機(jī)、人機(jī)接口電路、兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路、可控恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分 放大器、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。 本發(fā)明系統(tǒng)的工作過(guò)程為從壓電傳感器輸出的微弱電荷信號(hào),首先經(jīng)過(guò)電荷放 大器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),由于幅值非常小,所以,在經(jīng)過(guò)一級(jí)無(wú)源低通濾波后,又經(jīng)過(guò)一 級(jí)限幅電壓放大器。放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器,濾除信號(hào)中的高頻干擾,然后由電壓跟 隨器(緩沖器)輸出2路信號(hào)。第1路信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓、跟隨電路后,被單片機(jī)自帶的ADC采 樣和轉(zhuǎn)換,變成數(shù)字量。單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行少點(diǎn)數(shù)的FFT,做周期圖譜分析,得到信號(hào)的頻 率值,來(lái)選擇帶通濾波器組的通道,使能相應(yīng)通道的運(yùn)算放大器。第2路信號(hào)送至帶通濾波 器組,進(jìn)行濾波;由單片機(jī)的頻譜分析結(jié)果來(lái)決定輸出某路濾波后的信號(hào)。把經(jīng)過(guò)帶通濾波 器組的輸出信號(hào)送至由比較器組成的整形電路進(jìn)行整形,整形后的信號(hào)送至單片機(jī)的定時(shí) 器輸入端,采用捕獲方式,利用多周期等精度方法進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果,單片機(jī)將 流量信息顯示在LCD上。為了降低系統(tǒng)的平均功耗,單片機(jī)設(shè)置了休眠模式,在該模式下, 單片機(jī)消耗的電流僅為5uA。單片機(jī)每完成一次測(cè)量,休眠3s。系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)為兩級(jí)轉(zhuǎn) 換,在第一級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,依據(jù)降壓型DC/DC與LDO在不同情況下轉(zhuǎn)換效率各有優(yōu)劣,設(shè)計(jì) 了邏輯判斷選擇電路。當(dāng)電源電壓高于3.3V或者單片機(jī)完全運(yùn)行時(shí),在系統(tǒng)需求的電流 負(fù)載下,降壓型DC/DC的轉(zhuǎn)換效率要高于LDO,因此選用降壓型DC/DC進(jìn)行轉(zhuǎn)換;反之,則選 用LDO進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在第二級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,利用LDO降低模擬部分的供電電壓,節(jié)省了功耗。 系統(tǒng)的溫度和壓力補(bǔ)償模塊,采用間歇采樣模式,在采樣的間隙,利用SPDT(Single-Pole Double-Throw,單刀雙擲)從電壓上位端切斷恒流源供給,從而降低了系統(tǒng)功耗。通過(guò)上述 措施,使得系統(tǒng)的平均電流為460uA,符合電池供電的設(shè)計(jì)要求。 如圖2所示,渦街/旋進(jìn)旋渦流量傳感器,即壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)由放大 器U1A,電容C1、 C4、 C7、 Cll、 C12,電阻R1、 R8、 Rll組成的單運(yùn)放差動(dòng)電荷放大器放大,其 中,Cl 、 C12是反饋電容,決定了電荷放大器的放大倍數(shù)。圖1和其它圖中的偏置電壓Vref 由圖5所示的偏置電路提供。偏置電路由U1B,電阻R12、 R14,電容C13組成,提供1. 235V 直流電壓。 經(jīng)放大后的信號(hào)通過(guò)隔直電容C5,去除直流成分后,送至由放大器U2A,電阻R4、 R5、 R2、 R9,電容C6、 C2、 C9, 二極管D1 、 D2組成的限幅電壓放大器,如圖3所示。圖中,電阻
6R4、 R5和電容C6構(gòu)成了一級(jí)無(wú)源低通濾波。電阻R2為U2A反饋電阻,其與電阻R4、 R5之 和的比值即為放大電路的放大倍數(shù)。電容C2、電阻R2和運(yùn)放U2A又構(gòu)成了一級(jí)有源低通 濾波。電阻R9為平衡電阻,平衡運(yùn)放兩輸入端的失調(diào)電壓??紤]到渦街/旋進(jìn)旋渦流量傳 感器輸出信號(hào)的幅值與頻率成平方的關(guān)系,而渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)的頻率變化范圍較寬, 所以,信號(hào)幅值變化范圍很大。為了防止運(yùn)放輸出飽和,二極管D1、D2構(gòu)成雙向限幅,將信 號(hào)交流分量的幅值限制在其導(dǎo)通壓降以內(nèi)。經(jīng)限幅放大器后的信號(hào)送至低通濾波器和電壓 跟隨器,如圖3所示。低通濾波器由放大器U2B,電容C3、C8,電阻R3、R6、R7、R10組成。電 壓跟隨器由放大器U3A,電容C10構(gòu)成。低通濾波器采用多重反饋結(jié)構(gòu),主要是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu) 具有參數(shù)漂移靈敏度較小,并且實(shí)現(xiàn)的電路規(guī)模適中。電壓跟隨器的輸出分為2路,第l路 經(jīng)過(guò)分壓跟隨電路后,送至單片機(jī)的P6. 3/A3引腳,由單片機(jī)自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣 后進(jìn)行周期圖譜分析,如圖4和圖17所示。分壓跟隨電路由電阻R13、R15和放大器U3B構(gòu) 成,它將渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)幅值范圍壓縮至單片機(jī)的AD參考電壓以內(nèi)。第2路直接送至 帶通濾波器組進(jìn)行濾波,如圖6和圖7所示。 雖然渦街/旋進(jìn)旋渦流量傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)了如前所述的低通濾波器, 一些高頻信 號(hào)被濾除。但是,由于渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)頻率的變化范圍較寬,從0. 5Hz到3. 7KHz。在這 個(gè)頻帶范圍內(nèi),可能包含渦街/旋進(jìn)旋渦流量信號(hào)頻率、機(jī)械振動(dòng)頻率、流場(chǎng)擾動(dòng)噪聲頻率 和其它噪聲頻率。若將此信號(hào)直接進(jìn)行整形和計(jì)數(shù),由于各種噪聲的影響,很容易造成整形 電路的誤觸發(fā),使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一組模擬帶 通濾波器,包括一個(gè)低通濾波器和7個(gè)帶通濾波器,如圖6和圖7所示。其中,低通濾波器 由放大器U4A,電容C16、 C21,電阻R17、 R21、 R22、 R26,退耦電容C14構(gòu)成,為了保持每個(gè)通 道的信號(hào)相位相同,在低通濾波器之前添加了反向跟隨電路,由放大器U4B,電阻R16、 R20、 R27、 R89構(gòu)成。第1個(gè)帶通濾波器由放大器U4D,電容C26、 C27、 C28,電阻R31、 R38、 R41、 R90,放大器U4C,電容C23、C31,電阻R30、 R34、 R35、 R40構(gòu)成;第2個(gè)帶通濾波器由放大器 U5B,電容C36、C39、C40,電阻R45、R52、R55、R91,放大器U5A,電容C35、C43,電阻R44、R48、 R49、R54,退耦電容C33構(gòu)成;第3個(gè)帶通濾波器由放大器U5D,電容C46、C49、C50,電阻R59、 R66、 R69、 R92,放大器U5C,電容C45、 C53,電阻R58、 R62、 R63、 R68構(gòu)成;第4個(gè)帶通濾波器 由放大器U6D,電容C47、C51、C52,電阻R60、 R67、 R70、 R93,放大器U6C,電容C48、C54,電阻 R61、R64、R65、R71構(gòu)成;第5個(gè)帶通濾波器由放大器U6B,電容C37、C41、C42,電阻R46、R53、 R56、R94,放大器U6A,電容C38、C44,電阻R47、R50、R51、R57,退耦電容C34構(gòu)成;第6個(gè)帶 通濾波器由放大器U7D,電容C24、C29、C30,電阻R32、 R39、 R42、 R95,放大器U7C,電容C25、 C32,電阻R33、 R36、 R37、 R43構(gòu)成;第7個(gè)帶通濾波器由放大器U7B,電容C17、 C19、 C20,電 阻R18、 R25、 R28、 R96,放大器U7A,電容C18、 C22,電阻R19、 R23、 R24、 R29,退耦電容C15構(gòu) 成。這7個(gè)帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)相同、參數(shù)不同,從而通帶互不相同,但是相互連接,覆蓋 渦街流量計(jì)的頻帶范圍,并且相鄰?fù)◣чg有一定的重疊。由1個(gè)高通濾波器和1個(gè)低通濾 波器來(lái)實(shí)現(xiàn)1個(gè)帶通濾波器,這樣比單運(yùn)放帶通濾波器的幅頻特性好,即這樣形成的通帶 部分的幅頻恃性比較平坦,截止區(qū)域衰減得更快??紤]到整個(gè)渦街信號(hào)的頻率范圍在0. 5Hz 至3700Hz的范圍,若用一組帶通濾波器組去濾波,效果不佳,所以,針對(duì)不同情況設(shè)計(jì)了若 干組濾波器組,這樣既具有一定的通用性和互換性,又保證有較好的濾波效果。例如,針對(duì) 15mm至200mm 口徑的液體流量測(cè)量設(shè)計(jì)1組帶通濾波器組的參數(shù),其工作頻率覆蓋1Hz至500Hz ;針對(duì)25mm至150mm 口徑的氣體流量測(cè)量設(shè)計(jì)1組帶通濾波器的參數(shù),其工作頻率覆 蓋19Hz至2300Hz。具體選擇哪個(gè)濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)行整形和計(jì)數(shù),由單片機(jī)對(duì)渦街信 號(hào)進(jìn)行頻譜分析的結(jié)果來(lái)決定。即單片機(jī)對(duì)采集到的渦街/旋進(jìn)旋渦傳感器信號(hào)進(jìn)行周期 圖譜分析,確定渦街信號(hào)的范圍;據(jù)此,確定用哪個(gè)帶通濾波器濾波后的信號(hào)進(jìn)行整形和計(jì) 數(shù),這樣可以最大程度地消除各種噪聲對(duì)渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)的影響,避免誤觸發(fā),保證計(jì) 數(shù)的精度。 帶通濾波器組中8個(gè)濾波器,每個(gè)通道中的放大器分別由單片機(jī)的EN1至EN7使 能控制,即低通ENO使能低通濾波器中的放大器U4A, U4B ;EN1使能第1路帶通濾波器中的 放大器U4C、 U4D ;EN2使能第2路帶通濾波器中的放大器U5A、 U5B ;EN3使能第3路帶通濾 波器中的放大器U5C、 U5D ;EN4使能第4路帶通濾波器中的放大器U6C、 U6D ;EN5使能第5 路帶通濾波器中的放大器U6A、 U6B ;EN6使能第6路帶通濾波器中的放大器U7C、 U7D ;EN7 使能第7路帶通濾波器中的放大器U7A、 U7B。電阻R89、 R90、 R91、 R92、 R93、 R94、 R95、 R96 為下拉電阻。帶通濾波器每次根據(jù)單片機(jī)的頻譜分析結(jié)果選通其中某一路,其輸出信號(hào)代 表渦街流量信號(hào),且受干擾影響小??墒牵渌ǖ赖妮斎胄盘?hào)也分別通過(guò)反饋回路傳導(dǎo)至 濾波器輸出。本發(fā)明系統(tǒng)選用8選1多路開(kāi)關(guān)U14,如圖8所示。該器件的8個(gè)輸入端分 別與帶通濾波器組的8個(gè)通道相連,公共端及開(kāi)關(guān)輸出端3通過(guò)電阻R86與比較器U15的 輸入端3相連。圖8中,U14的3根控制線A、B、C分別與單片機(jī)的I/O 口 P8. 0、P7. 3、P7. 2 相連,如圖17所示。U14根據(jù)3路控制引腳的電平來(lái)選通相應(yīng)的通道,即根據(jù)單片機(jī)頻譜 分析的結(jié)果來(lái)選通相應(yīng)的通道,并且該通道與帶通濾波器組中選通的通道相吻合。被選通 信號(hào)是經(jīng)過(guò)濾波后的、含有最少噪聲的渦街信號(hào),送入比較器U15進(jìn)行整形,輸出規(guī)則的方 波,再送入單片機(jī)的P1.0,進(jìn)行計(jì)數(shù)。與普通的施密特觸發(fā)器相比,這里的比較器能夠調(diào)整 門檻電壓,波形要超過(guò)門檻值才能觸發(fā)脈沖,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 本發(fā)明系統(tǒng)采用TI公司的單片機(jī)MSP430F5418為處理核心,如圖17所示。選擇 這款單片機(jī)的原因是,要求本發(fā)明系統(tǒng)做到超低功耗,同時(shí),系統(tǒng)在信號(hào)處理時(shí)用到FFT運(yùn) 算,需要大容量的SRAM,但外擴(kuò)會(huì)大大增加系統(tǒng)的功耗,而MSP430F5418單片機(jī)具有16KB的 S廳。 MSP430F5418是MSP430系列中的高端產(chǎn)品,它除了具備超低功耗的邏輯運(yùn)算單元
以外,還集成了豐富的外圍模塊。它主要通過(guò)以下三種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗具有活動(dòng)模式
和6種低功耗模式,可根據(jù)不同需要進(jìn)行選擇,以達(dá)到功耗最低的目的;它還具有獨(dú)特的時(shí)
鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括基本時(shí)鐘(高速時(shí)鐘和低速時(shí)鐘)系統(tǒng)和DC(數(shù)字振蕩器)時(shí)鐘系統(tǒng);另
外,它采用矢量中斷,支持64個(gè)中斷源,用中斷請(qǐng)求喚醒CPU只需要5us。所以,通過(guò)合適的
硬件設(shè)計(jì)和合理的編程,既可以降低系統(tǒng)功耗,又可以對(duì)外部事件做出快速響應(yīng)。 MSP430F5418是16位單片機(jī),使用目前最流行的精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu),一個(gè)時(shí)
鐘周期可以執(zhí)行一條指令。同時(shí),MSP430F5418采用了一般只用DSP才有的32位硬件乘法
器、DMA等體系結(jié)構(gòu),大大增強(qiáng)了它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力,為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明系統(tǒng)中的數(shù)字信
號(hào)處理算法提供了保證。 MSP430F5418集成了十分豐富的片內(nèi)外設(shè),主要有以下功能模塊看門狗、定時(shí)器 A、定時(shí)器B、32位硬件乘法器、16輸入通道的12位ADC、直接存儲(chǔ)器存取(DMA)、4種通用串 行通訊接口 、端口 1 端口 8 (Pl P8)和基本定時(shí)器。雖然MSP430F5418沒(méi)有集成液晶驅(qū)
8動(dòng)模塊,但是,外加一片液晶驅(qū)動(dòng)模塊,同樣可以做到低功耗。 MSP430F5418單片機(jī)存儲(chǔ)器采用的是統(tǒng)一結(jié)構(gòu),即物理上完全分離的存儲(chǔ)區(qū)域如 FLASH、 RAM、外圍模塊、特殊功能寄存器SFR等,被安排在同一地址空間,這樣,就可以用一 組地址、數(shù)據(jù)總線、相同的指令對(duì)它們進(jìn)行字節(jié)或者字形式訪問(wèn)。這種組織方式和CPU采用 精簡(jiǎn)指令相互協(xié)調(diào),對(duì)外圍模塊的訪問(wèn)不需要單獨(dú)的指令,為軟件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試提供了便 利。 本發(fā)明系統(tǒng)采用了 2級(jí)電源轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)第1級(jí)電壓轉(zhuǎn)換,由電池得到系統(tǒng)數(shù)字部 分供電電源。第l級(jí)電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中,為了提高轉(zhuǎn)換效率,系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際電池電壓與單片機(jī) 的工作狀態(tài),實(shí)時(shí)切換降壓型DC/DC與LD0,DC/DC選通電路如圖9所示。其中,電壓檢測(cè)電 路包括U1,電阻R1、 R2、 R3和電容C3,當(dāng)電壓低于3. 3V時(shí),Ul的端口 3輸出低電平。RUN 信號(hào)表示單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),高電平表示單片機(jī)處于完全運(yùn)行狀態(tài),低電平表示單片機(jī)處 于休眠狀態(tài)。電壓檢測(cè)信號(hào)與單片機(jī)狀態(tài)信號(hào),作為U2的輸入,其端口 3輸出DC/DC的邏 輯控制電平,連接至降壓型DC/DC的端口 6,如圖IO所示。電阻R4為下拉電阻,電容C1、C2 為濾波電容。 系統(tǒng)中設(shè)置降壓型DC/DC的轉(zhuǎn)換輸出電壓略高于LD0的轉(zhuǎn)換輸出電壓,通過(guò)控制 降壓型DC/DC的轉(zhuǎn)換狀態(tài),即可同時(shí)控制降壓型DC/DC與LDO兩者的工作狀態(tài)。當(dāng)使能降壓 型DC/DC進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),LDO的輸出端電壓高于其內(nèi)部參考電壓,從而使得其內(nèi)部邏輯判斷單 元自動(dòng)切斷了電源轉(zhuǎn)換通道;當(dāng)未使能降壓型DC/DC進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),LDO轉(zhuǎn)換輸出電壓,并且 該電壓在降壓型DC/DC的輸出端未形成灌電流。圖10所示,即為第1級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路。降 壓型DC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊,包括U4,電容C11、C12、C4、C9、C10,電阻R6、R7、R9和電感L2,其 中,電容Cll、 C12為輸入濾波電容,電容C9、 C10為輸出濾波電容,電容C4可以很好地降低 輸出電壓紋波,電阻R7、R9的比值確定了降壓型DC/DC的輸出電壓。LDO電源轉(zhuǎn)換模塊,包 括U5,電容C16、C13、C14、C15和電阻RIO、 Rll,其中,電容C16為輸入濾波電容,電容C14、 C15為輸出濾波電容,電阻R10、R11的比值確定了 LDO的輸出電壓。 通過(guò)降低模擬部分的供電電壓,可以在一定范圍內(nèi)降低系統(tǒng)的功耗。因此,系統(tǒng)中 利用LDO進(jìn)行第2級(jí)電壓轉(zhuǎn)換,如圖11所示,該部分主要包括U3、電感L3、電容C8、C5、C6、 C7和電阻R5、R8。 如圖12所示,系統(tǒng)的掉電保護(hù)電路由U6,電阻R12、R14、R13和退耦電容C17組成, 其中,電阻R12、R14的比值確定了掉電保護(hù)的閾值電壓。 圖13所示為系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)使用的脈沖輸出電路。光耦U7兩側(cè)的電路均采用脈沖輸 出端24V電源,光耦的原邊電路由電容C18,電阻R16、 R20和三極管Q4組成。光耦的副邊 電路由電容C19,電阻R15、 R17、 R18、 R19、 R21、 R22,二極管Dl、 D2、 D3、 D4,三極管Ql、 Q2、 Q3和撥碼開(kāi)關(guān)Sl組成,其中,二極管Dl用于防止電源反接;二極管D2用于防止電源過(guò)壓 并且濾除電源電壓過(guò)沖;撥碼開(kāi)關(guān)S1用于選通電阻R21或者R22,從而改變輸出脈沖的幅 值;三極管Q1和Q3組成達(dá)林頓管結(jié)構(gòu),增大了基射極之間的電流放大倍數(shù)。當(dāng)脈沖輸入信 號(hào)Pulseln為高電平時(shí),脈沖輸出為低電平;當(dāng)輸入信號(hào)Pulseln為低電平時(shí),脈沖輸出為 高電平。通過(guò)調(diào)整脈沖輸入信號(hào)Pulseln的頻率,即可調(diào)整輸出脈沖的頻率。
如圖14所示,溫度和壓力補(bǔ)償電路由低阻抗SPDT芯片UIO, 2. 5V基準(zhǔn)電源Ul 1 ,運(yùn) 算放大器U8B,電阻R88、 R73、 R74、 R77、 R75、 R80,電容C67、 C56、 C63、 C59、 C60、 C62和溫度和壓力補(bǔ)償接口 U12組成。U10由單片機(jī)的P5. 7端口輸出信號(hào)Temp—EN選通相應(yīng)端口,如 圖14和圖17所示,電阻R88為下拉電阻,當(dāng)Temp—EN為高電平時(shí),選通U10的NO與COM端 口,即接通恒流源;當(dāng)Temp—EN為低電平是,選通U10的NC和COM端口 ,即斷開(kāi)恒流源。電 阻R74與R77的比值確定了運(yùn)算放大器U8B的正相輸入端電壓,電阻R80確定了恒流源的 電流強(qiáng)度。電容C63用于濾除運(yùn)算放大器U8B兩輸入端的差模干擾。電容C59和電阻R75 用于補(bǔ)償和隔離運(yùn)算放大器U8B的輸出電容負(fù)載。電容C60、C62為濾波電容。溫度傳感 器兩端Temp+和Temp-接至16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的輸入端。壓力傳感器輸出信號(hào)Press+ 和Press-,先經(jīng)過(guò)一級(jí)由運(yùn)算放大器U9A、U9B,電阻R72、 R76、 R78、 R79、 R82、 R83、 R85,電容 C57、C64、C61、C65,退耦電容C55組成的差分放大器放大,如圖15所示,然后,接至16位模 數(shù)轉(zhuǎn)換器U13的輸入端,如圖16所示。U13為16位ADC,將溫度傳感器和壓力傳感器輸出 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過(guò)I2C總線送至單片機(jī),為流量信號(hào)的溫度和壓力補(bǔ)償提 供信息。 本發(fā)明系統(tǒng)的人機(jī)接口電路由鍵盤電路和LCD顯示電路組成,如圖18和圖19所 示。鍵盤采用簡(jiǎn)單的非編碼鍵盤設(shè)計(jì),共安排了四鍵設(shè)定、移位、遞增和確認(rèn),如圖18所 示。鍵值通過(guò)單片機(jī)的GPIO 口中的P2 口觸發(fā)捕獲中斷,四鍵分別占用P2.4, P2.3, P2.2, P2. 1。當(dāng)有鍵按下時(shí)相應(yīng)的口線跳變?yōu)楦唠娖?。本發(fā)明系統(tǒng)的LCD電路如圖19所示。選 用定制的液晶顯示器,專用于流量、溫度、壓力等儀表,可雙排顯示14位8段式字符,并具有 字母提示符顯示。 圖20所示為外部看門狗電路,由外擴(kuò)看門狗芯片Ul,復(fù)位按鍵Sl,退耦電容C3和 電阻R1、R2、R3組成。電阻R2、R3的比值確定了系統(tǒng)低電平報(bào)警的電壓閾值。Ul的端口7 連接至單片機(jī)的RST引腳,端口 6連接至單片機(jī)的Pl. 7,端口 5連接至單片機(jī)的P2. 0,如圖 17所示。 圖21所示為外擴(kuò)FRAM電路,包括FRAM芯片U4和退耦電容Cll、 C12。 U4與單片 機(jī)采用SPI通訊協(xié)議,U4的端口 1、2、5、6分別連接至單片機(jī)的P3. 3、 P3. 5、 P3. 4、 P3. O,如 圖21和圖17所示。 圖22所示為系統(tǒng)軟件總體框圖,系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法,由主監(jiān)控程序模 塊、保護(hù)模塊、中斷模塊、初始化模塊、頻率估算模塊、帶通濾波器選擇模塊、流量計(jì)算模塊、 溫度壓力補(bǔ)償模塊和人機(jī)接口模塊組成。 圖22中的主監(jiān)控程序模塊是整個(gè)系統(tǒng)軟件的總調(diào)度程序,通過(guò)調(diào)用各個(gè)程序模 塊,實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所要求的功能。圖23為系統(tǒng)的主監(jiān)控程序流程圖,它是一個(gè)循環(huán)程序,系 統(tǒng)上電以后,主監(jiān)控程序自動(dòng)運(yùn)行,整個(gè)程序?qū)丛O(shè)定的方式,對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行相應(yīng)處 理。其基本過(guò)程為系統(tǒng)上電,立即對(duì)單片機(jī)各功能模塊以及人機(jī)接口變量進(jìn)行初始化;然 后系統(tǒng)第一次進(jìn)行FFT計(jì)算,選擇相應(yīng)的帶通濾波器通道;接著設(shè)置單片機(jī)進(jìn)入低功耗模 式,休眠3秒;然后進(jìn)入正常工作模式,發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào),計(jì)算脈沖頻率,如果溫度和壓力補(bǔ) 償時(shí)間到,則進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,否則,計(jì)算累積流量;然后,判斷頻率是否突變,如果脈 沖頻率跳出當(dāng)前濾波器頻率上下限,設(shè)置頻率突變標(biāo)志,根據(jù)此標(biāo)志重新進(jìn)行FFT計(jì)算;然 后,刷新LCD,判斷30秒定時(shí)是否到,由此判斷下一次循環(huán)是否進(jìn)行FFT計(jì)算。
本發(fā)明系統(tǒng)使用了 MSP430F5418單片機(jī)的LPM3低功耗模式,通過(guò)設(shè)置單片機(jī)周 期性地進(jìn)入休眠模式,每次休眠3秒,從而降低系統(tǒng)功耗;又因?yàn)橛?jì)算FFT時(shí)單片機(jī)功耗最大,考慮到FFT計(jì)算只是對(duì)流量信號(hào)的頻率估算,并不需要一直計(jì)算,因此本發(fā)明系統(tǒng)不是 每次循環(huán)都進(jìn)行FFT計(jì)算,而是設(shè)定30s計(jì)算一次,即每循環(huán)10次,才進(jìn)行一次FFT運(yùn)算。 如圖23所示,系統(tǒng)上電初始化以后,立即進(jìn)行第一次FFT計(jì)算,選擇相應(yīng)的帶通濾波器,然 后設(shè)置單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式,定時(shí)3秒以后,單片機(jī)退出低功耗模式,重新回到正常工作 模式,繼續(xù)執(zhí)行以下程序,一次循環(huán)結(jié)束以后,通過(guò)判斷是否休眠了 10次,如果休眠次數(shù)沒(méi) 有達(dá)到IO次,那么單片機(jī)不計(jì)算FFT,直接進(jìn)入低功耗模式,如果休眠達(dá)到了 IO次,設(shè)置標(biāo) 志,單片機(jī)進(jìn)行FFT計(jì)算,重新選擇帶通濾波器。 本發(fā)明系統(tǒng)中,使用了多周期等精度的方法計(jì)算脈沖頻率,從而保證了計(jì)算的精 度。為實(shí)現(xiàn)多周期等精度測(cè)量,我們?cè)O(shè)置定時(shí)器AO為渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)器,設(shè) 置定時(shí)器B為填充脈沖計(jì)數(shù)器,在進(jìn)行脈沖頻率計(jì)算之前,讓定時(shí)器AO的P麗輸出單元發(fā) 出上升沿,定時(shí)器AO和定時(shí)器B分別捕獲當(dāng)前脈沖計(jì)數(shù)值和填充脈沖計(jì)數(shù)值,根據(jù)相鄰兩 次這兩個(gè)定時(shí)器捕獲的計(jì)數(shù)差值計(jì)算出渦街/旋進(jìn)旋渦流量信號(hào)的脈沖頻率。如圖24所 示,定時(shí)器AO的時(shí)鐘由外部提供,S卩外部每來(lái)一個(gè)脈沖,定時(shí)器AO的計(jì)數(shù)值將增加l,因此 定時(shí)器AO對(duì)流量信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù);定時(shí)器B的時(shí)鐘是由單片機(jī)低頻晶振(32768HZ)提 供,作為填充脈沖計(jì)數(shù)器。每次由定時(shí)器AO的P麗輸出單元發(fā)出上升沿,觸發(fā)定時(shí)器AO和 定時(shí)器B將各自的計(jì)數(shù)值捕獲,由此計(jì)算出定時(shí)器AO相鄰兩次捕獲差值Nx,及定時(shí)器B相 鄰兩次捕獲差值Ns,則 尸 <formula>formula see original document page 11</formula>
式中,F(xiàn)s為填充脈沖頻率,Ns為填充脈沖差值,Nx為流量信號(hào)脈沖差值。 圖23中,當(dāng)發(fā)觸發(fā)捕獲脈沖以后,設(shè)置一段延時(shí)(延時(shí)時(shí)間根據(jù)流量的下限來(lái)決
定),由于采用的多周期等精度測(cè)量,發(fā)觸發(fā)捕獲脈沖以后,只有等到下一個(gè)流量信號(hào)脈沖
到來(lái)時(shí),才能捕獲到脈沖值,所以設(shè)定延時(shí)后,確保計(jì)算脈沖時(shí)已經(jīng)捕獲到了數(shù)據(jù),保證脈
沖計(jì)算的可靠性。 圖25為本發(fā)明系統(tǒng)的頻率估算流程圖。對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,計(jì)算頻率值,根據(jù)此頻 率值選擇帶通濾波器。本發(fā)明系統(tǒng)采用少點(diǎn)數(shù)實(shí)數(shù)FFT估計(jì)渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)的頻率。 首先對(duì)采樣得到的信號(hào)判斷其大小,如果采樣所得序列幅值太小,則對(duì)其進(jìn)行放大,以提高 FFT運(yùn)算精度;接著,對(duì)序列進(jìn)行零均值處理,消除直流分量;然后,對(duì)序列進(jìn)行FFT運(yùn)算,計(jì)
算出頻率。 為了克服單片機(jī)的運(yùn)算速度不夠快和內(nèi)存資源有限的問(wèn)題,采取了以下的技術(shù)措 施,在單片機(jī)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了實(shí)數(shù)FFT運(yùn)算,并保證了算法的精度(l)采用匯編語(yǔ)言編制實(shí) 數(shù)FFT程序,對(duì)采樣所得的序列進(jìn)行奇偶分列,將奇、偶序列分別放入FFT計(jì)算的實(shí)部和虛 部數(shù)組中,然后進(jìn)行普通FFT計(jì)算,計(jì)算完成后,再將所得結(jié)果轉(zhuǎn)換成實(shí)際點(diǎn)數(shù)的FFT的結(jié) 果,通過(guò)此方法可節(jié)省一半的內(nèi)存空間,提高了運(yùn)算速度;(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用Q13定點(diǎn)數(shù)表 示,即用16位來(lái)表示1個(gè)數(shù)據(jù),最高位(左邊的第一位)是符號(hào)位,剩下的15位表示數(shù)據(jù)的 大小,其中,高2位(左邊的第二位和第三位)用來(lái)表示數(shù)據(jù)中的整數(shù)部分,在計(jì)算中作為 保護(hù)位,最低13位(右邊的13位)表示數(shù)據(jù)中的小數(shù)部分,采樣來(lái)的數(shù)據(jù)先放在低12位, 然后,左移l位,這樣可以減少內(nèi)存占用量;(3)采用定點(diǎn)數(shù)計(jì)算,即在乘法和加法計(jì)算過(guò) 程中使用的數(shù)據(jù)其小數(shù)點(diǎn)都是固定的,以提高計(jì)算速度;(4)在FFT運(yùn)算過(guò)程中,每經(jīng)過(guò)一級(jí)碟形因子的計(jì)算,其結(jié)果最大可能會(huì)擴(kuò)大3倍,隨著計(jì)算級(jí)數(shù)的增加,用Q13格式表示的 數(shù)據(jù)肯定會(huì)發(fā)生溢出,所以,在計(jì)算過(guò)程中必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行移位(右移),以防止數(shù)據(jù)的溢 出,但是,在實(shí)際計(jì)算中,并非每級(jí)計(jì)算的結(jié)果都會(huì)溢出,若此時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行移位,就會(huì)降低 FFT計(jì)算結(jié)果的精度,因?yàn)橐莆皇箶?shù)據(jù)變小,即減少了小數(shù)部分的有效位,為此,先判斷這一 級(jí)計(jì)算結(jié)果是否大于1,當(dāng)大于1時(shí),才移位,小于1就不移位。由FFT運(yùn)算結(jié)果計(jì)算出信 號(hào)的功率譜,按照能量占優(yōu)原則,根據(jù)最大功率譜峰值,估計(jì)出渦街流量信號(hào)的頻率;最后, 利用重心校正法進(jìn)行頻譜校正,提高渦街/旋進(jìn)旋渦流量信號(hào)頻率測(cè)量的精度。根據(jù)渦街 /旋進(jìn)旋渦流量信號(hào)的頻率,由單片機(jī)控制多路選擇電路,選擇對(duì)應(yīng)于當(dāng)前渦街/旋進(jìn)旋渦 流量信號(hào)頻率的帶通濾波器,將此帶通濾波器與后面的整形電路相連。
圖26是本發(fā)明系統(tǒng)的帶通濾波器選擇流程圖。設(shè)計(jì)的8個(gè)帶通濾波器的通頻帶覆 蓋了渦街/旋進(jìn)旋渦流量信號(hào)的整個(gè)頻率范圍。為了保證無(wú)縫切換,相鄰濾波器的通帶之 間有重疊部分;同時(shí),當(dāng)渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)頻率處于相鄰?fù)◣н吘墪r(shí),容易引起帶通濾波 器的頻繁切換,為避免頻繁地變換帶通濾波器,帶通濾波器選擇的處理方法如圖26所示, 當(dāng)頻率超出上次選擇的帶通濾波器的頻率范圍時(shí),就找出覆蓋該頻率的所有帶通濾波器, 然后選出最合適的濾波器;如果沒(méi)有超過(guò)當(dāng)前帶通濾波器頻帶范圍,則不進(jìn)行切換。具體 選擇過(guò)程為當(dāng)頻率沒(méi)有超過(guò)當(dāng)前濾波器通帶的上下限時(shí),就仍然選擇當(dāng)前的濾波器;當(dāng) 頻率正好落在兩個(gè)濾波器通帶的交叉帶中時(shí),將依據(jù)這兩個(gè)濾波器通帶的交叉點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選 擇,即把這兩個(gè)濾波器幅頻特性的相交點(diǎn)作為一個(gè)分界線當(dāng)頻率低于交叉點(diǎn)時(shí),就選擇低 通帶的濾波器,高于交叉點(diǎn)就選擇高通帶的濾波器。 圖27是流量計(jì)算流程圖。流量計(jì)算模塊是將脈沖頻率計(jì)算的結(jié)果,經(jīng)過(guò)處理后, 計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量。根據(jù)頻率計(jì)算結(jié)果,首先判斷是不是系統(tǒng)上電以后的第一次 流量計(jì)算, 一般第一次流量計(jì)算值不太準(zhǔn)確,所以,如果是第一次計(jì)算,就設(shè)置計(jì)算出來(lái)的 頻率為O,并將該頻率存入隊(duì)列;若不是,接著判斷脈沖頻率是不是小于設(shè)置的截止頻率, 若是,就設(shè)置頻率為O,將該頻率存入隊(duì)列;接著判斷計(jì)算出來(lái)的頻率是否在當(dāng)前濾波通帶 的范圍之內(nèi),如果在,將該頻率存入隊(duì)列,如果不在,就將整個(gè)存放頻率的隊(duì)列清零,保存剛 才連續(xù)兩次計(jì)算出來(lái)的頻率結(jié)果;接著判斷計(jì)算出來(lái)的頻率是否連續(xù)兩次超出設(shè)定的頻率 波動(dòng)范圍,若是,就將整個(gè)存放頻率的隊(duì)列清零,保存剛才連續(xù)兩次計(jì)算出來(lái)的頻率結(jié)果; 接著對(duì)保存在隊(duì)列中的頻率進(jìn)行排序,找出非零頻率的個(gè)數(shù),接著判斷非零頻率的個(gè)數(shù)是 不是超過(guò)5,若是,就直接平均隊(duì)列中的非零頻率,計(jì)算出渦街/旋進(jìn)旋渦流量信號(hào)的頻率; 若不是,就找出隊(duì)列中非零頻率中的最大值,次大值,最小值,次小值,然后將非零頻率中的 這4個(gè)值去除,將余下的非零頻率進(jìn)行平均,計(jì)算得出渦街流量信號(hào)的頻率;接著選擇儀表 系數(shù),計(jì)算瞬時(shí)流量;接著判斷溫度壓力補(bǔ)償時(shí)間是否到,若到了,則對(duì)計(jì)算出的瞬時(shí)流量 進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,然后計(jì)算累計(jì)流量,若沒(méi)有到,直接計(jì)算累計(jì)流量??紤]到溫度、壓力 隨時(shí)間的變化比較緩慢,所以本發(fā)明系統(tǒng)并不是每次循環(huán)都進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,而是定 時(shí)進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。 圖28是按鍵掃描流程圖。本發(fā)明系統(tǒng)中,單片機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài),所以使用 具有中斷功能的10 口作為按鍵端口,保證單片機(jī)即使在休眠狀態(tài)下,也能響應(yīng)按鍵操作。 通過(guò)定時(shí)器記錄按鍵按下的時(shí)間來(lái)判斷按鍵是屬于長(zhǎng)按還是短按操作。具體過(guò)程為當(dāng)按 鍵按下時(shí),發(fā)出上升沿,記錄此時(shí)定時(shí)器B的值,當(dāng)按鍵松開(kāi)時(shí),發(fā)出下降沿,再記錄此時(shí)定時(shí)器B的值,然后計(jì)算這兩次差值,得出按鍵按下的時(shí)間,判斷是長(zhǎng)按還是短按操作,然后 執(zhí)行相應(yīng)的長(zhǎng)按或短按的子程序。
權(quán)利要求
一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì)包括壓電傳感器、單運(yùn)放差動(dòng)電荷放大器、電壓放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選擇開(kāi)關(guān)電路、整形電路、單片機(jī)、人機(jī)接口電路、兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路、可控恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器和16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器;其特征在于從壓電傳感器輸出的微弱電荷信號(hào),首先經(jīng)過(guò)電荷放大器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),在經(jīng)過(guò)一級(jí)無(wú)源低通濾波后,又經(jīng)過(guò)一級(jí)限幅電壓放大器;放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器,濾除信號(hào)中的高頻干擾,然后由電壓跟隨器輸出2路信號(hào);第1路信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓、跟隨電路后,被單片機(jī)自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣和轉(zhuǎn)換,變成數(shù)字量;單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行少點(diǎn)數(shù)的快速傅里葉變換(FFT),做周期圖譜分析,得到信號(hào)的頻率值,來(lái)選擇帶通濾波器組的通道,使能相應(yīng)通道的運(yùn)算放大器;第2路信號(hào)送至帶通濾波器組,進(jìn)行濾波;由單片機(jī)的頻譜分析結(jié)果來(lái)決定輸出某路濾波后的信號(hào);把經(jīng)過(guò)帶通濾波器組的輸出信號(hào)送至由比較器組成的整形電路進(jìn)行整形,整形后的信號(hào)送至單片機(jī)的定時(shí)器輸入端,采用捕獲方式,利用多周期等精度方法進(jìn)行頻率計(jì)數(shù);根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果,單片機(jī)將流量信息顯示在液晶顯示器(LCD)上。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其特征在于系 統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)為兩級(jí)轉(zhuǎn)換,在第一級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,依據(jù)降壓型直流-直流變換器(DC/DC)與 低壓線性穩(wěn)壓器(LD0)在不同情況下轉(zhuǎn)換效率各有優(yōu)劣,設(shè)計(jì)邏輯判斷選擇電路;當(dāng)電源 電壓高于3. 3V或者單片機(jī)完全運(yùn)行時(shí),降壓型DC/DC的轉(zhuǎn)換效率要高于LD0,選用降壓型 DC/DC進(jìn)行轉(zhuǎn)換;反之,則選用LD0進(jìn)行轉(zhuǎn)換;在第二級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,利用LDO降低模擬部分 的供電電壓,節(jié)省功耗。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其特征在于使 用MSP430F5418單片機(jī)的LPM3低功耗模式,通過(guò)設(shè)置單片機(jī)周期性地進(jìn)入休眠模式,每次 休眠3秒,從而降低系統(tǒng)功耗;因?yàn)橛?jì)算FFT時(shí)單片機(jī)功耗最大,考慮到FFT計(jì)算只是對(duì)流 量信號(hào)的頻率估算,并不需要一直計(jì)算,因此不是每次循環(huán)都進(jìn)行FFT計(jì)算,而是30s計(jì)算 一次;具體過(guò)程是,系統(tǒng)上電初始化以后,立即進(jìn)行第一次FFT計(jì)算,選擇相應(yīng)的帶通濾波 器,然后設(shè)置單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式,定時(shí)3秒以后,單片機(jī)退出低功耗模式,重新回到正 常工作模式,繼續(xù)執(zhí)行以下程序,一次循環(huán)結(jié)束以后,通過(guò)判斷是否休眠了 io次,如果休眠 次數(shù)沒(méi)有達(dá)到IO次,那么單片機(jī)不進(jìn)行FFT計(jì)算,直接進(jìn)入低功耗模式,如果休眠達(dá)到了 10 次,設(shè)置標(biāo)志,單片機(jī)進(jìn)行FFT計(jì)算,重新選擇帶通濾波器。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其特征在于考 慮到溫度、壓力隨時(shí)間的變化比較緩慢,并不是每次循環(huán)都進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,而是定時(shí) 進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償,即系統(tǒng)的溫度和壓力補(bǔ)償模塊,采用間歇采樣模式,在采樣的間隙, 利用單刀雙擲開(kāi)關(guān)(SPDT)從電壓上位端切斷恒流源供給,從而降低系統(tǒng)功耗。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其特征在于一 組硬件帶通濾波器的通帶覆蓋了渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)的頻帶,根據(jù)頻譜分析結(jié)果來(lái)選擇具 體的帶通濾波器,進(jìn)行最佳濾波;未選通的帶通濾波器中的運(yùn)算放大器處于未使能狀態(tài),降 低系統(tǒng)的功耗;由1個(gè)高通濾波器和1個(gè)低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)1個(gè)帶通濾波器,其通帶部分的 幅頻特性比較平坦,截止區(qū)域衰減得更快;為了保證無(wú)縫切換和避免帶通濾波器的頻繁切 換,相鄰濾波器通帶之間有重疊部分;當(dāng)頻率沒(méi)有超過(guò)當(dāng)前濾波器通帶的上下限時(shí),就仍然 選擇當(dāng)前的濾波器;當(dāng)頻率正好落在兩個(gè)濾波器通帶的交叉帶中時(shí),將依據(jù)這兩個(gè)濾波器通帶的交叉點(diǎn)來(lái)進(jìn)行選擇,當(dāng)頻率低于交叉點(diǎn)時(shí),就選擇低通帶的濾波器,高于交叉點(diǎn)就選 擇高通帶的濾波器。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其特征在于為了克服單片機(jī)的運(yùn)算速度不夠快和內(nèi)存資源有限的問(wèn)題,采用匯編語(yǔ)言編制實(shí)數(shù)FFT程 序,對(duì)采樣所得的序列進(jìn)行奇偶分列,將奇、偶序列分別放入FFT計(jì)算的實(shí)部和虛部數(shù)組 中,然后進(jìn)行普通FFT計(jì)算,計(jì)算完成后,再將所得結(jié)果轉(zhuǎn)換成實(shí)際點(diǎn)數(shù)的FFT的結(jié)果;數(shù)據(jù) 統(tǒng)一使用Q13定點(diǎn)數(shù)表示,即用16位來(lái)表示1個(gè)數(shù)據(jù),最高位是符號(hào)位,剩下的15位表示數(shù) 據(jù)的大小,其中,高2位用來(lái)表示數(shù)據(jù)中的整數(shù)部分,在計(jì)算中作為保護(hù)位,最低13位表示 數(shù)據(jù)中的小數(shù)部分,采樣來(lái)的數(shù)據(jù)先放在低12位,然后,左移1位,以減少內(nèi)存占用量;采用 定點(diǎn)數(shù)計(jì)算,在乘法和加法計(jì)算過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)其小數(shù)點(diǎn)都是固定的,以提高計(jì)算速度; 在FFT運(yùn)算過(guò)程中,每經(jīng)過(guò)一級(jí)碟形因子的計(jì)算,其結(jié)果最大可能會(huì)擴(kuò)大3倍,隨著計(jì)算級(jí) 數(shù)的增加,用Q13格式表示的數(shù)據(jù)肯定會(huì)發(fā)生溢出,所以,在計(jì)算過(guò)程中必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行右 移,以防止數(shù)據(jù)的溢出,但是,在實(shí)際計(jì)算中,并非每級(jí)計(jì)算的結(jié)果都會(huì)溢出,若此時(shí)對(duì)結(jié)果 進(jìn)行移位,就會(huì)降低FFT計(jì)算結(jié)果的精度,為此,先判斷這一級(jí)計(jì)算結(jié)果是否大于1,當(dāng)大于 1時(shí),才移位,小于1就不移位。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其特征在于流 量計(jì)算模塊根據(jù)脈沖頻率計(jì)算的結(jié)果,首先判斷是不是系統(tǒng)上電以后的第一次流量計(jì)算, 一般第一次流量計(jì)算值不太準(zhǔn)確,所以,如果是第一次計(jì)算,就設(shè)置計(jì)算出來(lái)的頻率為0,并將該頻率存入隊(duì)列;若不是,接著判斷脈沖頻率是不是小于設(shè)置的截止頻率,若是,就設(shè)置 頻率為O,將該頻率存入隊(duì)列;接著判斷計(jì)算出來(lái)的頻率是否在當(dāng)前濾波通帶的范圍之內(nèi), 如果在,將該頻率存入隊(duì)列,如果不在,就將整個(gè)存放頻率的隊(duì)列清零,保存剛才連續(xù)兩次 計(jì)算出來(lái)的頻率結(jié)果;接著判斷計(jì)算出來(lái)的頻率是否連續(xù)兩次超出設(shè)定的頻率波動(dòng)范圍, 若是,就將整個(gè)存放頻率的隊(duì)列清零,保存剛才連續(xù)兩次計(jì)算出來(lái)的頻率結(jié)果;接著對(duì)保存 在隊(duì)列中的頻率進(jìn)行排序,找出非零頻率的個(gè)數(shù),接著判斷非零頻率的個(gè)數(shù)是不是超過(guò)5, 若是,就直接平均隊(duì)列中的非零頻率,計(jì)算出渦街/旋進(jìn)旋渦流量信號(hào)的頻率;若不是,就 找出隊(duì)列中非零頻率中的最大值,次大值,最小值,次小值,然后將非零頻率中的這4個(gè)值 去除,將余下的非零頻率進(jìn)行平均,計(jì)算得出渦街流量信號(hào)的頻率;接著選擇儀表系數(shù),計(jì) 算瞬時(shí)流量;接著判斷溫度壓力補(bǔ)償時(shí)間是否到,若到了,則對(duì)計(jì)算出的瞬時(shí)流量進(jìn)行溫度 和壓力補(bǔ)償,然后計(jì)算累計(jì)流量,若沒(méi)有到,直接計(jì)算累計(jì)流量。
全文摘要
一種電池供電的數(shù)字渦街/旋進(jìn)旋渦流量計(jì),包括壓電傳感器、單運(yùn)放差動(dòng)電荷放大器、電壓放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選擇開(kāi)關(guān)電路、整形電路、單片機(jī)、人機(jī)接口電路、兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路、可控恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器和16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)為兩級(jí)轉(zhuǎn)換。采用低功耗單片機(jī)進(jìn)行少點(diǎn)數(shù)快速傅立葉變換,實(shí)現(xiàn)周期圖譜分析,確定渦街/旋進(jìn)旋渦信號(hào)的頻率值;設(shè)計(jì)一組硬件帶通濾波器,根據(jù)頻譜分析結(jié)果來(lái)選擇具體的帶通濾波器,進(jìn)行最佳濾波;未選通的帶通濾波器中的運(yùn)算放大器處于未使能狀態(tài)。溫度和壓力補(bǔ)償,設(shè)置為間歇采樣模式。在采樣的間隙,利用單刀雙擲開(kāi)關(guān)切斷恒流源的上位端電壓供給。
文檔編號(hào)G01F1/32GK101782407SQ20101011221
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
發(fā)明者徐科軍, 方敏, 王沁 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)
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