MSP430F449在新型流量計中的應用

　　摘要：電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的一種測量導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部勵磁線圈所產生的磁場情況，進一步影響傳感器輸出的感應電動勢信號和儀表的測量準確度。文在總結現有勵磁方法及前人的工作的基礎上，提出了三值梯形波勵磁方式。這種勵磁方式采用正—零—負三極性規律的梯形波作為勵磁電壓波形
　　
　　1、引言
　　
　　電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的一種測量導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部勵磁線圈所產生的磁場情況，進一步影響傳感器輸出的感應電動勢信號和儀表的測量準確度。本文在總結現有勵磁方法及前人的工作的基礎上，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電動勢產生的微分干擾，有利于儀表零點穩定性和測量準確度的提高。
　　
　　2、電磁流量計硬件系統設計
　　
　　基于三值梯形波勵磁的電磁流量計硬件系統主要由勵磁電路、信號處理電路和單片機系統三部分組成。其總體結構圖如圖1所示。　　　　
　　2.1勵磁電路
　　
　　勵磁電路由梯形波勵磁信號產生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。梯形波勵磁信號產生部分采用16位D/A轉換芯片DAC7731通過電平轉換芯片SN74AHC245與MSP430F449單片機的USART通信模塊相連的方式產生勵磁信號。DAC7731輸出量程為-5V~+5V，內部參考電壓10V，USART為4線SPI主機模式。此勵磁信號產生電路，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定律的具體應用。導電流體在磁場中流動切割磁力線，產生感應電動勢。此感應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流速對應為0.1mv感應電動勢，且此信號內阻高，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電動勢信號。
　　
　　根據感應電動勢信號的特點，信號處理電路是測量系統中的關鍵部分，它是傳感器和單片機之間的橋梁，作用是將傳感器的感應電動勢信號（微伏至毫伏級的梯形波勵磁信號）經過放大、濾波、相乘等處理，轉變為A/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。
　　　　
　　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，因此必須經過電平提升電路而將信號轉換為單極性信號。電平提升電路包括兩部分，*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zui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
　　
　　本測量系統采用TI公司的MPS430F449單片機作為電磁流量計CPU，與晶振輸入模塊、復位電路、顯示模塊和鍵盤模塊共同構成單片機系統。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位精簡指令結構，內含12位快速A/D，60K字節FLASHROM，2K字節RAM，片內資源豐富，有ADC、PWM、若干TIMER、串行口、看門狗定時器等。單片機系統的復位電路使用的是將引腳電壓拉低到GND，然后釋放，從而引起系統復位的方法。系統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、系統軟件設計
　　
　　系統軟件由主程序、鍵盤菜單處理、定時器中斷、梯形波勵磁信號產生、A/D采樣、LCD顯示等部分組成。系統程序流程圖如圖3所示。　　
　　從流程圖中可以看出，系統軟件是通過對連續等間隔采集來的1000個點求平均值來達到濾波目的的，即得到直流分量。這1000個點采到的數據都保存在一個數組當中，每采到一個新的點，就在這個數組當中對zui老的點進行替換，數組中保存的都是的采樣點，而對于這些點的求和則采用逐點法求得，即除了zui開始采集的1000個數據需要做一次求和以外，后面只要把這個和減去zui早的點的數據再加上的點的數據就可得到當前的的1000個數據之和（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據更加穩定，不會因為偶爾的誤差或者波動出現顯示的跳變。對經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、試驗結果及結論
　　
　　試驗所用傳感器的內徑為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zui大幅值為±8V。
　　
　　由于儀表的零點穩定性主要反應于小流速（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定性方面效果明顯。
　　
　　5、結束語
　　
　　本系統通過軟硬件協同設計，實現了用戶通過鍵盤設置改變勵磁頻率、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速度。相比現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用價值和經濟效益。
　　
　　本文作者創新點：提出了三值梯形波勵磁方式下的新型的信號處理方法。