專利名稱：低功耗兩線制渦街流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量檢測領(lǐng)域，為一種低功耗兩線制渦街流量計，特別是一種以單片機(MCU)為核心、周期圖譜分析與硬件帶通濾波器組相結(jié)合的低功耗、兩線制渦街流量計信號處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
渦街流量計具有測量介質(zhì)種類多的特點，在流體流量測量領(lǐng)域應(yīng)用廣 泛。但是，常規(guī)的信號處理方法，即放大、整形、濾波和計數(shù)不能有效地 測量小流量、量程比受限和不能保證現(xiàn)場測量精度。同時， 一些應(yīng)用場合 需要輸出4 20mA直流電流的低功耗、兩線制儀表，即從電的角度看，儀 表與外部的連接只有兩根線，電源線和信號線是復(fù)用的，由24V(或者12V) 直流電源供電，直流電源與取樣(負載)電阻相串連。4mA表示儀表輸出的 最小值，20mA表示儀表輸出的最大值，所以，儀表本身的工作電流必須小 于4mA，才能保證低功耗。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可以有效測量小流量以擴展量程 比、保證測量精度、輸出為4 20mA直流電流、工作電流小于4mA的低功 耗兩線制渦街流量計。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是低功耗兩線制渦街流量計，包括壓電傳 感器、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、
峰值檢測電路、帶通濾波器組、多路開關(guān)選通電路、整形電路、單片機、人機接口電路和4 20mA輸出與電源管理電路。壓電傳感器輸出的電荷信號經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺俳?jīng)過 電壓放大器、程控放大器、低通濾波器后分為3路，第1路信號經(jīng)電壓跟 隨器送至單片機的ADC輸入端，被單片機自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù) 字量，單片機對信號進行少點數(shù)快速傅立葉變換(FFT)，做周期圖譜分析， 得到信號的頻率值，來選擇帶通濾波器組的通道，進行濾波；第2路信號 送至峰值檢測電路，峰值檢測電路檢測信號的峰值并送至單片機的ADC輸 入端，單片機對信號的峰值進行采樣和轉(zhuǎn)換，并調(diào)整程控放大器的放大倍 數(shù)；第3路信號經(jīng)過電壓跟隨器，送至帶通濾波器組進行濾波，由單片機 的頻譜分析結(jié)果來決定對某路濾波信號進行整形，整形后的信號送至單片 機的定時器輸入端，進行計數(shù)，單片機根據(jù)計數(shù)結(jié)果，將流量信息顯示在 LCD上，并通過自身的DAC轉(zhuǎn)換，送至4 20mA輸出與電源管理電路經(jīng)過 V/I轉(zhuǎn)換成4 20mA電流信號輸出。電荷放大器由放大器U4A、電容C1、 C2、 C3、 C4 、 C5、 C6、 C41、電 阻R2、 R3組成，電容Cl連接于反向輸入端，電容C2連接于正向輸入端， 電容C5、 C6、電阻R3并聯(lián)于反向輸入端與輸出端之間，電容C3、 C4、電 阻R2并聯(lián)后連接于正向輸入端。電壓放大器由放大器U5B、電容C29、電阻R4、 R5、 R6組成，電阻R4連接于反向輸入端，電阻R5連接于正向輸入端，電阻R6和電容C29并聯(lián)于反向輸入端與輸出端之間。程控放大器由放大器U3A、數(shù)字電位器U8 、電容C42、電阻R7、 R8、R9組成，數(shù)字電位器U8的輸出經(jīng)電阻R8與放大器的反向輸入端連接，電 阻R7也連接于反向輸入端，電阻R9連接于正向輸入端，數(shù)字電位器的片 選線、時鐘線和數(shù)據(jù)線與單片機的通用10 口相連，由單片機控制數(shù)字電位 器的電阻值，從而調(diào)整放大器的放大倍數(shù)。低通濾波器由放大器U3B、電容C8、 C9、電阻RIO、 Rll、 R12、 R13組 成，程控放大器的輸出經(jīng)電阻R10、R11連接于放大器反向輸入端，電阻RIO、 R11之間的節(jié)點通過電容C8接地，通過電阻R12與放大器輸出端連接，放 大器的反向輸入端與輸出端之間還連接電容C9，電阻R13連接于正向輸入 端，放大器U3B的輸出端連接限流電阻R15、肖特基二極管D7。電壓跟隨器由放大器U3C和放大器U3D組成，兩個放大器呈并聯(lián)關(guān)系， 正向輸入端接收所述低通濾波器經(jīng)電阻R15送來的輸出信號，反向輸入端 與輸出端短接。峰值檢測電路由放大器U6A、 U6B、 二極管D1、場效應(yīng)管Ql、電容CIO、 C43、電阻R14組成，放大器U6A的正向輸入端接收所述低通濾波器經(jīng)電阻 R15送來的輸出信號，其輸出端經(jīng)過電阻R14、 二極管D1與放大器U6B正 向輸入端連接，放大器U6B正向輸入端還通過場效應(yīng)管Ql、電容C10接地， 放大器U6B的輸出端與反向輸入端短接，同時也與放大器U6A的反向輸入 端短接，峰值檢測電路中的場效應(yīng)管的柵極與單片機的通用10 口相連，峰 值檢測電路的輸出接至單片機的ADC輸入端；單片機控制場效應(yīng)管的通斷， 從而控制電容的充放電，使峰值檢測電路輸出當(dāng)前一段時間內(nèi)的峰值；單 片機對峰值檢測電路輸出的峰值信號進行采樣和轉(zhuǎn)換，再根據(jù)峰值去調(diào)整 數(shù)字電位器的電阻值。 帶通濾波器組由8個帶通濾波器組成，分別是放大器U1A、電容Cll、 C12、電阻R21、 R22、 R23、 R24、退耦電容C45;放大器U1B、電容C13、 C14、電阻R25、 R26、 R27、 R28;放大器U1C、電容C15、 C16、電阻R29、 R30、 R31、 R32;放大器U1D、電容C17、 C18、電阻R33、 R34、 R35、 R36; 放大器U2A、電容C19、 C20、電阻R37、 R38、 R39、 R40、退耦電容C46; 放大器U2B、電容C21、 C22、電阻R41、 R42、 R43、 R44;放大器U2C、電 容C23、 C24、電阻R45、 R46、 R47、 R48;放大器U2D、電容C25、 C26、電 阻R49、 R50、 R51、 R52，這8個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，覆蓋渦街流量計的頻帶范圍，并且相 鄰?fù)◣чg有一定的重疊；其中，輸入經(jīng)電阻R21、電容Cll連接于放大器UlA的反向輸入端，電 阻R21、電容C11之間的節(jié)點通過電容C12與輸出端連接，通過電阻R22接 地，電阻R23連接于反向輸入端與輸出端之間，電阻R24連接與正向輸入 端，其余七個帶通濾波器的連接與上述結(jié)構(gòu)一致。多路開關(guān)選通電路由U13組成，其8個輸入端分別與帶通濾波器組的8 個通道相連，公共端與施密特觸發(fā)器U14A的輸入端相連，3根控制線A、 B、 C分別與單片機相連。整形電路由施密特觸發(fā)器U14A組成，其輸入端與多路開關(guān)選通電路的 公共端連接，輸出端與單片機連接。單片機型號為MSP430F1611。4 20mA輸出與電源管理電路中，4 20mA輸出電路由4 20mA電流環(huán) 變送器XTR115、 二極管D2、 D3、 D4、 D5、穩(wěn)壓管D6、三極管Q2、參考源U7、放大器U5A、電阻R61、 R62、 R63、 R64、電容C31、 C33、 C34、 C44、 磁珠L1組成，單片機DAC輸出的電壓信號經(jīng)過電阻R61、 R62和R63送至 XTR115的第2腳，XTR115產(chǎn)生相應(yīng)的4 20mA電流信號從第4腳輸出，D2、 D3、 D4、 D5組成電橋，C34是濾波電容，穩(wěn)壓管D6起穩(wěn)壓作用，三極管Q2 補償XTR115輸出電流與系統(tǒng)消耗電流的差值部分，XTR115的第8腳輸出 5V直流電壓與電源管理電路中U9的第2腳相連，抬高U9的輸出電平，提 供5V電源，為數(shù)字電位器U8提供電源，R64、 U7、 C31和U5A組成參考電 源，提供1.235V參考電壓Vref， C44是退耦電容，磁珠Ll連接模擬地和 數(shù)字地。電源管理電路由DC/DC轉(zhuǎn)換器U11、三端穩(wěn)壓器U9、電阻R65、 R66、 R67、 R70、電容C38、 C39、 C51、 C37、 C48、電感L2組成，外部24V電源 電壓加在三端穩(wěn)壓器U9的第1腳，經(jīng)穩(wěn)壓后由U9的第3腳輸出，第3腳 的輸出電壓加在DC/DC變換器Ull的第1腳和第8腳，分別作為Ull的輸 入和使能信號，R70和C48組成充電電路，由U10第8腳提供的5V電壓對 充電電路進行充電，通過低電壓監(jiān)測和充電電路實現(xiàn)各電源芯片U9、 UIO、 Ull的上電順序。Ull的第9腳SW是電壓輸出腳，輸出電壓經(jīng)過電感L2的濾波后輸出， C38是濾波電容，C39是儲能電容，Ull的第4腳與單片機的第23腳P2. 3 相連，作為系統(tǒng)低電壓監(jiān)測。人機接口電路由鍵盤電路和LCD顯示電路組成，分別與單片機連接。 本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，本發(fā)明 采用低功耗單片機，通過少點數(shù)快速傅立葉變換(FFT)，進行周期圖譜分析
確定渦街信號的頻率；設(shè)計一組硬件帶通濾波器，其通帶覆蓋渦街信號的頻帶，根據(jù)譜分析結(jié)果來選擇具體的帶通濾波器，進行自適應(yīng)濾波，最大 限度地消除現(xiàn)場噪聲，提高測量精度。同時，設(shè)計數(shù)字電位器和運算放大 器組成的程控放大器，通過峰值檢測電路測量渦街信號的幅值，確定程控 放大器的放大倍數(shù)，使信號幅值處于最佳范圍，實現(xiàn)小流量的測量，擴展 量程比。與現(xiàn)有技術(shù)相比，克服了常規(guī)的濾波器通帶很寬，噪聲消除能力差的問題；在單片機運算速度和存儲容量有限的條件下，實現(xiàn)了數(shù)字信號處理， 并保證處理的實時性；采用低功耗單片機和輸出電路，使儀表的工作電流 小于4mA，輸出電流為4-20 mA，實現(xiàn)了兩線制工作。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)的硬件框圖。圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中電荷放大器和電壓放大器的電路原理圖。 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)中程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器和峰值檢 測電路的電路原理圖。圖4是本發(fā)明系統(tǒng)中單片機芯片管腳接線示意圖。圖5是本發(fā)明系統(tǒng)中帶通濾波器組的電路原理6是本發(fā)明系統(tǒng)中4 20mA輸出與電源管理電路的電路原理圖。圖7是本發(fā)明系統(tǒng)中多路開關(guān)和整形電路的電路原理圖。圖8是本發(fā)明系統(tǒng)中鍵盤接線示意圖。圖9是本發(fā)明系統(tǒng)中LCD顯示芯片接線示意圖。圖10是本發(fā)明系統(tǒng)軟件框圖。 圖ll是本發(fā)明系統(tǒng)中主監(jiān)控程序流程圖。圖12是本發(fā)明系統(tǒng)中程控放大器調(diào)整模塊流程圖。圖13是本發(fā)明系統(tǒng)中計算模塊流程圖。圖14是本發(fā)明系統(tǒng)中硬件定時器中斷服務(wù)程序流程圖。圖15是本發(fā)明系統(tǒng)屮觸發(fā)ADC采樣定時器中斷服務(wù)程序流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明的設(shè)計思想是既采用數(shù)字信號處理方法，又要保證儀表是低 功耗工作，所以，采用低功耗單片機進行少點數(shù)快速傅立葉變換(FFT)，實 現(xiàn)周期圖譜分析，確定渦街信號的頻率值；設(shè)計一組硬件帶通濾波器，其 通帶覆蓋渦街信號所在的頻帶，根據(jù)譜分析結(jié)果來選擇具體的帶通濾波器， 進行自適應(yīng)濾波，最大限度地消除各種諧波和現(xiàn)場噪聲對測量的影響，提 高測量精度。采用數(shù)字電位器和運算放大器組成程控放大器，通過峰值檢 測確定渦街信號的幅值，調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)，使信號的幅值達到 最佳范圍，適應(yīng)大流量和小流量的測量的需要，擴展量程比。選用低功耗 的單片機芯片，并設(shè)計與之配套的輸出電路和電源管理電路，保證儀表工 作電流小于4mA，輸出電流為4-20 mA，實現(xiàn)兩線制工作。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)由電荷放大器、電壓 放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨電路、峰值檢測電路、帶通 濾波器組、多路開關(guān)、整形電路、單片機MSP430F1611及外圍芯片、人機 接口電路和4 20raA輸出與電源管理電路組成。本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程為從壓電傳感器輸出的微弱電荷信號，首先
經(jīng)過電荷放大器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，由于幅值非常小，所以，再?jīng)過一 級固定的電壓放大器和一級程控放大器。放大后的信號經(jīng)過低通濾波器， 濾除信號中的高頻干擾，然后分為3路。第1路信號由電壓跟隨器(緩沖器)
輸出，被單片機自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量。單片機對信號進行 少點數(shù)的FFT，做周期圖譜分析，得到信號的頻率值，來選擇帶通濾波器組 的通道。第2路信號送至峰值檢測電路；峰值檢測電路將信號的峰值送至 單片機ADC的輸入端；-單片機對信號的峰值進行采樣和轉(zhuǎn)換，并根據(jù)峰值 來調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)，使信號的幅值達到最佳范圍。第3路信號 經(jīng)過電壓跟隨器，送至帶通濾波器組，進行濾波；由單片機的頻譜分析結(jié) 果來決定對某路濾波信號進行整形；由多路開關(guān)選通電路來選通由單片機 所選擇的那路濾波信號，整形電路對這路信號進行整形，整形后的信號送 至單片機的定時器輸入端，進行計數(shù)。單片機根據(jù)計數(shù)結(jié)果，將流量信息 顯示在LCD上，并通過自身的DAC轉(zhuǎn)換，送至4 20mA輸出與電源管理電 路，經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換成4 20mA電流信號輸出。
如圖2所示，渦街流量傳感器，即壓電傳感器輸出的電荷信號經(jīng)由放 大器U4A、電容C1、 C2、 C3、 C4 、 C5、 C6、 C41、電阻R2、 R3組成的電荷 放大器，變成電壓信號，并降低了輸出阻抗。通過隔直電容C7，去除信號 中的直流成分。為了避免程控放大器的單級放大倍數(shù)過大，所以，采用分 級放大的方式，即在程控放大器之前加一級放大倍數(shù)固定的電壓放大器。 該放大電路由放大器U5B、電容C29、電阻R4、 R5、 R6組成，實質(zhì)是一個 一階低通濾波放大電路。渦街信號經(jīng)過該電路的濾波和放大后，送至由放 大器U3A、數(shù)字電位器U8AD5162、電容C42、電阻R7、 R8、 R9組成的程控
放大器，如圖3所示。
采用程控放大器是考慮到渦街流量傳感器輸出信號的幅值與頻率成平 方的關(guān)系，而渦街信號的頻率變化范圍較寬，所以，信號幅值變化范圍很 大。并且，同一傳感器測量不同介質(zhì)的流量時，信號幅值的差別也很大。 為了保證不同頻率和不同介質(zhì)情況下，渦街傳感器信號的幅值基本保持相
等，以擴展量程比，并使送到單片機ADC輸入端的電壓幅值接近滿量程， 以保證足夠的分辨率，所以，采用程控放大器。由低功耗運算放大器和數(shù) 字電位器AD5162組成程控放大器，成本低，功耗低。AD5162是一款雙通道、 每個通道具有256個抽頭的數(shù)字電位器，功耗極低，靜態(tài)電流最大只有6 微安。AD5162每通道的有三個端口 A，B，W，其中，A、 B為兩個固定端， 兩端間阻值為"=1001^; W為抽頭端，抽頭的位置由寫入電位器的串行數(shù) 據(jù)來決定當(dāng)寫入OOH時，W與B相連接；當(dāng)寫入FFH時，W與A相連接。 當(dāng)W端與A短接時，寫入的串行數(shù)據(jù)與數(shù)字電位器的阻值間存在以下關(guān)系:
其中，KZ))為W端和B端間的阻值，即當(dāng)前數(shù)字電位器的阻值；D為寫入 的串行數(shù)據(jù)值，其范圍是OOH FFH，即0 255; l為抽頭間的連接電阻。
由反相放大器的基本知識可知，程控放大電路的放大倍數(shù)為
在本發(fā)明系統(tǒng)中只使用AD5162的其中一個通道，另一通道留做備用。 AD5162的片選信號5與單片機MSP430F1611 (以下簡稱單片機)的第 28腳P3. 0 口相連，如圖4所示；串行數(shù)據(jù)輸入端SDI與單片機的第29腳 P3. 1 口相連；時鐘輸入端CLK與單片機的第31腳P3. 3 口相連。這樣由單
片機來控制數(shù)字電位器電阻值的大小，也就是調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)。
ADC使用內(nèi)部參考源，輸入端的滿量程電壓設(shè)定為2. 5V。而電荷放大器輸 出的信號幅值只有幾十mV，與ADC的參考電壓相差較遠。若直接對其進行 峰值檢測，精度會很低。所以，本發(fā)明系統(tǒng)對經(jīng)過程控電壓放大后的信號 進行峰值檢測；然后，根據(jù)當(dāng)前的放大倍數(shù)來推算出原始信號的幅值，再 計算出最合適的放大倍數(shù)，對數(shù)字電位器進行調(diào)整?？紤]到經(jīng)電荷放大和 程控放大后的渦街流量信號中會混有高頻干擾和其它的噪聲，為了減少測 量誤差，先對信號進行低通濾波，再進行峰值檢測。
如圖3所示，二階有源低通濾波電路由放大器U3B、電容C8、 C9、電 阻RIO、 Rll、 R12、 R13組成。R15是限流電阻。D7是肖特基二極管，起嵌 位作用，保護單片機的ADC不被損壞。
濾波后的信號分為3路。第1路經(jīng)過由放大器U3C組成的電壓跟隨器 輸出為Signal,送至單片機的第59管腳P6.0/A0，如圖4所示，供單片機 ADC采樣轉(zhuǎn)換后進行周期圖譜分析。第2路經(jīng)過由放大器U3D組成的電壓跟 隨器輸出為Vol，送至帶通濾波器組進行濾波，如圖5所示。第3路接到由 放大器U6A、 U6B、 二極管D1、場效應(yīng)管(MOSFET) Ql、電容CIO、 C43、電 阻R14組成的峰值檢測電路，進行峰值檢測。
前面所述的電荷放大器、電壓放大器、程控放大器和低通濾波器中的 偏置電壓Vref均由4 20mA輸出與電源管理電路中的U5A提供，如圖6所 示。
在峰值檢測電路中，R14的作用是在場效應(yīng)管Ql放電時限制對電容C10 的充電電流；二極管D1的作用是保證對電容C10只能進行單向充電；電容
C10始終保持信號幅值的最大值。Ql的作用是對電容放電，它的柵極G與 單片機的第40腳，即通用I/0口P4.4相連。單片機控制場效應(yīng)管的通斷， 從而控制電容的充放電，即當(dāng)該I/0 口為高電平時，Ql導(dǎo)通，電容C10放 電；當(dāng)該I/0口為低電平時，Ql斷開，電容C10充電，保持信號的峰值供 單片機ADC采樣。峰值檢測電路的輸出，即U6B的第7腳Peak接至單片機 第60腳P6.1/A1。單片機對峰值進行采樣和轉(zhuǎn)換，再根據(jù)峰值去調(diào)整數(shù)字 電位器的電阻值，實現(xiàn)對程控放大器放大倍數(shù)的調(diào)整。
雖然渦街流量傳感器信號經(jīng)過了如前所述的低通濾波器， 一些高頻信 號被消除。但是，由于渦街信號頻率的變化范圍較寬，例如，設(shè)量程比為 20: 1，對于40mm 口徑的渦街流量計測量氣體流量的頻率范圍大致是70Hz 1400Hz。所以，低通濾波器的截止頻率必須設(shè)得比較高， 一般來說，要大 于1400Hz的幾倍。那么，在這個頻帶范圍內(nèi)，可能包含渦街信號的基波、 諧波以及噪聲。若將此信號直接進行整形和計數(shù)，由于諧波和噪聲的影響， 很容易造成施密特觸發(fā)器的誤觸發(fā)，使測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。針對這 個問題，本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計一組模擬帶通濾波器，例如，8個帶通濾波器。這 8個帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)相同，參數(shù)不同，即通帶不同。它們的通帶是互 相連接的，通帶的寬度是逐級遞增的，頻帶之間有一定程度的重疊，將渦 街流量計的頻率范圍70Hz 1400Hz覆蓋。具體選擇哪個濾波器的輸出信號 進行整形和計數(shù)，由單片機對渦街信號進行頻譜分析的結(jié)果來決定。即單 片機對采集到的渦街傳感器信號進行周期圖譜分析，確定渦街信號的范屈； 據(jù)此，確定用哪個帶通濾波器濾波后的信號進行整形和計數(shù)，這樣可以最 大程度地消除噪聲和諧波對渦街信號的影響，避免誤觸發(fā)，保證計數(shù)的精度。如圖5所示，模擬帶通濾波器組由8個結(jié)構(gòu)相同、但是參數(shù)不同的帶通濾波器組成。它們分別是放大器U1A、電容Cll、 C12、電阻R21、 R22、 R23、 R24、退耦電容C45;放大器U1B、電容C13、 C14、電阻R25、 R26、 R27、 R28;放大器U1C、電容C15、 C16、電阻R29、 R30、 R31、 R32;放大 器U1D、電容C17、 C18、電阻R33、 R34、 R35、 R36;放大器U2A、電容C19、 C20、電阻R37、 R38、 R39、 R40、退耦電容C46;放大器U2B、電容C21、 C22、電阻R41、 R42、 R43、 R44;放大器U2C、電容C23、 C24、電阻R45、 R46、 R47、 R48;放大器U2D、電容C25、 C26、電阻R49、 R50、 R51、 R52。 帶通濾波器組中的偏置電壓Vref由4 20mA輸出與電源管理電路提供。帶通濾波器組中的8個濾波器均可能有輸出，但是，只有一個濾波器 的輸出信號是代表渦街流量信號、且受干擾影響小。本發(fā)明系統(tǒng)選用8選1 多路開關(guān)74HC4051，如圖7中U13所示。該器件的8個輸入端分別與帶通 濾波器組的8個通道相連，公共端即開關(guān)輸出與施密特觸發(fā)器U14A的輸入 端相連，3根控制線A、 B、 C分別與單片機的I/O 口 P4. 5、 P4. 6、 P4. 7相 連，如圖4所示。U13根據(jù)3路控制引腳的電平來選通相應(yīng)的通道，即根據(jù) 單片機頻譜分析的結(jié)果來選通相應(yīng)的通道。被選通的信號是經(jīng)過濾波、含 有最少噪聲的渦街信號，送入施密特觸發(fā)器U14A進行整形，輸出為規(guī)則的 方波，再送入單片機的定時器(第39腳P4. 3)中進行計數(shù)。本發(fā)明系統(tǒng)采用TI公司的單片機MSP430F1611為處理核心。由于本發(fā) 明系統(tǒng)要做到超低功耗，同時，系統(tǒng)在信號處理時用到FFT運算，需要大 容量的SRAM，但外擴會大大增加系統(tǒng)功耗，而MSP430F1611單片機具有10KB
的SRAM。MSP430F1611是MSP430系列中的高端產(chǎn)品，它除了具備超低功耗的邏 輯運算單元以外，還集成了豐富的外圍模塊。它主要通過以下三種形式來 實現(xiàn)低功耗具有活動模式和5種低功耗模式，可根據(jù)不同需要進行選擇， 以達到功耗最低的目的；它還具有獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括基本時鐘(高 速時鐘和低速時鐘)系統(tǒng)和DCO(數(shù)字振蕩器)時鐘系統(tǒng)；另夕卜，它采用矢量 中斷，支持十多個中斷源，用中斷請求喚醒CPU只需要6^。所以，通過 合適的硬件設(shè)計和合理的編程，既可以降低系統(tǒng)功耗，又可以對外部事件 做出快速響應(yīng)。MSP430F1611是16位單片機，使用目前最流行的精簡指令集(RISC) 結(jié)構(gòu)， 一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令。同時，MSP430F1611采用了一般只 有DSP才有的16位硬件乘法器、DMA等體系結(jié)構(gòu)，大大增強了它的數(shù)據(jù)處 理和運算能力，為實現(xiàn)本發(fā)明系統(tǒng)中數(shù)字信號處理算法提供了保證。MSP430F1611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、模擬比較器A，定時器A、定時器B、串口O，l、硬件乘法器、8輸入通 道的12位ADC、 2輸出通道的12位DAC、 I2C總線、直接存儲器存取(DMA)、 端口 1 端口6 (P1 P6)和基本定對器。雖然MSP430F1611沒有集成液晶 驅(qū)動模塊，但是，外加一片液晶驅(qū)動模塊，同樣可以做到低功耗。MSP430F1611單片機存儲器采用的是統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，即物理上完全分離的存 儲區(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、相同的指令對它們進行 字節(jié)或者字形式訪問。這種組織方式和CPU采用精簡指令相互協(xié)調(diào)，對外
圍模塊的訪問不需要單獨的指令，為軟件的開發(fā)和調(diào)試提供了便利。圖6為4 20mA輸出與電源管理電路。其中，4 20mA輸出電路由4 20mA電流環(huán)變送器XTR115、 二極管D2、 D3、 D4、 D5、穩(wěn)壓管D6、三極管 Q2、參考源U7(LM285Z—1.2)、放大器U5A、電阻R61、 R62、 R63、 R64、電 容C31、 C33、 C34、 C44、磁珠Ll組成。電源管理電路由DC/DC轉(zhuǎn)換器 U11(TPS62051)、三端穩(wěn)壓器U9、電阻R65、 R66、 R67、 R70、電容C38、 C39、 C51、C37、C48、電感L2組成。需要說明的是，4 20mA輸出電路中標有"5VA" 處與電源管理電路中標有"5VA"處是相連的；4 20mA輸出電路中標有"V + "處與電源管理電路中標有"V+"處也是相連的。為了滿足工業(yè)現(xiàn)場對儀表進行遠程監(jiān)控與遠程測量，儀表需要標準的 模擬量輸出，通常采用4 20mA的電流信號。過程工業(yè)現(xiàn)場使用的流量儀 表有時要求使用兩線制供電。與三線制相比，兩線制的電源線和輸出信號 線是復(fù)用的，所以，要求整個系統(tǒng)的功耗不超過4mA。MSP430F1611單片機本身集成有精度在0. 1%以內(nèi)的12位DAC，但是， 該DAC是電壓輸出型的。若要進行4 20mA電流輸出還必須經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換 電路。單片機在計數(shù)得到渦街信號頻率后，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的上、下限頻 率值，將頻率折算為相應(yīng)的數(shù)字量送到片上集成的DAC，其計算公式為其中，E為送到DAC上的數(shù)字量，/為測量到的頻率值， >、,分別為預(yù)先 設(shè)定的上、下限頻率值。經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換變成電壓信號后，再由4 20mA電流環(huán)變送器進行電壓 到電流的轉(zhuǎn)換。采用美國Burr-Brown公司4 20mA電流環(huán)變送器芯片
XTR115，該芯片只需外接一個高精度電阻即可實現(xiàn)信號的V/I轉(zhuǎn)換，通過 轉(zhuǎn)換后的電流信號控制最終的4 20mA電流輸出。XTR115不僅是一個可實 現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換的4 20mA電流環(huán)變送器；同時，也是一個穩(wěn)壓電源。它為本 發(fā)明系統(tǒng)中模擬電路部分提供5V的供電電壓。參見圖6中4 20mA輸出部分，單片機第5腳P6.6，即單片機DAC輸 出的代表頻率的電壓信號經(jīng)過電阻R61、R62和R63，送至XTR115的第2腳。 XTR115產(chǎn)生相應(yīng)的4 20mA電流信號從第4腳輸出。24V直流電源的正極 接至Vinl (或者Vin2)，負極串聯(lián)取樣(負載)電阻，再接至Vin2 (或者Vinl)。 D2、 D3、 D4、 D5組成電橋，起保護作用。C34是濾波電容。穩(wěn)壓管D6起穩(wěn) 壓作用。三極管Q2起補償電流的作用，即Q2提供XTR115輸出電流與系統(tǒng) 消耗電流的差值部分。XTR115的第8腳輸出5V直流電壓，與電源管理電路 中U9的第2腳相連，抬高U9的輸出電平；為本發(fā)明系統(tǒng)所有的放大器提 供5V電源；為數(shù)字電位器U8提供電源。R64、 U7、 C31和U5A組成參考電 源，為本發(fā)明系統(tǒng)提供1.235V參考電壓Vref。 C44是退耦電容。磁珠Ll 連接模擬地和數(shù)字地。雖然XTR115可以為本發(fā)明系統(tǒng)中的模擬電路部分供電，但是，不能直 接為數(shù)字電路部分供電，因為這樣做系統(tǒng)的功耗就會超過4mA。例如，當(dāng)單 片機在高速時鐘下運行時，其功耗可達到250uA/MHz。具體地說，單片機的 主時鐘為8. OMHz，單片機的內(nèi)核部分功耗就在2mA以上。再加上ADC、 DAC、 定時器等外圍單元的工作，整個單片機的功耗可能會達到5mA。針對上述情 況，本發(fā)明系統(tǒng)采用DC/DC轉(zhuǎn)換器Ull為數(shù)字電路部分供電。外部24V電 源經(jīng)由三端穩(wěn)壓器U9變換成10V電壓，再加到DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端。經(jīng)
過變換，DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出3V電壓，供本發(fā)明系統(tǒng)中數(shù)字電路部分使用。 因為<formula>formula see original document page 22</formula> (4) 其中，R是DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，/,是輸入電流，f/。是輸出電壓，/。是輸出電流，；/轉(zhuǎn)換效率。所以，<formula>formula see original document page 22</formula> (5) 可見，在效率^=90%時，輸入lmA電流，就會輸出3mA電流。即使整個數(shù)字部分耗電在5mA左右，但從電源和輸出信號復(fù)用線上索取的電流也不會超過2mA。參見圖6中的電源管理部分，外部24V電源電壓加在三端穩(wěn)壓器U9的 第1腳，經(jīng)穩(wěn)壓后，由U9的第3腳輸出。由于U9的第2腳上加了 5V電壓， 所以，抬高了第3腳的輸出電平，即輸出為10V電壓。這個10V電壓加在 DC/DC變換器U11的第1腳和第8腳，分別作為U11的輸入和使能信號。C37 是儲能電容。Ull的第6腳LBI是低電壓監(jiān)測的輸入腳，第2腳為低電壓監(jiān) 測的輸出腳，即當(dāng)?shù)?腳的電平低于1. 21V時，第2腳輸出信號的電平就 會發(fā)生變化；同時，Ull停止工作。本發(fā)明系統(tǒng)利用這一低電壓監(jiān)測功能， 以實現(xiàn)各電源芯片(U9、 UIO、 Ull)不同的上電順序，即先使UIO、 U9工作， 再讓Ull工作。若讓U9和Ull同時工作，由于一開始U9的輸出電壓還沒 有完全建立起來，此時Ull需要從U9取較大電流，這將導(dǎo)致U9內(nèi)部的保 護電路動作，即誤認為輸出短路，從而造成U9無法正常工作。為此，由R70 和C48組成充電電路，由U10第8腳提供的5V電壓對充電電路進行充電， 當(dāng)C48兩端的電壓大于1.21V時，Ull才開始工作，即在U10和U9的輸
電壓完全建立起來后，1311才工作。Ull的第9腳SW是電壓輸出腳，輸出電壓經(jīng)過電感L2的濾波后輸出。 C38是濾波電容。C39是儲能電容。Ull的第4腳與單片機的第23腳P2. 3 相連，作為系統(tǒng)低電壓監(jiān)測。R65是上拉電阻。當(dāng)U11第9腳的輸出電壓低 于額定輸出電壓3V的(95 98. 5) %時，Ull的第4腳輸出電平就會發(fā)生變 化，向單片機發(fā)出中斷信號。Ull的第5腳FB是反饋電壓輸入端。由Ull 的第5腳內(nèi)部電壓值和R66、 R67的電阻值來確定U11的輸出電壓值。當(dāng)?shù)?9腳的輸出電壓發(fā)生波動，這個電壓由R66和R67分壓后加在第5腳上，與 第5腳內(nèi)部設(shè)定電壓就會不相等，從而使Ull調(diào)整輸出電壓，使第9腳上 的輸出電壓穩(wěn)定。C51是前饋電容。本發(fā)明系統(tǒng)的人機接口電路由鍵盤電路和LCD顯示電路組成，如圖8 和圖9所示。鍵盤電路采用簡單的非編碼鍵盤設(shè)計，共安排了四鍵設(shè)定、 移位、遞增和確認，如圖8所示。鍵值由單片機的通用I/O 口中的P1 口定 時掃描，四鍵分別占用P1.4， P1.5， P1.6， P1.7。當(dāng)有鍵按下時相應(yīng)的口 線為低電平，而在鍵按下到接觸穩(wěn)定的過程中存在有10 30ms的機械抖動， 這個抖動一般可由硬件或者軟件解決。硬件可有觸發(fā)器或RC低通濾波來實 現(xiàn)，但是，會增加硬件成本；軟件則只需掃描鍵值、計數(shù)延時即可。本發(fā) 明系統(tǒng)采用軟件去抖動。本發(fā)明系統(tǒng)的LCD電路如圖9所示。選用LCM141 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。該顯示器件功耗極低，工作電壓為3V時消耗 的最大電流僅為60/^4 ，滿足本系統(tǒng)的低功耗要求。本發(fā)明系統(tǒng)軟件總體框圖如圖IO所示，由主監(jiān)控程序模塊、保護模塊、
中斷模塊、初始化模塊、程控放大器調(diào)整模塊、計算模塊、電流輸出模塊、人機接口模塊組成。其中，初始化模塊包括單片機和LCD (液晶)的初始化 模塊；人機接口模塊包括鍵盤輸入模塊和LCD模塊。圖10中的主監(jiān)控程序模塊是整個軟件系統(tǒng)的總調(diào)度程序，調(diào)用各個模 塊中的子程序，實現(xiàn)本發(fā)明系統(tǒng)的所要求的功能。主監(jiān)控程序的流程如圖 11所示。它是一個循環(huán)程序，系統(tǒng)一上電，主監(jiān)控程序自動運行，進入不 斷查詢標志和進行相應(yīng)處理的循環(huán)中?；具^程為系統(tǒng)上電后，立即進 行初始化；初始化后，首先査詢峰值檢測標志位是否置位，若置位，則調(diào) 用峰值檢測和程控放大倍數(shù)調(diào)整模塊，處理完成后清除峰值檢測標志位； 其次，查詢頻譜分析標志位是否置位，若置位，則調(diào)用計算模塊，估計信 號頻率，并選擇帶通濾波器通道，處理完成后清除頻譜分析標志位；然后， 查詢輸出標志位是否置位，若置位，則計算信號頻率、流量、更新DAC輸 出，處理完成后清除輸出標志位；接下來，査詢按鍵標志位是否置位，若 置位，則處理相應(yīng)按鍵，處理完成后清除按鍵標志位；最后，查詢LCD刷 新標志位是否置位，若置位，則刷新LCD輸出，處理完成后清除LCD刷新 標志位。完成上述查詢、處理功能后，主監(jiān)控程序返回，重新開始下一輪 查詢、處理，不斷循環(huán)。圖10中的初始化模塊對單片機和LCD進行初始化。對單片機進行初始 化就是定義單片機中各個功能模塊的相關(guān)寄存器，規(guī)定它們的初始工作方 式，這些功能模塊包括時鐘模塊、通用定時器(定時器A用于計數(shù)，定時器 B用于定時)模塊、看門狗定時器、ADC模塊、DAC模塊、通用I/O 口。對 LCD初始化就是通過單片機向LCD發(fā)送相關(guān)命令字，定義LCD的工作方式，
并在本發(fā)明系統(tǒng)上電時，直接顯示相關(guān)流量信息或者上次掉電時保存的信 息。圖10中的程控放大器調(diào)整模塊根據(jù)檢測到的渦街信號峰值，調(diào)整數(shù)字 電位器的電阻值，從而實現(xiàn)程控放大器放大倍數(shù)的調(diào)整。由于在實際中渦 街傳感器輸出信號中含有干擾信號，導(dǎo)致峰值檢測電路電平可能高于信號 的實際幅值，本發(fā)明系統(tǒng)采用多次采樣、求平均的方法來獲得信號的峰值 信息。根據(jù)得到的峰值信息和當(dāng)前的放大倍數(shù)，推算出在程控放大器之前的信號幅值，再結(jié)合ADC的參考電壓，計算出新的放大倍數(shù)，更新數(shù)字電 位器阻值，實現(xiàn)程控放大器放大倍數(shù)的調(diào)整。其程序流程如圖12所示。圖IO中的計算模塊對信號進行采樣，計算頻率值，再選擇帶通濾波器 組的通道，即具體選定帶通濾波器中的一個帶通濾波器，其流程如圖13所 示。本發(fā)明系統(tǒng)采用少點數(shù)實數(shù)FFT估計渦街信號的頻率。首先對采樣到 的信號序列進行零均值處理，消除趨勢項；然后，對序列進行碼位倒序， 使用蝶形算法得到序列的實數(shù)FFT運算結(jié)果；再計算信號的功率譜，按照 能量占優(yōu)原則，初步估計出信號的頻率；最后，利用重心校正法進行頻譜 校正，獲得高精度的信號頻率值。根據(jù)渦街信號的頻率，由單片機控制多 路開關(guān)，選擇當(dāng)前信號所處的帶通濾波器，將此帶通濾波器通道與后級施 密特觸發(fā)器連通，如圖7*所示。為避免信號頻率處于相鄰?fù)ǖ赖倪吘墸瑢?dǎo) 致頻繁切換通道，減小切換通道帶來的誤差，在相鄰?fù)ǖ涝O(shè)置了過渡帶。圖10中的中斷模塊包括內(nèi)部中斷及和外部中斷。內(nèi)部中斷包括定時器中斷和比較器中斷。由于單片機MSP430F1611只 有2個硬件定時器，其中1個要工作在計數(shù)模式，用于脈沖計數(shù)，所以，
只剩下1個硬件定時器可用。但是，在程序中至少需要5個定時定時進 行峰值檢測；定時進行頻譜分析；定時進行流量計算和電流輸出；定時刷 新LCD;為按鍵操作計時。而這5個定時時間各不相同。為此，在硬件定時 器的基礎(chǔ)上，設(shè)置5個軟件定時器時間基準。選擇合適的硬件定時間隔， 使所有的軟件定時時間為硬件定時間隔的整數(shù)倍。先將各個軟件定時器時 間基準清零，在定時器中斷服務(wù)程序中，對軟件定時器時間基準Timebase 進行加1操作；如果某個軟件定時器時間基準達到預(yù)先設(shè)定值，將該時間 基準清零，并設(shè)置相應(yīng)的標志位，以便主監(jiān)控程序查詢。比較器中斷用于 系統(tǒng)掉電保護。在比較器中斷服務(wù)程序中，首先關(guān)閉其他中斷，防止更高 優(yōu)先級中斷打斷當(dāng)前中斷服務(wù)程序；然后，將當(dāng)前流量等信息保存于FLASH 存儲器的用戶字節(jié)中。硬件定時器中斷服務(wù)程序流程如圖14所示。外部中斷均為I/O 口中斷，按照功能可分為按鍵中斷和觸發(fā)ADC采樣 中斷。在按鍵中斷服務(wù)程序中，設(shè)置按鍵標志位，進行相應(yīng)按鍵處理，并 結(jié)合硬件定時器完成消抖等功能。觸發(fā)ADC采樣中斷服務(wù)子程序完成信號 序列采樣功能。當(dāng)主監(jiān)控程序查詢到頻譜分析標志位為置位狀態(tài)時，打開 該I/O 口的中斷功能，由ACLK時鐘信號觸發(fā)中斷；在該中斷服務(wù)程序中， 使用軟件方式啟動ADC采樣，并將采樣結(jié)果保存在結(jié)果數(shù)組中，當(dāng)采樣序 列滿足規(guī)定點數(shù)時，關(guān)閉該I/0口中斷功能。觸發(fā)ADC采樣定時器中斷服 務(wù)程序流程如圖15所示。圖10中的人機接口模塊由鍵盤和LCD組成，LCD負責(zé)顯示儀表測量結(jié) 果和儀表參數(shù)；鍵盤則配合LCD，修改儀表參數(shù)，切換LCD工作狀態(tài)。本發(fā) 明系統(tǒng)的按鍵共有4個設(shè)定鍵(SET)、移位鍵(SHF)、遞增鍵(INC)
和確認鍵(ENTR)。 4個按鍵的功能分別為SET鍵用于確定LCD的工作 狀態(tài)和上下級菜單的切換；SHF鍵用于同級菜單、數(shù)字或小數(shù)點移位；INC 鍵用于修改數(shù)據(jù)；ENTR鍵用于確認修改和切換LCD顯示狀態(tài)。
本發(fā)明系統(tǒng)選用串行接口LCDLCM141。該LCD為段式顯示，分上下 兩行，另外帶有提示字符和14個提示條碼。LCD的選通線(CS)、時鐘線 (WR)和數(shù)據(jù)線(DATA)分別與單片機的P4.0、 P4.1和P4.2相連，由軟 件模擬時鐘對LCD進行讀寫操作。通過軟件設(shè)置，LCD有兩種工作狀態(tài) 顯示狀態(tài)和設(shè)置狀態(tài)；由SET鍵切換兩種工作狀態(tài)。顯示狀態(tài)又分為兩個 頁面 一個頁面顯示流量信息，其中上面一行顯示瞬時流量，下面一行顯 示累積流量；另一個顯示頁面顯示頻率和信號峰值，其中上面一行顯示頻 率，默認單位為Hz(赫茲)，下面一行顯示信號峰值，默認單位為V(伏)。在 設(shè)置狀態(tài)下，同級菜單的提示字母同時顯示在LCD的上、下兩行，處于激 活狀態(tài)的選項呈閃爍狀；通過SHF鍵改變激活選項，通過ENTR進入激活 選項。進入待修改的參數(shù)選項后，LCD上面一行顯示該選項的提示字母， 下面一行顯示數(shù)字，且數(shù)字的激活為呈閃爍狀；通過SHF鍵改變激活數(shù)字 位，通過INC鍵改變激活位數(shù)值。在參數(shù)數(shù)值更改后，通過ENTR確定本 次修改，通過SET鍵取消本次修改，并返回上一層菜單。 圖10中的保護模塊包括掉電保護和看門狗定時復(fù)位。 在單片機內(nèi)部集成有模擬比較器，該比較器可以比較外部兩個輸入電 壓，也可以對外部輸入和內(nèi)部不同參考電壓進行比較。比較結(jié)果可以通過 引腳向外部輸出，也可以向內(nèi)部產(chǎn)生中斷。本發(fā)明系統(tǒng)使用外部輸入電壓 與內(nèi)部參考電壓進行比較，輸出結(jié)果產(chǎn)生內(nèi)部中斷。在中斷服務(wù)子程序中， 調(diào)用FLASH擦寫函數(shù)，將當(dāng)前信號頻率、累計脈沖數(shù)、瞬時流量和累積流 量保存在FLASH存儲器的用戶字節(jié)中；在系統(tǒng)再次上電后，將這些信息讀 出，儀表從上次掉電時繼續(xù)運行。另外，本發(fā)明系統(tǒng)可以通過人機接口模 塊設(shè)置儀表參數(shù)，設(shè)置完成后將各參數(shù)信息保存于FLASH存儲器的用戶字 節(jié)中，掉電后不會丟失。在單片機內(nèi)部集成有看門狗(Watchdog)模塊，模塊中有一個硬件定時 器。開啟看門狗模塊后，硬件定時器開始工作，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定定時間隔時觸 發(fā)復(fù)位。所以，需要在系統(tǒng)軟件中適時清除硬件計數(shù)器的計數(shù)初值，復(fù)位 硬件定時器，防止誤觸發(fā)復(fù)位，這個過程俗稱"喂狗"。使用看門狗定時復(fù) 位功能，可以使系統(tǒng)從軟件故障導(dǎo)致死機重啟，起保護作用。
權(quán)利要求
1、低功耗兩線制渦街流量計，包括壓電傳感器、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、峰值檢測電路、帶通濾波器組、多路開關(guān)選通電路、整形電路、單片機、人機接口電路和4～20mA輸出與電源管理電路，其特征在于壓電傳感器輸出的電荷信號經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)過電壓放大器、程控放大器、低通濾波器后分為3路，第1路信號經(jīng)電壓跟隨器送至單片機的ADC輸入端，被單片機自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，單片機對信號進行少點數(shù)快速傅立葉變換(FFT)，做周期圖譜分析，得到信號的頻率值，來選擇帶通濾波器組的通道，進行濾波；第2路信號送至峰值檢測電路，峰值檢測電路檢測信號的峰值并送至單片機的ADC輸入端，單片機對信號的峰值進行采樣和轉(zhuǎn)換，并調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)；第3路信號經(jīng)過電壓跟隨器，送至帶通濾波器組進行濾波，由單片機的頻譜分析結(jié)果來決定對某路濾波信號進行整形，整形后的信號送至單片機的定時器輸入端，進行計數(shù)，單片機根據(jù)計數(shù)結(jié)果，將流量信息顯示在LCD上，并通過自身的DAC轉(zhuǎn)換，送至4～20mA輸出與電源管理電路，經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出。
2、 如權(quán)利要求1所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于電荷 放大器由放大器U4A、電容C1、 C2、 C3、 C4 、 C5、 C6、 C41、電阻R2、 R3 組成，電容C1連接于反向輸入端，電容C2連接于正向輸入端，電容C5、 C6、電阻R3并聯(lián)于反向輸入端與輸出端之間，電容C3、 C4、電阻R2并聯(lián)后連接于正向輸入端，電壓放大器由放大器U5B、電容C29、電阻R4、 R5、 R6組成，電阻R4 連接于反向輸入端，電阻R5連接于正向輸入端，電阻R6和電容C29并聯(lián)于反向輸入端與輸出端之間，程控放大器由放大器U3A、數(shù)字電位器U8 、電容C42、電阻R7、 R8、 R9組成，數(shù)字電位器U8的輸出經(jīng)電阻R8與放大器的反向輸入端連接，電 阻R7也連接于反向輸入端，電阻R9連接于正向輸入端，數(shù)字電位器的片 選線、時鐘線和數(shù)據(jù)線與單片機的通用10 口相連，由單片機控制數(shù)字電位 器的電阻值，從而調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，低通濾波器由放大器U3B、電容C8、 C9、電阻RIO、 Rll、 R12、 R13組 成，程控放大器的輸出經(jīng)電阻R10、R11連接于放大器反向輸入端，電阻RIO、 R11之間的節(jié)點通過電容C8接地，通過電阻R12與放大器輸出端連接，放 大器的反向輸入端與輸出端之間還連接電容C9，電阻R13連接于正向輸入 端，放大器U3B的輸出端連接限流電阻R15、肖特基二極管D7。
3、 如權(quán)利要求1所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于電壓 跟隨器由放大器U3C和放大器U3D組成，兩個放大器呈并聯(lián)關(guān)系，正向輸 入端接收所述低通濾波器經(jīng)電阻R15送來的輸出信號，反向輸入端與輸出 端短接。
4、 如權(quán)利要求1所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于峰值檢測電路由放大器U6A、 U6B、 二極管D1、場效應(yīng)管Ql、電容CIO、 C43、 電阻R14組成，放大器U6A的正向輸入端接收所述低通濾波器經(jīng)電阻R15 送來的輸出信號，其輸出端經(jīng)過電阻R14、 二極管D1與放大器U6B正向輸 入端連接，放大器U6B正向輸入端還通過場效應(yīng)管Ql、電容C10接地，放 大器U6B的輸出端與反向輸入端短接，同時也與放大器U6A的反向輸入端 短接，峰值檢測電路中的場效應(yīng)管的柵極與單片機的通用10 口相連，峰值 檢測電路的輸出接至單片機的ADC輸入端；單片機控制場效應(yīng)管的通斷， 從而控制電容的充放電，使峰值檢測電路輸出當(dāng)前一段時間內(nèi)的峰值；單 片機對峰值檢測電路輸出的峰值信號進行采樣和轉(zhuǎn)換，再根據(jù)峰值去調(diào)整 數(shù)字電位器的電阻值。
5、如權(quán)利要求l所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于帶通 濾波器組由8個帶通濾波器組成，分別是放大器U1A、電容Cll、 Q2、電 阻R21、 R22、 R23、 R24、退耦電容C45;放大器U1B、電容C13、 C14、電 阻R25、 R26、 R27、 R28;放大器U1C、電容C15、 C16、電阻R29、 R30、 R31、 R32;放大器U1D、電容C17、 C18、電阻R33、 R34、 R35、 R36;放大器U2A、 電容C19、 C20、電阻R37、 R38、 R39、 R40、退耦電容C46;放大器U2B、 電容C21、 C22、電阻R41、 R42、 R43、 R44;放大器U2C、電容C23、 C24、 電阻R45、 R46、 R47、 R48;放大器U2D、電容C25、 C26、電阻R49、 R50、 R51、 R52，這8個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，覆蓋渦街流量計的頻帶范圍，并且相鄰?fù)◣чg有一 定的重疊，其中，輸入經(jīng)電阻R21、電容C11連接于放大器U1A的反向輸入端，電 阻R21、電容C11之間的節(jié)點通過電容C12與輸出端連接，通過電阻R22接 地，電阻R23連接于反向輸入端與輸出端之間，電阻R24連接與正向輸入 端，其余七個帶通濾波器的連接與上述結(jié)構(gòu)一致。
6、 如權(quán)利要求l所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于多路開關(guān)選通電路由U13組成，其8個輸入端分別與帶通濾波器組的8個通道 相連，公共端與施密特觸發(fā)器U14A的輸入端相連，3根控制線A、 B、 C分 別與單片機相連。
7、 如權(quán)利要求1所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于整形 電路由施密特觸發(fā)器U14A組成，其輸入端與多路開關(guān)選通電路的公共端連 接，輸出端與單片機連接。
8、 如權(quán)利要求1所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于單片 機型號為MSP430F1611。
9、 如權(quán)利要求1所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于4 20mA輸出與電源管理電路中，4 20rnA輸出電路由4 20rnA電流環(huán)變送器 XTR115、 二極管D2、 D3、 D4、 D5、穩(wěn)壓管D6、三極管Q2、參考源U7、放 大器U5A、電阻R61、 R62、 R63、 R64、電容C31、 C33、 C34、 C44、磁珠Ll 組成，單片機DAC輸出的電壓信號經(jīng)過電阻R61、 R62和R63送至XTR115 的第2腳，XTR115產(chǎn)生相應(yīng)的4 20mA電流信號從第4腳輸出，D2、 D3、 D4、 D5組成電橋，C34是濾波電容，穩(wěn)壓管D6起穩(wěn)壓作用，三極管Q2補 償XTR115輸出電流與系統(tǒng)消耗電流的差值部分，XTR115的第8腳輸出5V 直流電壓與電源管理電路中U9的第2腳相連，抬高U9的輸出電平，提供 5V電源，為數(shù)字電位器U8提供電源，R64、 U7、 C31和U5A組成參考電源， 提供1.235V參考電壓Vref， C44是退耦電容，磁珠Ll連接模擬地和數(shù)字 地，電源管理電路由DC/DC轉(zhuǎn)換器U11、三端穩(wěn)壓器U9、電阻R65、 R66、 R67、 R70、電容C38、 C39、 C51、 C37、 C48、電感L2組成，外部24V電源 電壓加在三端穩(wěn)壓器U9的第1腳，經(jīng)穩(wěn)壓后由U9的第3腳輸出，第3腳 的輸出電壓加在DC/DC變換器Ull的第1腳和第8腳，分別作為Ull的輸 入和使能信號，'R70和C48組成充電電路，由U10第8腳提供的5V電壓對 充電電路進行充電，通過低電壓監(jiān)測和充電電路實現(xiàn)各電源芯片U9、 U10、 Ull的上電順序，Ull的第9腳SW是電壓輸出腳，輸出電壓經(jīng)過電感L2的濾波后輸出， C38是濾波電容，C39是儲能電容，Ull的第4腳與單片機的第23腳P2. 3 相連，作為系統(tǒng)低電壓監(jiān)測。
10、如權(quán)利要求1所述的低功耗兩線制渦街流量計，其特征在于人 機接口電路由鍵盤電路和LCD顯示電路組成，分別與單片機連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及流量檢測領(lǐng)域，為一種低功耗兩線制渦街流量計。低功耗兩線制渦街流量計由壓電傳感器、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、峰值檢測電路、帶通濾波器組、多路開關(guān)選通電路、整形電路、單片機、人機接口電路和4～20mA輸出與電源管理電路組成，單片機檢測渦街信號的峰值和頻率，并據(jù)此控制程控放大器和帶通濾波器對渦街流量信號進行放大和濾波。該技術(shù)克服了現(xiàn)有技術(shù)不能在有效測量小流量、擴展量程比、提高測量精度的同時實現(xiàn)低功耗的問題。在保征有效測量小流量、擴展量程比和提高測量精度的同時實現(xiàn)了低功耗，輸出為4～20mA直流電流、工作電流小于4mA，實現(xiàn)了兩線制工作。
文檔編號G01F1/32GK101162162SQ20071016207
公開日2008年4月16日 申請日期2007年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者劉三山, 劉家祥, 楊 周, 徐科軍, 曾憲俊, 朱志海, 黃云志 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)