專(zhuān)利名稱(chēng)：改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(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，為一種低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(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)合的低
功耗、兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利公布了一種低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)(徐科軍，曾憲俊， 朱志海，劉三山等.低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利， 200710162074.5，申請(qǐng)日2007.11.14.)。這種流量計(jì)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(cè)電路、帶通濾波器組、多路開(kāi)關(guān)選通電路、整形電路、單片機(jī)、人機(jī)接 口電路和4 20mA輸出與電源管理電路組成，單片機(jī)檢測(cè)渦街信號(hào)的峰值和 頻率，并據(jù)此控制程控放大器和帶通濾波器對(duì)渦街流量信號(hào)進(jìn)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(cè)量小流量、擴(kuò)展量程比、提高測(cè) 量精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗的問(wèn)題。在保征有效測(cè)量小流量、擴(kuò)展量程比和 提高測(cè)量精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗，輸出為4 20mA直流電流、工作電流小 于4mA，實(shí)現(xiàn)了兩線(xiàn)制工作。但是，這種低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)存在以下 不足(1)對(duì)脈沖頻率計(jì)算采用的是在2秒鐘內(nèi)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)的方式，可能多 計(jì)或者少計(jì)一個(gè)脈沖，造成0.5Hz的頻率計(jì)算誤差；(2)用施密特觸發(fā)器作 為整形電路，其門(mén)檻電平和觸發(fā)幅度不可調(diào)節(jié)，不利于在有噪聲和小信號(hào) 幅值的情況下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形；(3)設(shè)計(jì)的帶通濾波器只能適用于一種口 徑的液體或者一種口徑的氣體流量計(jì)，適用面窄；(4)電路的模擬地直接接 儀表外殼以實(shí)現(xiàn)屏蔽，但是，這樣的連接無(wú)法通過(guò)安全性能試驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決已經(jīng)申請(qǐng)專(zhuān)利中存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提供一種適用范圍更寬、精度更高、抗干擾能力更強(qiáng)、功耗更低的低功耗兩線(xiàn)制渦街
流量計(jì)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是采用差分電荷放大器，代替原來(lái)的電荷 放大器，以提高提取渦街信號(hào)的能力，同時(shí)，增強(qiáng)抗干擾能力；將原來(lái)由 單運(yùn)算放大器組成的帶通濾波器改成由高通濾波器與低通濾波器級(jí)聯(lián)組成 帶通濾波器，以獲得更好的通帶特性；將峰值檢測(cè)電路放在帶通濾波器之 后，以提高峰值檢測(cè)的精度；將比較器配置成觸發(fā)器對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行整形， 利用定時(shí)器捕獲方式，采用多周期等精度的頻率測(cè)量方法，提高測(cè)量精度； 電路的模擬地不接儀表外殼，而是通過(guò)在電荷放大器外設(shè)置一個(gè)屏蔽盒， 同時(shí)，將電路的模擬地通過(guò)串聯(lián)電容和電感的方式，接至儀表外殼，以實(shí) 現(xiàn)屏蔽和通過(guò)安全性能試驗(yàn)；分別針對(duì)液體和氣體兩種被測(cè)介質(zhì)設(shè)計(jì)信號(hào) 處理系統(tǒng)，增強(qiáng)了儀表的通用性；增加溫度和壓力補(bǔ)償電路和功能，以便 用于氣體流量的測(cè)量；設(shè)計(jì)更加有效的電源模塊，外部提供的24V直流電 壓通過(guò)DC/DC (直流/直流變換器)變換成3.3V電壓，經(jīng)過(guò)LDO (低壓差 線(xiàn)性穩(wěn)壓器)變成3V電壓，作為數(shù)字部分的電源；3.3V再通過(guò)另一路LDO 變換成3V電壓，作為模擬電路部分的電源，模擬地和數(shù)字地之間通過(guò)磁珠 連接；24V電壓通過(guò)另一片LDO變換成7V電壓，作為溫度和壓力補(bǔ)償電 路部分的電源。
改進(jìn)后的低功耗兩線(xiàn)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(ADC)。
壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)差分電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng) 過(guò)電壓放大器、程控放大器、低通濾波器后分為2路，第l路信號(hào)經(jīng)電壓 跟隨器送至單片機(jī)的ADC輸入端，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)快速傅立葉變換(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，進(jìn)行濾波；第2路信號(hào)送至帶通濾波器組濾波；經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，信號(hào)又分為2路，第l路送
至峰值檢測(cè)電路，峰值檢測(cè)電路檢測(cè)出峰值，送至單片機(jī)的ADC輸入端， 單片機(jī)對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)；第2 路信號(hào)送至整形電路進(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， 進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)根據(jù)頻率計(jì)算結(jié)果，將流量信息顯示在LCD上，并通過(guò) 自身的DAC轉(zhuǎn)換，送至4 20mA輸出與電源管理電路經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換成4 20mA 電流信號(hào)輸出。
差分電荷放大器由放大器U1A、 U1B、電容C1、 C2、 C7、 C9 、 Cll、 C12、 C13、電阻R2、 R9、 RIO、 Rll、 R16組成，其中，Cl、 C2、 C12、 C13是反饋 電容，決定了電荷放大器的放大倍數(shù)。
電壓放大器由放大器U2B、電容C3、電阻R3、 R5、 R12、 R13組成。 程控放大器由放大器U3A、數(shù)字電位器U4、電容C4、 C6、 CIO、電阻 Rl、 R6、 R14組成，數(shù)字電位器U4的輸出端L、 H與電阻R1串聯(lián)，作為U3A 的反饋電阻。其中，數(shù)字電位器U4的片選線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)與單片機(jī)的 通用I/0口相連，由單片機(jī)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C5、 C8、電阻R4、 R7、 R8、 R15組成。 電壓跟隨器由放大器U3C和放大器U3D組成，兩個(gè)放大器呈并聯(lián)關(guān)系， 同相輸入端接收所述低通濾波器送來(lái)的輸出信號(hào)。
帶通濾波器組由1個(gè)低通濾波器與7個(gè)帶通濾波器組成。其中，低通 濾波器由放大器U6A、電容C17、 C22、電阻R18、 R21、 R22、 R25、退耦電 容C24組成；第1個(gè)帶通濾波器由放大器U6D、電容C32、 C33、 C30、電阻 R31、 R37、 R41，放大器U6B、電容C28、 C36、電阻R29、 R33、 R34、 R38 組成；第2個(gè)帶通濾波器由放大器U7A、電容C42、 C43、 C40、電阻R45、 R51、 R55、退耦電容C26，放大器U7B、電容C38、 C46、電阻R43、 R47、 R48、 R52組成；第3個(gè)帶通濾波器由放大器U7D、電容C50、 C52、 C53、電 阻R59、 R65、 R69，放大器U7C、電容C48、 C56、電阻R57、 R61、 R62、 R66 組成；第4個(gè)帶通濾波器由放大器U9A、電容C51、 C54、 C55、電阻R60、R68、 R70、退耦電容C27，放大器U9B、電容C49、 C57、電阻R58、 R63、 R64、 R67組成；第5個(gè)帶通濾波器由放大器U9D、電容C41、 C45、 C44、電 阻R46、 R54、 R56，放大器U9C、電容C39、 C47、電阻R44、 R49、 R50、 R53 組成；第6個(gè)帶通濾波器由放大器U8C、電容C31、 C34、 C35、電阻R32、 R40、 R42，放大器U8D、電容C29、 C37、電阻R30、 R35、 R36、 R39組成; 第7個(gè)帶通濾波器由放大器U8B、電容C19、 C20、 C21、電阻R20、 R27、 R28， 放大器U8A、電容C18、 C23、電阻R19、 R23、 R24、 R26、退耦電容C25組 成；這7個(gè)帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)相同，均是用1個(gè)高通濾波器和1個(gè)低 通濾波器級(jí)聯(lián)組成，但是，參數(shù)不同，從而通帶互不相同，又相互連接， 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。
濾波器選擇電路由Ull組成，其8個(gè)輸入端分別與帶通濾波器組的8 個(gè)通道相連，Ull輸出端第3管腳通過(guò)電阻R74與整形電路U12的輸入端相 連。整形電路U12由比較器組成，與普通的施密特觸發(fā)器相比，這里的比 較器加了一個(gè)門(mén)檻，波形要超過(guò)門(mén)檻值才能觸發(fā)脈沖，具有較強(qiáng)的抗干擾 能力。信號(hào)進(jìn)行整形后，輸出為規(guī)則的方波，再送入單片機(jī)U3的第12腳， 即P1.0口，進(jìn)行計(jì)數(shù)。這里采用捕獲方式，利用多周期等精度測(cè)量方法， 對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，提高了測(cè)量精度。
單片機(jī)U3的型號(hào)為MSP430F1611。
峰值檢測(cè)電路由放大器U10A、 U10B、 二極管Dl、 D2、場(chǎng)效應(yīng)管Ql、 電容C58、 C59、 C60、電阻R71、 R72、 R73組成。放大器UIOA的正向輸入 端接收所述多路開(kāi)關(guān)Ull的輸出信號(hào)。峰值檢測(cè)電路中的場(chǎng)效應(yīng)管的柵極 與單片機(jī)的通用10 口相連，峰值檢測(cè)電路的輸出接至單片機(jī)的ADC輸入端； 單片機(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，從而控制電容的充放電，使峰值檢測(cè)電路輸 出當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)的峰值；單片機(jī)對(duì)峰值檢測(cè)電路輸出的峰值信號(hào)進(jìn)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。
4 20mA輸出和電源管理模塊由4 20mA電流變送器XTR115、 DC/DC、 三個(gè)LDO和磁珠BEAD組成。24V直流電壓先經(jīng)過(guò)DC/DC由24V變?yōu)?. 3V， 經(jīng)過(guò)LDO變成3V電壓，作為數(shù)字部分的電源，3.3V再通過(guò)另一路LDO變換成3V電壓，作為模擬電路部分的電源，模擬地和數(shù)字地之間通過(guò)磁珠 連接，這樣數(shù)字部分跟模擬部分電平匹配，而且單片機(jī)在3V電壓下消耗電
流更小。同時(shí)，由24V直流電壓經(jīng)過(guò)一級(jí)LD0變?yōu)?V，供溫壓補(bǔ)償部分恒 流源工作。系統(tǒng)消耗的電流由XTR115檢測(cè)并調(diào)整輸出電流。由于系統(tǒng)電源 跟輸入之間沒(méi)有進(jìn)行隔離，將表殼(大地)和系統(tǒng)地(模擬地、數(shù)字地) 之間進(jìn)行隔離來(lái)滿(mǎn)足絕緣的要求(即浮地)。
恒流源電路由2. 5V基準(zhǔn)電源U14、運(yùn)算放大器U15B、三極管Q2、 Q3、 電阻R77、 R78、 R88、 R83、 R90組成，為溫度傳感器R86和壓力傳感器R87 提供恒流源。溫度傳感器R86，為鉑電阻，兩端Temp+和Temp-接至ADCU16 的輸入端。壓力傳感器R87，由Ra、 Rb、 Rc、 Rd組成，輸出信號(hào)為Press+ 和Press-，先經(jīng)過(guò)一級(jí)由運(yùn)算放大器U13A、 U13B、電阻R76、 R79、 R81、 R84、 R85、 R89、電位器R82、電容C66、 C68、退耦電容C63組成的差分放 大器放大，然后，接至16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器U16的輸入端。
U16是個(gè)16位的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(xiàn)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。
人機(jī)接口電路由鍵盤(pán)電路和LCD顯示電路組成，分別與單片機(jī)連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)了差分電荷放大器，代替原來(lái)的單一的電荷放
大器，提高了渦街信號(hào)的提取能力，同時(shí)，增強(qiáng)抗干擾性能；設(shè)計(jì)了由高 通濾波器與低通濾波器級(jí)聯(lián)組成帶通濾波器，取代了原來(lái)由單運(yùn)算放大器 組成的帶通濾波器，獲得更好的通帶特性；將峰值檢測(cè)電路放在帶通濾波 器組之后，以提高峰值檢測(cè)的精度；利用定時(shí)器捕獲方式，采用多周期等 精度的頻率測(cè)量方法，對(duì)整形的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，克服了過(guò)去所用的定時(shí)器 計(jì)數(shù)方式可能存在的±1個(gè)脈沖的計(jì)數(shù)誤差，提高了測(cè)量精度；在電荷放大 器外設(shè)置了一個(gè)屏蔽盒，以增強(qiáng)抗電磁干擾的能力，同時(shí)，將電路的模擬 地串聯(lián)電容和電感，接至儀表的外殼，以符合儀表安全性能試驗(yàn)的要求； 分別針對(duì)液體和氣體兩種被測(cè)介質(zhì)設(shè)計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)，增強(qiáng)了儀表的通用 性；增加溫度和壓力補(bǔ)償電路和功能，可以將儀表用于氣體流量的測(cè)量；
9設(shè)計(jì)了更加有效的電源管理模塊，即使外部的電源電壓降到14V，儀表也
能正常工作。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的硬件框圖。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中差分電荷放大器和電壓放大器的電路原理圖。 圖3是偏置電壓電路原理圖。
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)中程控放大器和其中的數(shù)字電位器的電路原理圖。 圖5是本發(fā)明系統(tǒng)中低通濾波器和電壓跟隨器的電路原理圖。 圖6是單片機(jī)芯片管腳接線(xiàn)示意圖。
圖7是本發(fā)明系統(tǒng)中帶通濾波器組中的4個(gè)濾波器的電路原理圖
圖8是本發(fā)明系統(tǒng)中帶通濾波器組中的另外4個(gè)濾波器的電路原理圖
圖9是本發(fā)明系統(tǒng)中濾波器選擇電路的電路原理圖。
圖IO是本發(fā)明系統(tǒng)中整形電路的電路原理圖。
圖11是峰值檢測(cè)電路的電路原理圖。
圖12是4 20mA輸出和電源管理電路的電路原理圖。
圖13是恒流源、溫度傳感器和壓力傳感器原理圖。
圖14是壓力傳感器差分放大器電路原理圖
圖15是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的電路原理圖。
圖16是本發(fā)明系統(tǒng)中鍵盤(pán)輸入電路示意圖。
圖17是本發(fā)明系統(tǒng)中LCD顯示芯片接線(xiàn)示意圖。
圖18是本發(fā)明系統(tǒng)軟件框圖。
圖19是本發(fā)明系統(tǒng)中主監(jiān)控程序流程圖。
圖20是本發(fā)明系統(tǒng)脈沖捕獲原理框圖。
圖21是本發(fā)明系統(tǒng)定時(shí)器B的中斷服務(wù)程序流程圖。
圖22是本發(fā)明系統(tǒng)頻率估算流程圖。
圖23是本發(fā)明系統(tǒng)中帶通濾波器組中濾波器通道選擇流程圖。 圖24是本發(fā)明系統(tǒng)中程控放大器調(diào)整流程圖。 圖25是本發(fā)明系統(tǒng)中流量計(jì)算流程圖。
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)思想是既采用數(shù)字信號(hào)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(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 通帶覆蓋渦街信號(hào)所在的頻帶，根據(jù)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，最大限度地消除各種諧波和現(xiàn)場(chǎng)噪聲對(duì)測(cè)量的影響，提高 測(cè)量精度。采用數(shù)字電位器和運(yùn)算放大器組成程控放大器，通過(guò)峰值檢測(cè) 確定渦街信號(hào)的幅值，調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)，使信號(hào)的幅值達(dá)到最 佳范圍，適應(yīng)大流量和小流量的測(cè)量的需要，擴(kuò)展量程比。選用低功耗的 單片機(jī)芯片，并設(shè)計(jì)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4-20mA，實(shí)現(xiàn)兩線(xiàn)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(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，再經(jīng)過(guò)一級(jí) 固定的電壓放大器和一級(jí)程控放大器。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，然后分為2路。第l路信號(hào)由電壓跟隨器(緩沖器) 輸出，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。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)。經(jīng)過(guò)帶通濾波器組的輸出信號(hào)分為2 路。第1路送至峰值檢測(cè)電路；峰值檢測(cè)電路將信號(hào)的峰值送至單片機(jī)ADC 的輸入端；單片機(jī)對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并根據(jù)峰值來(lái)調(diào)整程控 放大器的放大倍數(shù)，使信號(hào)的幅值達(dá)到最佳范圍；第2路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)算。單片機(jī)根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果，
將流量信息顯示在LCD上，并通過(guò)自身的DAC轉(zhuǎn)換，送至4 20mA輸出與 電源管理電路，經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換成4 20mA電流信號(hào)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(hào)經(jīng)由放大 器U1A、 U2B、電容C1、 C2、 C7、 C9 、 Cll、 C12、 C13、電阻R2、 R9、 RIO、 Rll、 R16組成的差分電荷放大器放大，其中，Cl、 C2、 C12、 C13是反饋電 容，決定了電荷放大器的放大倍數(shù)；然后，經(jīng)由放大器U2B、電容C3、電 阻R3、 R5、 R12、 R13組成的電壓放大器放大。圖2和其它圖中的偏置電壓 Vref由圖3所示的偏置電路提供。偏置電路由U5、運(yùn)算放大器U2A、電阻 R17和電容C16、 C17組成，提供1.235V直流電壓。
經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)隔直電容C9，去除直流成分后，送至由放大器 U3A、數(shù)字電位器U4、電容C4、 C6、 CIO、電阻R1、 R6、 R14組成的程控放 大器，如圖4所示。圖中，數(shù)字電位器U4的輸出端L、 H與電阻R1串聯(lián)， 作為U3A的反饋電阻；數(shù)字電位器U4的片選線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)與單片機(jī) 的通用IO口相連，由單片機(jī)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)。采用程控放大器是考慮到渦街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。并且，同一傳感器測(cè)量不同介質(zhì)的流量時(shí)，信號(hào)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(hào)的幅值基本 保持相等，以擴(kuò)展量程比，并使送到單片機(jī)ADC輸入端的電壓幅值接近滿(mǎn) 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(yùn)算放大 器和數(shù)字電位器組成程控放大器，成本低，功耗低。
經(jīng)過(guò)程控放大器后的信號(hào)送至低通濾波器和電壓跟隨器，如圖5所示。 低通濾波器由放大器U3B、電容C5、 C8、電阻R4、 R7、 R8、 R15組成。電 壓跟隨器由放大器U3C和放大器U3D組成，兩個(gè)放大器呈并聯(lián)關(guān)系，同相 輸入端接收所述低通濾波器送來(lái)的輸出信號(hào)。
電壓跟隨器的輸出信號(hào)分為2路。第1路為Signal,送至單片機(jī)的第59管腳P6. 0/A0，如圖6所示，供單片機(jī)ADC采樣轉(zhuǎn)換后進(jìn)行周期圖譜分析。 第2路為BPF，送至帶通濾波器組進(jìn)行濾波，如圖7和圖8所示。
雖然渦街流量傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)了如前所述的低通濾波器， 一些高頻信號(hào) 被消除。但是，由于渦街信號(hào)頻率的變化范圍較寬，從0.5Hz至3.7KHz。 在這個(gè)頻帶范圍內(nèi)，可能包含渦街流量信號(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)一組模擬帶通濾波器，包括l個(gè)低通濾波 器和7個(gè)帶通濾波器，如圖7和圖8所示。其中，低通濾波器是放大器U6A、 電容C17、 C22、電阻R18、 R21、 R22、 R25、退耦電容C24;第1個(gè)帶通濾 波器是放大器U6D、電容C32、 C33、電阻R31、 R37、 R41，放大器U6B、電 容C28、 C36、電阻R29、 R33、 R34、 R38;第2個(gè)帶通濾波器是放大器U7A、 電容C42、 C43、電阻R45、 R51、 R55、退耦電容C26，放大器U7B、電容C38、 C46、電阻R43、 R47、 R48、 R52;第3個(gè)帶通濾波器是放大器U7D、電容C50、 C52、 C53、電阻R59、 R65、 R69，放大器U7C、電容C48、 C56、電阻R57、 R61、 R62、 R66;第4個(gè)帶通濾波器是放大器U9A、電容C51、 C54、 C55、 電阻R60、 R68、 R70、退耦電容C27，放大器U9B、電容C49、 C57、電阻R58、 R63、 R64、 R67;第5個(gè)帶通濾波器是放大器U9D、電容C41、 C45、 C54、 電阻R46、 R54、 R56,放大器U9C、電容C39、 C47、電阻R44、 R49、 R50、 R53;第6個(gè)帶通濾波器是放大器U8C、電容C31、 C34、 C35、電阻R32、 R40、 R42,放大器U8D、電容C29、 C37、電阻R30、 R35、 R36、 R39;第7個(gè)帶通 濾波器是放大器U8B、電容C19、 C20、 C21、電阻R20、 R27、 R28，放大器 U8A、電容C18、 C23、電阻R19、 R23、 R24、 R26、退耦電容C25。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l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特性比較平坦，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lHz至500Hz;針對(duì)25腿至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。
帶通濾波器組中的8個(gè)濾波器均可能有輸出，但是，只有一個(gè)濾波器 的輸出信號(hào)是代表渦街流量信號(hào)、且受干擾影響小。本發(fā)明系統(tǒng)選用8選1 多路開(kāi)關(guān)Ull，如圖9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，公共端即開(kāi)關(guān)輸出端3通過(guò)電阻R74與比較器U12的輸入端3 相連，如圖10所示。在圖9中，U11的3根控制線(xiàn)A、 B、 C分別與單片機(jī) 的I/O 口 P5. 3、 P5. 2、 P5. 1相連，如圖6所示。Ull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。 被選通的信號(hào)是經(jīng)過(guò)濾波、含有最少噪聲的渦街信號(hào)，送入比較器U12進(jìn) 行整形，輸出為規(guī)則的方波，再送入單片機(jī)的Pl.O，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(mén)檻電壓，波形要超過(guò)門(mén)檻值 才能觸發(fā)脈沖，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
8選1多路開(kāi)關(guān)Ull的輸出還接至峰值檢測(cè)電路的輸入端，即U10A的 同相輸入端3，如圖11所示。峰值檢測(cè)電路由放大器U10A、 U10B、 二極管 Dl、 D2、場(chǎng)效應(yīng)管Ql、電容C58、 C59、 C60、電阻R71、 R72、 R73組成。 放大器U10A的同相輸入端接收所述多路開(kāi)關(guān)U11的輸出信號(hào)。峰值檢測(cè)電 路中的場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與單片機(jī)的通用I/O 口相連，峰值檢測(cè)電路的輸出 接至單片機(jī)的ADC輸入端；單片機(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，從而控制電容的 充放電，使峰值檢測(cè)電路輸出當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)的峰值；單片機(jī)對(duì)峰值檢測(cè)電路輸出的峰值信號(hào)進(jìn)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。將峰值檢測(cè)電路放在帶通濾波器之后，測(cè)量經(jīng)過(guò)濾波后信號(hào)的幅值， 可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。
本發(fā)明系統(tǒng)采用TI公司的單片機(jī)MSP430F1611為處理核心，如圖6所 示。由于本發(fā)明系統(tǒng)要做到超低功耗，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)功耗，而MSP430F1611 單片機(jī)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(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5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DCO(數(shù)字振蕩器)時(shí)鐘系統(tǒng)；另外，它采用矢量 中斷，支持十多個(gè)中斷源，用中斷請(qǐng)求喚醒CPU只需要6戸。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)。
MSP430F1611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)，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(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)中數(shù)字信號(hào)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(mén) 狗、模擬比較器A，定時(shí)器A、定時(shí)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(xiàn)、直接存儲(chǔ)器存取(DMA)、 端口 1 端口6 (P1 P6)和基本定時(shí)器。雖然MSP430F1611沒(méi)有集成液晶 驅(qū)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。
MSP430F1611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(xiàn)、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。
4 20mA輸出和電源管理模塊由4 20mA電流變送器XTR115、 DC/DC、 三個(gè)LDO和磁珠BEAD組成。24V直流電壓先經(jīng)過(guò)DC/DC由24V變?yōu)?. 3V， 經(jīng)過(guò)LDO變成3V電壓，作為數(shù)字部分的電源，3.3V再通過(guò)另一路LDO 變換成3V電壓，作為模擬電路部分的電源，模擬地和數(shù)字地之間通過(guò)磁珠 連接，這樣數(shù)字部分跟模擬部分電平匹配，而且單片機(jī)在3V電壓下消耗電 流更小。同時(shí)，由24V直流電壓經(jīng)過(guò)一級(jí)LD0變?yōu)?V，供溫壓補(bǔ)償部分恒 流源工作。系統(tǒng)消耗的電流由XTR115檢測(cè)并調(diào)整輸出電流。由于系統(tǒng)電源 跟輸入之間沒(méi)有進(jìn)行隔離，將表殼(大地)和系統(tǒng)地(模擬地、數(shù)字地) 之間進(jìn)行隔離來(lái)滿(mǎn)足絕緣的要求(即浮地)。
如圖13所示，恒流源電路由2. 5V基準(zhǔn)電源U14、運(yùn)算放大器U15B、 三極管Q2、 Q3、電阻R77、 R78、 R88、 R83、 R90組成，為溫度傳感器R86 和壓力傳感器R87提供恒流源。溫度傳感器R86，為鉑電阻，兩端Temp+和 Te即-接至ADC U16的輸入端。壓力傳感器R87，由Ra、 Rb、 Rc、 Rd組成， 輸出信號(hào)為Press+和Press-，先經(jīng)過(guò)一級(jí)由運(yùn)算放大器U13A、 U13B、電阻 R76、 R79、 R81、 R84、 R85、 R89、電位器R82、電容C66、 C68、退耦電容 C63組成的差分放大器放大，如圖14所示；然后，接至16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 U16的輸入端，如圖15所示。U16是個(gè)16位的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(xiàn)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(pán)電路和LCD顯示電路組成，如圖16 和圖17所示。鍵盤(pán)電路采用簡(jiǎn)單的非編碼鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，共安排了四鍵設(shè)定、 移位、遞增和確認(rèn)，如圖16所示。鍵值由單片機(jī)的通用I/O 口中的Pl 口 定時(shí)掃描，四鍵分別占用P1.4， P1.5， P1.6, P1.7。當(dāng)有鍵按下時(shí)相應(yīng)的 口線(xiàn)為高電平。本發(fā)明系統(tǒng)的LCD電路如圖17所示。選用定制的液晶顯示 器，專(zhuān)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。
本發(fā)明系統(tǒng)軟件總體框圖如圖18所示，由主監(jiān)控程序模塊、保護(hù)模塊、中斷模塊、初始化模塊、程控放大器調(diào)整模塊、計(jì)算模塊、電流輸出模塊、 人機(jī)接口模塊組成。其中，初始化模塊包括LCD初始化、流體介質(zhì)和儀表
口徑初始化、峰值檢測(cè)模塊初始化、4-20mA電流輸出模塊初始化、溫度和 壓力補(bǔ)償模塊初始化、掉電保護(hù)模塊初始化、流量計(jì)算模塊初始化、帶通 濾波器選擇初始化。
圖18中的主監(jiān)控程序模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的總調(diào)度程序，調(diào)用各個(gè)模 塊中的子程序，實(shí)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 19所示。它是一個(gè)循環(huán)程序，系統(tǒng)一上電，主監(jiān)控程序自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)入不 斷査詢(xún)標(biāo)志和進(jìn)行相應(yīng)處理的循環(huán)中?；具^(guò)程為系統(tǒng)上電后，立即進(jìn) 行初始化；初始化后，首先査詢(xún)FFT計(jì)算標(biāo)志位是否置位，若置位，則調(diào) 用FFT計(jì)算模塊，對(duì)經(jīng)過(guò)電荷放大、電壓放大、低通濾波和電壓跟隨后的 渦街傳感器信號(hào)做FFT計(jì)算、頻譜分析和校正，估計(jì)出最大能量所在的頻 率，根據(jù)這個(gè)頻率來(lái)選擇帶通濾波器，并設(shè)置峰值檢測(cè)時(shí)間的間隔，處理 完成后清除標(biāo)志位；然后，査詢(xún)發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)的標(biāo)志位是否置位。
為了進(jìn)行多周期等精度測(cè)量，我們?cè)O(shè)置定時(shí)器A(TA)為渦街信號(hào)脈沖計(jì) 數(shù)器，設(shè)置定時(shí)器B(TB)為填充脈沖計(jì)數(shù)器，讓TA的PWM模塊(TA1)定時(shí)發(fā) 觸發(fā)捕獲信號(hào)(定時(shí)時(shí)間由測(cè)量頻率的下限而定)，TA和TB根據(jù)相鄰兩次 觸發(fā)捕獲信號(hào)之間的時(shí)間間隔，分別捕獲渦街信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)和填充脈沖 個(gè)數(shù)，根據(jù)TA和TB捕獲得到的脈沖數(shù)以及TB的工作時(shí)鐘頻率計(jì)算出渦街 信號(hào)的頻率，如圖20所示。定時(shí)器A的工作時(shí)鐘由外部提供，這就是說(shuō)外 部脈沖每增加-一次，定時(shí)器A計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值就會(huì)增加一次，即定時(shí)器A是 用來(lái)對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的。定時(shí)器B用來(lái)產(chǎn)生時(shí)間間隔，每次定時(shí)時(shí)間 到就發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)。根據(jù)這個(gè)捕獲信號(hào)，定時(shí)器A的一個(gè)P麗單元(TA1) 就產(chǎn)生上升沿，定時(shí)器A的捕獲單元(TA2)和定時(shí)器B捕獲單元(TB2)根 據(jù)這個(gè)上升沿，將其各自的計(jì)數(shù)器值捕獲進(jìn)來(lái)，計(jì)算出相鄰兩次信號(hào)的TA 的計(jì)數(shù)差值A(chǔ)^和TB的計(jì)數(shù)差值乂.，則
<formula>formula see original document page 17</formula>(1)式中，F(xiàn)、為定時(shí)器B的丁作時(shí)鐘頻率，F(xiàn)工為定時(shí)器A的工作時(shí)鐘頻率，即 被測(cè)渦街流量信號(hào)的頻率。
圖19中，若發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)的標(biāo)志位置位，則設(shè)置TA1發(fā)觸發(fā)捕獲信 號(hào)，發(fā)完后清除標(biāo)志位；然后，改變ADC的采樣通道，采集經(jīng)過(guò)電荷放大、 電壓放大、低通濾波、帶通濾波后的渦街傳感器信號(hào)的峰值；而峰值檢測(cè) 的控制過(guò)程是査詢(xún)放電標(biāo)志位是否置位，若置位，則首先査詢(xún)是否是第 一次放電，若是，則直接進(jìn)行放電，若不是第一次放電，則啟動(dòng)ADC去采 樣信號(hào)的峰值，啟動(dòng)后延時(shí)一段時(shí)間，再進(jìn)行放電，處理完成后清除標(biāo)志 位；接下來(lái)，查詢(xún)調(diào)整放大倍數(shù)標(biāo)志位是否置位，若置位，調(diào)用調(diào)整放大 倍數(shù)模塊，處理完成后，清除標(biāo)志位；然后，查詢(xún)計(jì)算流量標(biāo)志位是否置 位，若置位，則調(diào)用流量計(jì)算模塊，處理完成后清除標(biāo)志位；査詢(xún)重新設(shè) 置采樣頻率標(biāo)志位，若置位，則調(diào)用設(shè)置采樣頻率模塊，根據(jù)流體介質(zhì)和 儀表口徑設(shè)置釆樣頻率，處理完成后清除標(biāo)志位；查詢(xún)LCD刷新標(biāo)志位是 否置位，若置位，則調(diào)用LCD刷新模塊，刷新LCD，處理完成后，清除LCD 刷新標(biāo)志位；最后，查詢(xún)保存累計(jì)流量標(biāo)志位是否置位，若置位，則保存 累計(jì)流量，處理完成后，清除標(biāo)志位。完成上述查詢(xún)、處理功能后，主監(jiān) 控程序返回，重新開(kāi)始下一輪?wèn)嗽?xún)、處理，不斷循環(huán)。
用TB的定時(shí)中斷作為系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，系統(tǒng)中各個(gè)模塊參照這個(gè)基準(zhǔn) 進(jìn)行工作。具體地說(shuō)，單片機(jī)的晶振頻率是8MHz，經(jīng)過(guò)分頻，得到lMHz的 SMCLK，再經(jīng)過(guò)4分頻，得到250KHz的工作時(shí)鐘，送入TB。 TB根據(jù)這個(gè)工 作時(shí)鐘，產(chǎn)生0.1秒的定時(shí)作為系統(tǒng)工作的時(shí)間基準(zhǔn)。根據(jù)這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)， 在程序中設(shè)定各個(gè)模塊的起始和結(jié)束工作的時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)工作的定時(shí)是: 設(shè)定ADC第一通道，采集渦街傳感器的數(shù)據(jù)；進(jìn)行FFT計(jì)算，得到功率譜， 估計(jì)出頻率，選擇帶通濾波器的通道；設(shè)定ADC第二通道，采集渦街傳感 器的數(shù)據(jù)，計(jì)算峰值，調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)；發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)；進(jìn) 行流量計(jì)算。例如，整個(gè)系統(tǒng)工作循環(huán)1次設(shè)定為2s。若采集數(shù)據(jù)和FFT 計(jì)算需要0.426s時(shí)間，那么，設(shè)定程序在O. ls時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)；在0.6s 時(shí)設(shè)發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)；在0.7s到L8s之間采集信號(hào)，計(jì)算峰值，進(jìn)行程控放大器放大倍數(shù)調(diào)整；在1. 9S時(shí)開(kāi)始計(jì)算流量。
圖21是定時(shí)器B(TB)中斷子程序流程圖。當(dāng)TA捕獲到渦街信號(hào)脈沖時(shí)， 將在TA的中斷服務(wù)程序中將TB捕獲到的時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)保存起來(lái)，同時(shí)， 設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位。在TB中斷服務(wù)程序中，査詢(xún)這個(gè)標(biāo)志位，若置位，則表 示已經(jīng)將TB捕獲到的時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)保存起來(lái)，此時(shí)，就可以將TB捕獲到 的時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)清零。接下來(lái)，通過(guò)數(shù)時(shí)間基準(zhǔn)的個(gè)數(shù)，來(lái)判斷是否到了 預(yù)先設(shè)定的掃描鍵盤(pán)的時(shí)間，若到，則掃描鍵盤(pán)；若沒(méi)有到或者超過(guò)了， 就通過(guò)數(shù)時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)，來(lái)判斷是否到了預(yù)先設(shè)定采集用于FFT計(jì)算的數(shù) 據(jù)的時(shí)間，若到，則設(shè)置ADC去采集數(shù)據(jù)，同時(shí)，設(shè)置DMA傳送采集的數(shù) 據(jù)到內(nèi)存；若沒(méi)有到或者超過(guò)了，就通過(guò)數(shù)時(shí)間基準(zhǔn)的個(gè)數(shù)來(lái)判斷是否到 了預(yù)先設(shè)定的發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)的時(shí)間，若到，就設(shè)置發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)的標(biāo) 志；若沒(méi)有到或者超過(guò)了，就通過(guò)數(shù)時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)來(lái)判斷是否到了峰值檢 測(cè)的時(shí)間，若到，則開(kāi)始峰值檢測(cè)過(guò)程；若沒(méi)有到或者超過(guò)了，就判斷流 量計(jì)算時(shí)間是否到。
峰值檢測(cè)的過(guò)程為先放電，放電時(shí)間是O. ls;然后，再充電，充電
時(shí)間也是O. 1S;再設(shè)置ADC對(duì)第一次峰值采樣；當(dāng)采樣完成后，再開(kāi)始放 電；放電O. 1S后，再充電O. 1S;再設(shè)置ADC對(duì)第二次峰值進(jìn)行釆樣；采樣
完成后，再放電；按照此方式，經(jīng)過(guò)3次峰值采樣后，就進(jìn)行程控放大器
放大倍數(shù)的調(diào)整。這個(gè)過(guò)程在程序中是這樣實(shí)現(xiàn)的數(shù)時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)，判
斷是否當(dāng)?shù)搅祟A(yù)先設(shè)定的第一次峰值檢測(cè)的時(shí)間，若到，則設(shè)置第一次放
電標(biāo)志；若沒(méi)有到或者超過(guò)了，就判斷時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)是否超過(guò)了預(yù)先設(shè)定 第一次峰值檢測(cè)的時(shí)間，若超過(guò)了，則表示已經(jīng)進(jìn)行過(guò)一次放電；接著， 判斷第一次峰值檢測(cè)標(biāo)志是否置位，若置位，則表示第一次放電已經(jīng)結(jié)束， 此時(shí)就設(shè)置充電標(biāo)志；若沒(méi)有置位，則繼續(xù)判斷充電標(biāo)志是否已經(jīng)置位； 若置位，則繼續(xù)判斷是否充電完畢；若充電完畢，則設(shè)置放電標(biāo)志；若充 電標(biāo)志沒(méi)有置位，或者充電標(biāo)志已經(jīng)置位，但充電沒(méi)有完畢，則繼續(xù)判斷放 電標(biāo)志是否置位；若置位，則繼續(xù)判斷放電是否完畢；若放電完畢，則設(shè) 置充電標(biāo)志；若放電標(biāo)志沒(méi)有置位，或者放電標(biāo)志置位，但沒(méi)有放電完畢，則繼續(xù)判斷時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)是否到了預(yù)先設(shè)定的流暈計(jì)算的時(shí)間。若到了預(yù) 先設(shè)定的流量計(jì)算時(shí)間，則設(shè)置流量計(jì)算標(biāo)志，若沒(méi)有到或者超過(guò)了，就 繼續(xù)判斷時(shí)間基準(zhǔn)個(gè)數(shù)是否等于預(yù)先設(shè)定的工作循環(huán)結(jié)束的時(shí)間；若等于， 則繼續(xù)判斷是否到了累積流量保存的時(shí)間。當(dāng)工作循環(huán)時(shí)間為2s，累積流量
保存循環(huán)時(shí)間為3分鐘，則經(jīng)過(guò)90次工作循環(huán)后，就應(yīng)該保存累積流量， 所以每次工作循環(huán)結(jié)束后，都要判斷是否到了保存累積流量的時(shí)間；若沒(méi) 有到保存累積流量的時(shí)間，但已經(jīng)到了工作循環(huán)結(jié)束的時(shí)間，則先設(shè)定重 新設(shè)置采樣頻率的標(biāo)志，再設(shè)置刷新液晶的標(biāo)志。
圖22是頻率估算流程圖。對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，計(jì)算頻率值，再選擇帶通 濾波器組的通道，接著設(shè)置峰值采樣時(shí)間間隔，即具體選定帶通濾波器組 中的一個(gè)帶通濾波器，設(shè)置峰值采樣過(guò)程充放電時(shí)間。本發(fā)明系統(tǒng)采用少 點(diǎn)數(shù)FFT估計(jì)渦街信號(hào)的頻率。首先對(duì)采樣得到的信號(hào)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。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，我們采取了以下的技術(shù)措施，在單片 機(jī)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了 FFT運(yùn)算，并保證了算法的精度(l)采用匯編語(yǔ)言編制FFT 程序，運(yùn)算速度快；(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1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；(3)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l，當(dāng)大于1時(shí)，才移位，小于l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，提高渦街流量信號(hào)頻率 測(cè)量的精度。根據(jù)渦街流量信號(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。根據(jù)渦街信號(hào)頻率設(shè)置峰值采樣過(guò)程中的充放電時(shí)間間隔。 圖23是帶通濾波器組中濾波器選擇流程圖。設(shè)計(jì)的1個(gè)低通濾波器和 7個(gè)帶通濾波器的通頻帶將整個(gè)要處理的渦街信號(hào)頻率覆蓋，同時(shí)，相鄰濾 波器的通帶之間有重疊部分，以避免當(dāng)渦街信號(hào)頻率處于相鄰?fù)◣н吘墪r(shí)， 引起帶通濾波器的頻繁切換，即避免頻繁地變換帶通濾波器。當(dāng)頻率超出 上次選擇的帶通濾波器的頻率范圍時(shí)，就查找覆蓋此頻率的濾波器，選出 最合適的濾波器。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(xiàn)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24是程控放大器調(diào)整的流程圖。根據(jù)檢測(cè)到的渦街信號(hào)峰值，調(diào)整
數(shù)字電位器的電阻值，從而實(shí)現(xiàn)程控放大器放大倍數(shù)的調(diào)整。由于在實(shí)際 中渦街傳感器輸出信號(hào)存在自然衰減現(xiàn)象，所以，幅值是波動(dòng)的，我們根 據(jù)最小的峰值來(lái)調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)。為此，本發(fā)明系統(tǒng)對(duì)峰值檢 測(cè)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行多次采樣，對(duì)峰值采樣結(jié)果進(jìn)行處理，找出最小峰 值，然后根據(jù)這個(gè)最小值來(lái)設(shè)置程控放大器放大倍數(shù)，使小幅值的渦街信
號(hào)也能夠被整形器觸發(fā)。當(dāng)峰值大于上限(2.3V)或者小于下限(2.0V) 時(shí)，就不對(duì)程控放大器進(jìn)行調(diào)整；而當(dāng)峰值在上下限范圍之內(nèi)，就根據(jù)峰 值計(jì)算出程控放大器放大倍數(shù)，將放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換為程控放大器中的數(shù)字電 位器的量化值。若量化值超出數(shù)字電位器量化值的上限255，就將量化值設(shè) 置為255，當(dāng)量化值低于數(shù)字電位器的量化值的下限l，就設(shè)置量化值為l。 最后，將量化值寫(xiě)入數(shù)字電位器，更新數(shù)字電位器的電阻值。
圖25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，最終轉(zhuǎn)換為電流輸出。根據(jù)頻率計(jì)算結(jié)果， 首先判斷是不是第一次計(jì)算，若是，就設(shè)置計(jì)算出來(lái)的頻率為0，保存頻率， 存入隊(duì)列；若不是，接著判斷峰值檢測(cè)的結(jié)果是不是連續(xù)兩次小于截止幅 值，若是，就設(shè)置計(jì)算出來(lái)的頻率為0，保存頻率，存入隊(duì)列；若不是，接 著判斷頻率是不是小于截止頻率，若是，就設(shè)置頻率為0，保存頻率，存入 隊(duì)列；接著判斷計(jì)算出來(lái)的頻率是否連續(xù)兩次超出設(shè)定頻率波動(dòng)范圍，若 是，就清o整個(gè)隊(duì)列中保存的頻率，保存剛才連續(xù)兩次計(jì)算出來(lái)的頻率結(jié) 果，存入隊(duì)列；接著對(duì)保存在隊(duì)列中頻率進(jìn)行排序，找出非0頻率的個(gè)數(shù)， 接著判斷非0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O頻 率，計(jì)算出渦街信號(hào)頻率；若不是，就找出隊(duì)列中非0頻率中的最大值， 次大值，最小值，次小值，然后將非0頻率中的這4個(gè)值去除，平均剩下 的非O頻率，計(jì)算得出渦街信號(hào)頻率；接著選擇儀表系數(shù)，計(jì)算瞬時(shí)流量， 對(duì)計(jì)算出的瞬時(shí)流量進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償，計(jì)算累計(jì)流量，判斷電路測(cè)試 標(biāo)志是否置位，若沒(méi)有置位，就將瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電流值。若是， 就不進(jìn)行電流轉(zhuǎn)化，直接返回。
權(quán)利要求
1、改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)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；其特征在于壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)差分電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，由于幅值非常小，所以，再經(jīng)過(guò)一級(jí)固定的電壓放大器和一級(jí)程控放大器；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，然后分為2路；第1路信號(hào)由電壓跟隨器(緩沖器)輸出，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；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)；經(jīng)過(guò)帶通濾波器組的輸出信號(hào)分為2路；第1路送至峰值檢測(cè)電路；峰值檢測(cè)電路將信號(hào)的峰值送至單片機(jī)ADC的輸入端；單片機(jī)對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并根據(jù)峰值來(lái)調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)，使信號(hào)的幅值達(dá)到最佳范圍；第2路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)行計(jì)數(shù)單片機(jī)根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果，將流量信息顯示在LCD上，并通過(guò)自身的DAC轉(zhuǎn)換，送至4～20mA輸出與電源管理電路，經(jīng)過(guò)V/I轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)輸出。
2、 如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在于:差分電荷放大器由放大器U1A、 U1B、電容C1、 C2、 C7、 C9 、 Cll、 C12、 C13、電阻R2、 R9、 RIO、 Rll、 R16組成，其中，Cl、 C2、 C12、 C13是反饋電容，決定了電荷放大器的放大倍數(shù)。
3、 如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在于:帶通濾波器組由l個(gè)低通濾波器與7個(gè)帶通濾波器組成；其中，低通濾波器由放大器U6A、電容C17、 C22、電阻R18、 R21、 R22、 R25、退耦電容C24 組成；第1個(gè)帶通濾波器由放大器U6D、電容C32、 C33、 C30、電阻R31、 R37、 R41，放大器U6B、電容C28、 C36、電阻R29、 R33、 R34、 R38組成； 第2個(gè)帶通濾波器由放大器U7A、電容C42、 C43、 C40，電阻R45、 R51、 R55、 退耦電容C26，放大器U7B、電容C38、 C46、電阻R43、 R47、 R48、 R52組 成；第3個(gè)帶通濾波器由放大器U7D、電容C50、 C52、 C53、電阻R59、 R65、 R69,放大器U7C、電容C48、 C56、電阻R57、 R61、 R62、 R66組成；第4 個(gè)帶通濾波器由放大器U9A、電容C51、 C54、 C55、電阻R60、 R68、 R70、 退耦電容C27，放大器U9B、電容C49、 C57、電阻R58、 R63、 R64、 R67組 成；第5個(gè)帶通濾波器由放大器U9D、電容C41、 C45、 C44、電阻R46、 R54、 R56，放大器U9C、電容C39、 C47、電阻R44、 R49、 R50、 R53組成；第6 個(gè)帶通濾波器由放大器U8C、電容C31、 C34、 C35、電阻R32、 R40、 R42, 放大器U8D、電容C29、 C37、電阻R30、 R35、 R36、 R39組成；第7個(gè)帶通 濾波器是放大器U8B、電容C19、 C20、 C21、電阻R20、 R27、 R28，放大器 U8A、電容C18、 C23、電阻R19、 R23、 R24、 R26、退耦電容C25組成。這7 個(gè)帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)相同，均是用1個(gè)高通濾波器和1個(gè)低通濾波器 級(jí)聯(lián)組成，但是，參數(shù)不同，從而通帶互不相同，又相互連接，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。
4、 如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在于整形電路由比較器組成，加了一個(gè)門(mén)檻，波形要超過(guò)門(mén)檻值才能觸發(fā)脈沖， 信號(hào)進(jìn)行整形后，輸出為規(guī)則的方波，再送入單片機(jī)，進(jìn)行計(jì)數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在于: 采用捕獲方式，利用多周期等精度測(cè)量方法，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，即設(shè)置定時(shí)器A(TA)為渦街信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)器，設(shè)置定時(shí)器B(TB)為填充脈沖計(jì)數(shù)器， 讓TA的P麗模塊(TA1)定時(shí)發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)(定時(shí)時(shí)間由測(cè)量頻率的下限而 定)，TA和TB根據(jù)相鄰兩次觸發(fā)捕獲信號(hào)之間的時(shí)間間隔，分別捕獲渦街 信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)和填充脈沖個(gè)數(shù)，根據(jù)TA和TB捕獲得到的脈沖數(shù)以及TB的工作時(shí)鐘頻率計(jì)算出渦街信號(hào)的頻率。
6、如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在于峰值檢測(cè)電路由放大器U10A、 U10B、 二極管D1、 D2、場(chǎng)效應(yīng)管Ql、電容 C58、 C59、 C60、電阻R71、 R72、 R73組成；放大器U10A的正向輸入端接 收所述多路開(kāi)關(guān)Ull的輸出信號(hào)；峰值檢測(cè)電路中的場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與單 片機(jī)的通用IO口相連，峰值檢測(cè)電路的輸出接至單片機(jī)的ADC輸入端；單 片機(jī)控制場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，從而控制電容的充放電，使峰值檢測(cè)電路輸出 當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)的峰值；峰值檢測(cè)電路放在帶通濾波器組之后，以提高峰 值檢測(cè)的精度。
7.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在于 在單片機(jī)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)FFT運(yùn)算，并保證了算法的精度，通過(guò)采用匯編語(yǔ)言 編程、數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用Q13定點(diǎn)數(shù)表示、定點(diǎn)數(shù)計(jì)算和根據(jù)每級(jí)運(yùn)算結(jié)果大 小來(lái)決定是否移位的方式，保證算法的精度、實(shí)時(shí)性和內(nèi)存內(nèi)量的要求。
8. 如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)后的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在 于溫度和壓力補(bǔ)償電路中，恒流源電路由2.5V基準(zhǔn)電源U14、運(yùn)算放大 器U15B、三極管Q2、 Q3、電阻R77、 R78、 R88、 R83、 R90組成，為溫度傳 感器R86和壓力傳感器R87提供恒流源；溫度傳感器R86，為鉑電阻，兩端 Temp+和Temp-接至ADC U16的輸入端；壓力傳感器R87，由Ra、 Rb、 Rc、 Rd組成，輸出信號(hào)為Press+和Press-，先經(jīng)過(guò)一級(jí)由運(yùn)算放大器U13A、 U13B、電阻R76、 R79、 R81、 R84、 R85、 R89、電位器R82、電容C66、 C68、 退耦電容C63組成的差分放大器放大，然后，接至16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器U16的 輸入端；U16是個(gè)16位的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(xiàn)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。
9、 如權(quán)利要求1所說(shuō)的改進(jìn)后的低功耗兩線(xiàn)制渦街流量計(jì)，其特征在于電路的模擬地不直接接儀表外殼，而是通過(guò)在電荷放大器外設(shè)置一 屏蔽盒，同時(shí)將電路的模擬地通過(guò)串聯(lián)電容和電感的方式接至儀表外殼； 模擬地和數(shù)字地之間通過(guò)磁珠連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域，為一種改進(jìn)后的低功耗兩線(xiàn)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(xiàn)制工作。改進(jìn)后的低功耗兩線(xiàn)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。
文檔編號(hào)G01F1/32GK101451864SQ20081024610
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者劉三山, 劉家祥, 徐科軍, 朱志海, 羅清林 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)