流量计系列产品
 
 

基于MSP430的低功耗涡街流量计

发布时间:2017-11-06
 

摘要:介绍了以超低功耗16位单片机MSP430为核心、采用微低功耗的集成电路和贴片元器件构成的涡街流量计系统及设计。以高性能电池作为电源,具有性价比高、功耗低、抗干扰能力强、使用寿命长等特点。
1、概述
涡街流量计,又称卡门旋涡流量计,具有结构简单、性能可靠、使用寿命长、量程范围宽等优点,因此有着广泛的应用。涡街流量计的种类很多,但其基本原理都是一样,是利用流体自然振动原理制成的一种旋涡分离流量计。当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的物体时,若该物体的几何尺寸适当,则在物体的后面沿两条平行直线产生整齐排列、转向相反的旋涡列。旋涡列的个数,即涡街频率与流体的流速成正比,因此通过测量其旋涡频率,就可知道流体的流速,测出流体流量。详细推导过程,本文不再论述,可参阅相关文献资料。
涡街频率是通过装在柱体内部的压电晶体传感器测量的,经过电荷放大器放大后变换为脉冲信号。由于涡街流量计是通过检测介质产生的旋涡而产生的脉冲信号,易受干扰,因此在采集信号的时候采取了防干扰措施。
2、系统构成
系统的原理框图如图1所示。

在测量小量程气体流量时,采集到的涡街信号比较微弱,同时受外界因素影响,信号可能携带噪声,所以电路配置了有源滤波电路和放大电路,然后进行A/D转换,送入MSP430单片机;另外涡街信号还受环境温度或压力影响,所以在电路中设置了温度或压力标准信号输入,作涡街信号的温度或压力补偿。整个电路体系呈现非常明显的微低功耗特色。
2.1MSP430单片机    
1、MSP430具有超低电流消耗特点可在电压降至2.5V情况下工作,它的其他功能可参阅相关资料。在低功耗方面,MSP430具有5种工作模式,而且各种低功耗工作模式与活动模式之间可快速由指令进行切换。图2所示的是各种模式之间的关系。3V下满负载工作时的活动模式为1.2mW;而最低功耗的模式4,能耗仅为0.3μW,因此系统在运行时,根据涡街信号的变化率,选择不同的工作模式,以降低系统的功耗,延长电池的使用寿命。

2.2运算放大器
考虑到系统的低功耗特性和输出的驱动能力,凯铭仪器公司的TLC2254运算放大器非常适合电路的要求。TLC2254的主要特点是微功耗RAIL2RAIL输出。它采用先进的LinCMOSTM工艺制造的4路运算放大器,具有满电源电压幅度(rail2to2rail)输出性能,同时比现有的CMOS运放具有更好的输入失调电压和更低的功耗。这种低功率 CMOS运算放大器,抑制噪声的能力有了极大的提高,仅需35μA(典型值)的电源电流;其共模输入电压范围比通常标准的CMOS工艺放大器更宽,先进的LinCMOSTM工艺使用硅栅(silicon2gate)技术获得输入失调电压的温度和时间稳定性,这种稳定性远远超过了用金属栅(metal2gate)技术所能获得的稳定性,使输入阻抗有可能符合或超过顶栅(top2gate)JFET和昂贵的介质绝缘器件的输入阻抗。
TLC2254的典型特性有:
①输出摆幅包括两个电源电平(可达到满电源电压幅度);
②低噪声f=1kHz时,典型值为19nV/Hz,低输入偏置电流的典型值为1pA;
③非常低的功耗,每一通道35μA;
④共模输入电压范围包含负载电源电平;
⑤低输入失调电压值在tA=25℃时为850μV;
⑥高输入阻抗和低噪声,非常适用于压电传感器之类小信号条件的高阻抗来源。
2.3滤波器
一般的有源滤波器对元器件的参数精度要求比较高,设计和调试都比较麻烦。MAXIN公司生产的可编程滤波器芯片MAX262可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波器处理,而且滤波器特性参数也可以通过编程进行设定。MAX262有4种工作模式,根据涡街信号的频率比较低,选用模式1,该模式具有实现低通、带通和带阻的滤波功能,以过滤掉涡街信号中的高频噪声。
2.4A/D转换
A/D转换是数据信号处理不可缺少的一部分,选择合适的A/D转换器可以减少误差提高测量数据的准确性。MSP430单片机在获取涡街信号时,直接读取频率信号,对于需要温度或压力补偿的涡街信号,补偿信号的输入精度将对涡街信号有直接的影响。MSP430内部所集成的A/D模块具有12或14位的分辨率,并且可以独立完成转换,不需要CPU额外的处理。而且,其功耗低,转换时间快,完全满足系统需要。而为A/D匹配的电阻尽量选用了贴片电阻。因此,在选用高分辨率A/D时,应侧重于抗干扰问题,电路设计过程中,特别注意高分辨率转换≥12bit时的PCB布线和接地方案,以消除电流环路、寄生元件参数效应和噪声。图3即为A/D转换时的接地和消除噪声原理图。

2.5按键
由于涡街流量计应用广泛,根据测量介质不同,考虑流量管径不同以及环境温度等因素的影响,信号处理和必须要求补偿的场合,需要对一些参数进行调整,所以系统设置了键盘接口,当介质发生变化时,由专业人士持键盘电路至现场更改参数,以避免现场信号的误操作。另外键盘接口的设置可减小电路规模。
2.6LCD显示器和通信接口
本系统的MSP430-133型单片机,在输出高电平时大约为2.7V,电路选用了太阳人公司的SMS0801B2LCD显示器,其模块工作电压为2.7~5.5V,正常工作电压3V时的工作电流为20μA,串行接口。LCD显示器与MSP430单片机直接相接,不需要放大电路,减少了接线,降低了系统的功耗。
电路的通信接口包括了常规RS-232口的功能,经转换还可以具备RS-485的功能。
USB通用串行总线是应用在PC领域的一种新型接口技术,USB提供即插即用(plug2play)和热插拔功能,可以在不断电的情况下,使仪表直接连到PC的USB接口上,且马上就可以被系统识别使用,因而通信极其方便。USB通信接口的另一个功能是具备电源能力,在实施串行通信时,不消耗电路的电能。
3、软件
在系统中软件编程主要由两部分组成。主机中采用MSP430汇编语言,包括涡街信号读取程序、补偿信号运算程序、按键输入的中断处理程序,LCD的显示程序,以及RS系列和USB通信数据的发送程序等,程序设计不作详细论述。在实际运用时,必须了解涡街信号所代表的实际对象的要求,以在程序设计中选择MSP430的5种低功耗工作模式,因为在常规工业过程中,当系统运行趋于稳定后,介质流量的变化率只要在允许的变化范围内,数据读取、显示方式、通信传递都能处于合适的低功耗工作模式。
另一个软件编程是为上位机提供由Visual C++语言来编写的PS系列和USB通信接口的驱动程序。
4、结束语
目前关于涡街流量计的报道和产品很多,但能够电池供电,具有集测量、补偿、显示、通信和按键等功能于一体的产品,尚未见报道,而且本流量计涉及微低功耗下的单片机、模拟器件、数字电路、显示技术以及分立元件,电路规模小,功能齐全,安装灵活。
根据低功耗的设计,整个电路的功耗不大于10mW,在高性能电池供电下,基本上能保证1年的连续工作。