低功耗两线制涡街流量计的制作方法

专利名称：低功耗两线制涡街流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量检测领域，为一种低功耗两线制涡街流量计，特别是一种以单片机(MCU)为核心、周期图谱分析与硬件带通滤波器组相结合的低功耗、两线制涡街流量计信号处理系统。
背景技术：
涡街流量计具有测量介质种类多的特点，在流体流量测量领域应用广 泛。但是，常规的信号处理方法，即放大、整形、滤波和计数不能有效地 测量小流量、量程比受限和不能保证现场测量精度。同时， 一些应用场合 需要输出4 20mA直流电流的低功耗、两线制仪表，即从电的角度看，仪 表与外部的连接只有两根线，电源线和信号线是复用的，由24V(或者12V) 直流电源供电，直流电源与取样(负载)电阻相串连。4mA表示仪表输出的 最小值，20mA表示仪表输出的最大值，所以，仪表本身的工作电流必须小 于4mA，才能保证低功耗。 发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种可以有效测量小流量以扩展量程 比、保证测量精度、输出为4 20mA直流电流、工作电流小于4mA的低功 耗两线制涡街流量计。本发明所采用的技术方案是低功耗两线制涡街流量计，包括压电传 感器、电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、
峰值检测电路、带通滤波器组、多路开关选通电路、整形电路、单片机、人机接口电路和4 20mA输出与电源管理电路。压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过 电压放大器、程控放大器、低通滤波器后分为3路，第1路信号经电压跟 随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数 字量，单片机对信号进行少点数快速傅立叶变换(FFT)，做周期图谱分析， 得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道，进行滤波；第2路信号 送至峰值检测电路，峰值检测电路检测信号的峰值并送至单片机的ADC输 入端，单片机对信号的峰值进行采样和转换，并调整程控放大器的放大倍 数；第3路信号经过电压跟随器，送至带通滤波器组进行滤波，由单片机 的频谱分析结果来决定对某路滤波信号进行整形，整形后的信号送至单片 机的定时器输入端，进行计数，单片机根据计数结果，将流量信息显示在 LCD上，并通过自身的DAC转换，送至4 20mA输出与电源管理电路经过 V/I转换成4 20mA电流信号输出。电荷放大器由放大器U4A、电容C1、 C2、 C3、 C4 、 C5、 C6、 C41、电 阻R2、 R3组成，电容Cl连接于反向输入端，电容C2连接于正向输入端， 电容C5、 C6、电阻R3并联于反向输入端与输出端之间，电容C3、 C4、电 阻R2并联后连接于正向输入端。电压放大器由放大器U5B、电容C29、电阻R4、 R5、 R6组成，电阻R4连接于反向输入端，电阻R5连接于正向输入端，电阻R6和电容C29并联于反向输入端与输出端之间。程控放大器由放大器U3A、数字电位器U8 、电容C42、电阻R7、 R8、R9组成，数字电位器U8的输出经电阻R8与放大器的反向输入端连接，电 阻R7也连接于反向输入端，电阻R9连接于正向输入端，数字电位器的片 选线、时钟线和数据线与单片机的通用10 口相连，由单片机控制数字电位 器的电阻值，从而调整放大器的放大倍数。低通滤波器由放大器U3B、电容C8、 C9、电阻RIO、 Rll、 R12、 R13组 成，程控放大器的输出经电阻R10、R11连接于放大器反向输入端，电阻RIO、 R11之间的节点通过电容C8接地，通过电阻R12与放大器输出端连接，放 大器的反向输入端与输出端之间还连接电容C9，电阻R13连接于正向输入 端，放大器U3B的输出端连接限流电阻R15、肖特基二极管D7。电压跟随器由放大器U3C和放大器U3D组成，两个放大器呈并联关系， 正向输入端接收所述低通滤波器经电阻R15送来的输出信号，反向输入端 与输出端短接。峰值检测电路由放大器U6A、 U6B、 二极管D1、场效应管Ql、电容CIO、 C43、电阻R14组成，放大器U6A的正向输入端接收所述低通滤波器经电阻 R15送来的输出信号，其输出端经过电阻R14、 二极管D1与放大器U6B正 向输入端连接，放大器U6B正向输入端还通过场效应管Ql、电容C10接地， 放大器U6B的输出端与反向输入端短接，同时也与放大器U6A的反向输入 端短接，峰值检测电路中的场效应管的栅极与单片机的通用10 口相连，峰 值检测电路的输出接至单片机的ADC输入端；单片机控制场效应管的通断， 从而控制电容的充放电，使峰值检测电路输出当前一段时间内的峰值；单 片机对峰值检测电路输出的峰值信号进行采样和转换，再根据峰值去调整 数字电位器的电阻值。 带通滤波器组由8个带通滤波器组成，分别是放大器U1A、电容Cll、 C12、电阻R21、 R22、 R23、 R24、退耦电容C45;放大器U1B、电容C13、 C14、电阻R25、 R26、 R27、 R28;放大器U1C、电容C15、 C16、电阻R29、 R30、 R31、 R32;放大器U1D、电容C17、 C18、电阻R33、 R34、 R35、 R36; 放大器U2A、电容C19、 C20、电阻R37、 R38、 R39、 R40、退耦电容C46; 放大器U2B、电容C21、 C22、电阻R41、 R42、 R43、 R44;放大器U2C、电 容C23、 C24、电阻R45、 R46、 R47、 R48;放大器U2D、电容C25、 C26、电 阻R49、 R50、 R51、 R52，这8个带通滤波器的电路结构相同、参数不同， 从而通带互不相同，但是相互连接，覆盖涡街流量计的频带范围，并且相 邻通带间有一定的重叠；其中，输入经电阻R21、电容Cll连接于放大器UlA的反向输入端，电 阻R21、电容C11之间的节点通过电容C12与输出端连接，通过电阻R22接 地，电阻R23连接于反向输入端与输出端之间，电阻R24连接与正向输入 端，其余七个带通滤波器的连接与上述结构一致。多路开关选通电路由U13组成，其8个输入端分别与带通滤波器组的8 个通道相连，公共端与施密特触发器U14A的输入端相连，3根控制线A、 B、 C分别与单片机相连。整形电路由施密特触发器U14A组成，其输入端与多路开关选通电路的 公共端连接，输出端与单片机连接。单片机型号为MSP430F1611。4 20mA输出与电源管理电路中，4 20mA输出电路由4 20mA电流环 变送器XTR115、 二极管D2、 D3、 D4、 D5、稳压管D6、三极管Q2、参考源U7、放大器U5A、电阻R61、 R62、 R63、 R64、电容C31、 C33、 C34、 C44、 磁珠L1组成，单片机DAC输出的电压信号经过电阻R61、 R62和R63送至 XTR115的第2脚，XTR115产生相应的4 20mA电流信号从第4脚输出，D2、 D3、 D4、 D5组成电桥，C34是滤波电容，稳压管D6起稳压作用，三极管Q2 补偿XTR115输出电流与系统消耗电流的差值部分，XTR115的第8脚输出 5V直流电压与电源管理电路中U9的第2脚相连，抬高U9的输出电平，提 供5V电源，为数字电位器U8提供电源，R64、 U7、 C31和U5A组成参考电 源，提供1.235V参考电压Vref， C44是退耦电容，磁珠Ll连接模拟地和 数字地。电源管理电路由DC/DC转换器U11、三端稳压器U9、电阻R65、 R66、 R67、 R70、电容C38、 C39、 C51、 C37、 C48、电感L2组成，外部24V电源 电压加在三端稳压器U9的第1脚，经稳压后由U9的第3脚输出，第3脚 的输出电压加在DC/DC变换器Ull的第1脚和第8脚，分别作为Ull的输 入和使能信号，R70和C48组成充电电路，由U10第8脚提供的5V电压对 充电电路进行充电，通过低电压监测和充电电路实现各电源芯片U9、 UIO、 Ull的上电顺序。Ull的第9脚SW是电压输出脚，输出电压经过电感L2的滤波后输出， C38是滤波电容，C39是储能电容，Ull的第4脚与单片机的第23脚P2. 3 相连，作为系统低电压监测。人机接口电路由键盘电路和LCD显示电路组成，分别与单片机连接。 本发明的优点是本发明克服了现有技术所存在的不足之处，本发明 采用低功耗单片机，通过少点数快速傅立叶变换(FFT)，进行周期图谱分析
确定涡街信号的频率；设计一组硬件带通滤波器，其通带覆盖涡街信号的频带，根据谱分析结果来选择具体的带通滤波器，进行自适应滤波，最大 限度地消除现场噪声，提高测量精度。同时，设计数字电位器和运算放大 器组成的程控放大器，通过峰值检测电路测量涡街信号的幅值，确定程控 放大器的放大倍数，使信号幅值处于最佳范围，实现小流量的测量，扩展 量程比。与现有技术相比，克服了常规的滤波器通带很宽，噪声消除能力差的问题；在单片机运算速度和存储容量有限的条件下，实现了数字信号处理， 并保证处理的实时性；采用低功耗单片机和输出电路，使仪表的工作电流 小于4mA，输出电流为4-20 mA，实现了两线制工作。


图l是本发明系统的硬件框图。图2是本发明系统中电荷放大器和电压放大器的电路原理图。 图3是本发明系统中程控放大器、低通滤波器、电压跟随器和峰值检 测电路的电路原理图。图4是本发明系统中单片机芯片管脚接线示意图。图5是本发明系统中带通滤波器组的电路原理6是本发明系统中4 20mA输出与电源管理电路的电路原理图。图7是本发明系统中多路开关和整形电路的电路原理图。图8是本发明系统中键盘接线示意图。图9是本发明系统中LCD显示芯片接线示意图。图10是本发明系统软件框图。 图ll是本发明系统中主监控程序流程图。图12是本发明系统中程控放大器调整模块流程图。图13是本发明系统中计算模块流程图。图14是本发明系统中硬件定时器中断服务程序流程图。图15是本发明系统屮触发ADC采样定时器中断服务程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的设计思想是既采用数字信号处理方法，又要保证仪表是低 功耗工作，所以，采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换(FFT)，实 现周期图谱分析，确定涡街信号的频率值；设计一组硬件带通滤波器，其 通带覆盖涡街信号所在的频带，根据谱分析结果来选择具体的带通滤波器， 进行自适应滤波，最大限度地消除各种谐波和现场噪声对测量的影响，提 高测量精度。采用数字电位器和运算放大器组成程控放大器，通过峰值检 测确定涡街信号的幅值，调整程控放大器的放大倍数，使信号的幅值达到 最佳范围，适应大流量和小流量的测量的需要，扩展量程比。选用低功耗 的单片机芯片，并设计与之配套的输出电路和电源管理电路，保证仪表工 作电流小于4mA，输出电流为4-20 mA，实现两线制工作。本发明系统的总体结构如图1所示。本发明系统由电荷放大器、电压 放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随电路、峰值检测电路、带通 滤波器组、多路开关、整形电路、单片机MSP430F1611及外围芯片、人机 接口电路和4 20raA输出与电源管理电路组成。本发明系统的工作过程为从压电传感器输出的微弱电荷信号，首先
经过电荷放大器将其转变为电压信号，由于幅值非常小，所以，再经过一 级固定的电压放大器和一级程控放大器。放大后的信号经过低通滤波器， 滤除信号中的高频干扰，然后分为3路。第1路信号由电压跟随器(缓冲器)
输出，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量。单片机对信号进行 少点数的FFT，做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组 的通道。第2路信号送至峰值检测电路；峰值检测电路将信号的峰值送至 单片机ADC的输入端；-单片机对信号的峰值进行采样和转换，并根据峰值 来调整程控放大器的放大倍数，使信号的幅值达到最佳范围。第3路信号 经过电压跟随器，送至带通滤波器组，进行滤波；由单片机的频谱分析结 果来决定对某路滤波信号进行整形；由多路开关选通电路来选通由单片机 所选择的那路滤波信号，整形电路对这路信号进行整形，整形后的信号送 至单片机的定时器输入端，进行计数。单片机根据计数结果，将流量信息 显示在LCD上，并通过自身的DAC转换，送至4 20mA输出与电源管理电 路，经过V/I转换成4 20mA电流信号输出。
如图2所示，涡街流量传感器，即压电传感器输出的电荷信号经由放 大器U4A、电容C1、 C2、 C3、 C4 、 C5、 C6、 C41、电阻R2、 R3组成的电荷 放大器，变成电压信号，并降低了输出阻抗。通过隔直电容C7，去除信号 中的直流成分。为了避免程控放大器的单级放大倍数过大，所以，采用分 级放大的方式，即在程控放大器之前加一级放大倍数固定的电压放大器。 该放大电路由放大器U5B、电容C29、电阻R4、 R5、 R6组成，实质是一个 一阶低通滤波放大电路。涡街信号经过该电路的滤波和放大后，送至由放 大器U3A、数字电位器U8AD5162、电容C42、电阻R7、 R8、 R9组成的程控
放大器，如图3所示。
采用程控放大器是考虑到涡街流量传感器输出信号的幅值与频率成平 方的关系，而涡街信号的频率变化范围较宽，所以，信号幅值变化范围很 大。并且，同一传感器测量不同介质的流量时，信号幅值的差别也很大。 为了保证不同频率和不同介质情况下，涡街传感器信号的幅值基本保持相
等，以扩展量程比，并使送到单片机ADC输入端的电压幅值接近满量程， 以保证足够的分辨率，所以，采用程控放大器。由低功耗运算放大器和数 字电位器AD5162组成程控放大器，成本低，功耗低。AD5162是一款双通道、 每个通道具有256个抽头的数字电位器，功耗极低，静态电流最大只有6 微安。AD5162每通道的有三个端口 A，B，W，其中，A、 B为两个固定端， 两端间阻值为"=1001^; W为抽头端，抽头的位置由写入电位器的串行数 据来决定当写入OOH时，W与B相连接；当写入FFH时，W与A相连接。 当W端与A短接时，写入的串行数据与数字电位器的阻值间存在以下关系:
其中，KZ))为W端和B端间的阻值，即当前数字电位器的阻值；D为写入 的串行数据值，其范围是OOH FFH，即0 255; l为抽头间的连接电阻。
由反相放大器的基本知识可知，程控放大电路的放大倍数为
在本发明系统中只使用AD5162的其中一个通道，另一通道留做备用。 AD5162的片选信号5与单片机MSP430F1611 (以下简称单片机)的第 28脚P3. 0 口相连，如图4所示；串行数据输入端SDI与单片机的第29脚 P3. 1 口相连；时钟输入端CLK与单片机的第31脚P3. 3 口相连。这样由单
片机来控制数字电位器电阻值的大小，也就是调整程控放大器的放大倍数。
ADC使用内部参考源，输入端的满量程电压设定为2. 5V。而电荷放大器输 出的信号幅值只有几十mV，与ADC的参考电压相差较远。若直接对其进行 峰值检测，精度会很低。所以，本发明系统对经过程控电压放大后的信号 进行峰值检测；然后，根据当前的放大倍数来推算出原始信号的幅值，再 计算出最合适的放大倍数，对数字电位器进行调整。考虑到经电荷放大和 程控放大后的涡街流量信号中会混有高频干扰和其它的噪声，为了减少测 量误差，先对信号进行低通滤波，再进行峰值检测。
如图3所示，二阶有源低通滤波电路由放大器U3B、电容C8、 C9、电 阻RIO、 Rll、 R12、 R13组成。R15是限流电阻。D7是肖特基二极管，起嵌 位作用，保护单片机的ADC不被损坏。
滤波后的信号分为3路。第1路经过由放大器U3C组成的电压跟随器 输出为Signal,送至单片机的第59管脚P6.0/A0，如图4所示，供单片机 ADC采样转换后进行周期图谱分析。第2路经过由放大器U3D组成的电压跟 随器输出为Vol，送至带通滤波器组进行滤波，如图5所示。第3路接到由 放大器U6A、 U6B、 二极管D1、场效应管(MOSFET) Ql、电容CIO、 C43、电 阻R14组成的峰值检测电路，进行峰值检测。
前面所述的电荷放大器、电压放大器、程控放大器和低通滤波器中的 偏置电压Vref均由4 20mA输出与电源管理电路中的U5A提供，如图6所 示。
在峰值检测电路中，R14的作用是在场效应管Ql放电时限制对电容C10 的充电电流；二极管D1的作用是保证对电容C10只能进行单向充电；电容
C10始终保持信号幅值的最大值。Ql的作用是对电容放电，它的栅极G与 单片机的第40脚，即通用I/0口P4.4相连。单片机控制场效应管的通断， 从而控制电容的充放电，即当该I/0 口为高电平时，Ql导通，电容C10放 电；当该I/0口为低电平时，Ql断开，电容C10充电，保持信号的峰值供 单片机ADC采样。峰值检测电路的输出，即U6B的第7脚Peak接至单片机 第60脚P6.1/A1。单片机对峰值进行采样和转换，再根据峰值去调整数字 电位器的电阻值，实现对程控放大器放大倍数的调整。
虽然涡街流量传感器信号经过了如前所述的低通滤波器， 一些高频信 号被消除。但是，由于涡街信号频率的变化范围较宽，例如，设量程比为 20: 1，对于40mm 口径的涡街流量计测量气体流量的频率范围大致是70Hz 1400Hz。所以，低通滤波器的截止频率必须设得比较高， 一般来说，要大 于1400Hz的几倍。那么，在这个频带范围内，可能包含涡街信号的基波、 谐波以及噪声。若将此信号直接进行整形和计数，由于谐波和噪声的影响， 很容易造成施密特触发器的误触发，使测量结果出现较大的误差。针对这 个问题，本发明系统设计一组模拟带通滤波器，例如，8个带通滤波器。这 8个带通滤波器的电路结构相同，参数不同，即通带不同。它们的通带是互 相连接的，通带的宽度是逐级递增的，频带之间有一定程度的重叠，将涡 街流量计的频率范围70Hz 1400Hz覆盖。具体选择哪个滤波器的输出信号 进行整形和计数，由单片机对涡街信号进行频谱分析的结果来决定。即单 片机对采集到的涡街传感器信号进行周期图谱分析，确定涡街信号的范屈； 据此，确定用哪个带通滤波器滤波后的信号进行整形和计数，这样可以最 大程度地消除噪声和谐波对涡街信号的影响，避免误触发，保证计数的精度。如图5所示，模拟带通滤波器组由8个结构相同、但是参数不同的带通滤波器组成。它们分别是放大器U1A、电容Cll、 C12、电阻R21、 R22、 R23、 R24、退耦电容C45;放大器U1B、电容C13、 C14、电阻R25、 R26、 R27、 R28;放大器U1C、电容C15、 C16、电阻R29、 R30、 R31、 R32;放大 器U1D、电容C17、 C18、电阻R33、 R34、 R35、 R36;放大器U2A、电容C19、 C20、电阻R37、 R38、 R39、 R40、退耦电容C46;放大器U2B、电容C21、 C22、电阻R41、 R42、 R43、 R44;放大器U2C、电容C23、 C24、电阻R45、 R46、 R47、 R48;放大器U2D、电容C25、 C26、电阻R49、 R50、 R51、 R52。 带通滤波器组中的偏置电压Vref由4 20mA输出与电源管理电路提供。带通滤波器组中的8个滤波器均可能有输出，但是，只有一个滤波器 的输出信号是代表涡街流量信号、且受干扰影响小。本发明系统选用8选1 多路开关74HC4051，如图7中U13所示。该器件的8个输入端分别与带通 滤波器组的8个通道相连，公共端即开关输出与施密特触发器U14A的输入 端相连，3根控制线A、 B、 C分别与单片机的I/O 口 P4. 5、 P4. 6、 P4. 7相 连，如图4所示。U13根据3路控制引脚的电平来选通相应的通道，即根据 单片机频谱分析的结果来选通相应的通道。被选通的信号是经过滤波、含 有最少噪声的涡街信号，送入施密特触发器U14A进行整形，输出为规则的 方波，再送入单片机的定时器(第39脚P4. 3)中进行计数。本发明系统采用TI公司的单片机MSP430F1611为处理核心。由于本发 明系统要做到超低功耗，同时，系统在信号处理时用到FFT运算，需要大 容量的SRAM，但外扩会大大增加系统功耗，而MSP430F1611单片机具有10KB
的SRAM。MSP430F1611是MSP430系列中的高端产品，它除了具备超低功耗的逻 辑运算单元以外，还集成了丰富的外围模块。它主要通过以下三种形式来 实现低功耗具有活动模式和5种低功耗模式，可根据不同需要进行选择， 以达到功耗最低的目的；它还具有独特的时钟系统设计，包括基本时钟(高 速时钟和低速时钟)系统和DCO(数字振荡器)时钟系统；另夕卜，它采用矢量 中断，支持十多个中断源，用中断请求唤醒CPU只需要6^。所以，通过 合适的硬件设计和合理的编程，既可以降低系统功耗，又可以对外部事件 做出快速响应。MSP430F1611是16位单片机，使用目前最流行的精简指令集(RISC) 结构， 一个时钟周期可以执行一条指令。同时，MSP430F1611采用了一般只 有DSP才有的16位硬件乘法器、DMA等体系结构，大大增强了它的数据处 理和运算能力，为实现本发明系统中数字信号处理算法提供了保证。MSP430F1611集成了十分丰富的片内外设，主要有以下功能模块看门 狗、模拟比较器A，定时器A、定时器B、串口O，l、硬件乘法器、8输入通 道的12位ADC、 2输出通道的12位DAC、 I2C总线、直接存储器存取(DMA)、 端口 1 端口6 (P1 P6)和基本定对器。虽然MSP430F1611没有集成液晶 驱动模块，但是，外加一片液晶驱动模块，同样可以做到低功耗。MSP430F1611单片机存储器采用的是统一结构，即物理上完全分离的存 储区域如FLASH、 RAM、外围模块、特殊功能寄存器SFR等，被安排在同一 地址空间，这样，就可以用一组地址、数据总线、相同的指令对它们进行 字节或者字形式访问。这种组织方式和CPU采用精简指令相互协调，对外
围模块的访问不需要单独的指令，为软件的开发和调试提供了便利。图6为4 20mA输出与电源管理电路。其中，4 20mA输出电路由4 20mA电流环变送器XTR115、 二极管D2、 D3、 D4、 D5、稳压管D6、三极管 Q2、参考源U7(LM285Z—1.2)、放大器U5A、电阻R61、 R62、 R63、 R64、电 容C31、 C33、 C34、 C44、磁珠Ll组成。电源管理电路由DC/DC转换器 U11(TPS62051)、三端稳压器U9、电阻R65、 R66、 R67、 R70、电容C38、 C39、 C51、C37、C48、电感L2组成。需要说明的是，4 20mA输出电路中标有"5VA" 处与电源管理电路中标有"5VA"处是相连的；4 20mA输出电路中标有"V + "处与电源管理电路中标有"V+"处也是相连的。为了满足工业现场对仪表进行远程监控与远程测量，仪表需要标准的 模拟量输出，通常采用4 20mA的电流信号。过程工业现场使用的流量仪 表有时要求使用两线制供电。与三线制相比，两线制的电源线和输出信号 线是复用的，所以，要求整个系统的功耗不超过4mA。MSP430F1611单片机本身集成有精度在0. 1%以内的12位DAC，但是， 该DAC是电压输出型的。若要进行4 20mA电流输出还必须经过V/I转换 电路。单片机在计数得到涡街信号频率后，可根据预先设定的上、下限频 率值，将频率折算为相应的数字量送到片上集成的DAC，其计算公式为其中，E为送到DAC上的数字量，/为测量到的频率值， >、,分别为预先 设定的上、下限频率值。经过DAC转换变成电压信号后，再由4 20mA电流环变送器进行电压 到电流的转换。采用美国Burr-Brown公司4 20mA电流环变送器芯片
XTR115，该芯片只需外接一个高精度电阻即可实现信号的V/I转换，通过 转换后的电流信号控制最终的4 20mA电流输出。XTR115不仅是一个可实 现V/I转换的4 20mA电流环变送器；同时，也是一个稳压电源。它为本 发明系统中模拟电路部分提供5V的供电电压。参见图6中4 20mA输出部分，单片机第5脚P6.6，即单片机DAC输 出的代表频率的电压信号经过电阻R61、R62和R63，送至XTR115的第2脚。 XTR115产生相应的4 20mA电流信号从第4脚输出。24V直流电源的正极 接至Vinl (或者Vin2)，负极串联取样(负载)电阻，再接至Vin2 (或者Vinl)。 D2、 D3、 D4、 D5组成电桥，起保护作用。C34是滤波电容。稳压管D6起稳 压作用。三极管Q2起补偿电流的作用，即Q2提供XTR115输出电流与系统 消耗电流的差值部分。XTR115的第8脚输出5V直流电压，与电源管理电路 中U9的第2脚相连，抬高U9的输出电平；为本发明系统所有的放大器提 供5V电源；为数字电位器U8提供电源。R64、 U7、 C31和U5A组成参考电 源，为本发明系统提供1.235V参考电压Vref。 C44是退耦电容。磁珠Ll 连接模拟地和数字地。虽然XTR115可以为本发明系统中的模拟电路部分供电，但是，不能直 接为数字电路部分供电，因为这样做系统的功耗就会超过4mA。例如，当单 片机在高速时钟下运行时，其功耗可达到250uA/MHz。具体地说，单片机的 主时钟为8. OMHz，单片机的内核部分功耗就在2mA以上。再加上ADC、 DAC、 定时器等外围单元的工作，整个单片机的功耗可能会达到5mA。针对上述情 况，本发明系统采用DC/DC转换器Ull为数字电路部分供电。外部24V电 源经由三端稳压器U9变换成10V电压，再加到DC/DC转换器的输入端。经
过变换，DC/DC转换器输出3V电压，供本发明系统中数字电路部分使用。 因为<formula>formula see original document page 22</formula> (4) 其中，R是DC/DC转换器的输入电压，/,是输入电流，f/。是输出电压，/。是输出电流，；/转换效率。所以，<formula>formula see original document page 22</formula> (5) 可见，在效率^=90%时，输入lmA电流，就会输出3mA电流。即使整个数字部分耗电在5mA左右，但从电源和输出信号复用线上索取的电流也不会超过2mA。参见图6中的电源管理部分，外部24V电源电压加在三端稳压器U9的 第1脚，经稳压后，由U9的第3脚输出。由于U9的第2脚上加了 5V电压， 所以，抬高了第3脚的输出电平，即输出为10V电压。这个10V电压加在 DC/DC变换器U11的第1脚和第8脚，分别作为U11的输入和使能信号。C37 是储能电容。Ull的第6脚LBI是低电压监测的输入脚，第2脚为低电压监 测的输出脚，即当第6脚的电平低于1. 21V时，第2脚输出信号的电平就 会发生变化；同时，Ull停止工作。本发明系统利用这一低电压监测功能， 以实现各电源芯片(U9、 UIO、 Ull)不同的上电顺序，即先使UIO、 U9工作， 再让Ull工作。若让U9和Ull同时工作，由于一开始U9的输出电压还没 有完全建立起来，此时Ull需要从U9取较大电流，这将导致U9内部的保 护电路动作，即误认为输出短路，从而造成U9无法正常工作。为此，由R70 和C48组成充电电路，由U10第8脚提供的5V电压对充电电路进行充电， 当C48两端的电压大于1.21V时，Ull才开始工作，即在U10和U9的输
电压完全建立起来后，1311才工作。Ull的第9脚SW是电压输出脚，输出电压经过电感L2的滤波后输出。 C38是滤波电容。C39是储能电容。Ull的第4脚与单片机的第23脚P2. 3 相连，作为系统低电压监测。R65是上拉电阻。当U11第9脚的输出电压低 于额定输出电压3V的(95 98. 5) %时，Ull的第4脚输出电平就会发生变 化，向单片机发出中断信号。Ull的第5脚FB是反馈电压输入端。由Ull 的第5脚内部电压值和R66、 R67的电阻值来确定U11的输出电压值。当第 9脚的输出电压发生波动，这个电压由R66和R67分压后加在第5脚上，与 第5脚内部设定电压就会不相等，从而使Ull调整输出电压，使第9脚上 的输出电压稳定。C51是前馈电容。本发明系统的人机接口电路由键盘电路和LCD显示电路组成，如图8 和图9所示。键盘电路采用简单的非编码键盘设计，共安排了四键设定、 移位、递增和确认，如图8所示。键值由单片机的通用I/O 口中的P1 口定 时扫描，四键分别占用P1.4， P1.5， P1.6， P1.7。当有键按下时相应的口 线为低电平，而在键按下到接触稳定的过程中存在有10 30ms的机械抖动， 这个抖动一般可由硬件或者软件解决。硬件可有触发器或RC低通滤波来实 现，但是，会增加硬件成本；软件则只需扫描键值、计数延时即可。本发 明系统采用软件去抖动。本发明系统的LCD电路如图9所示。选用LCM141 液晶显示器，专用于流量、温度、压力等仪表，可双排显示14位8段式字 符，并具有字母提示符显示。该显示器件功耗极低，工作电压为3V时消耗 的最大电流仅为60/^4 ，满足本系统的低功耗要求。本发明系统软件总体框图如图IO所示，由主监控程序模块、保护模块、
中断模块、初始化模块、程控放大器调整模块、计算模块、电流输出模块、人机接口模块组成。其中，初始化模块包括单片机和LCD (液晶)的初始化 模块；人机接口模块包括键盘输入模块和LCD模块。图10中的主监控程序模块是整个软件系统的总调度程序，调用各个模 块中的子程序，实现本发明系统的所要求的功能。主监控程序的流程如图 11所示。它是一个循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入不 断查询标志和进行相应处理的循环中。基本过程为系统上电后，立即进 行初始化；初始化后，首先査询峰值检测标志位是否置位，若置位，则调 用峰值检测和程控放大倍数调整模块，处理完成后清除峰值检测标志位； 其次，查询频谱分析标志位是否置位，若置位，则调用计算模块，估计信 号频率，并选择带通滤波器通道，处理完成后清除频谱分析标志位；然后， 查询输出标志位是否置位，若置位，则计算信号频率、流量、更新DAC输 出，处理完成后清除输出标志位；接下来，査询按键标志位是否置位，若 置位，则处理相应按键，处理完成后清除按键标志位；最后，查询LCD刷 新标志位是否置位，若置位，则刷新LCD输出，处理完成后清除LCD刷新 标志位。完成上述查询、处理功能后，主监控程序返回，重新开始下一轮 查询、处理，不断循环。图10中的初始化模块对单片机和LCD进行初始化。对单片机进行初始 化就是定义单片机中各个功能模块的相关寄存器，规定它们的初始工作方 式，这些功能模块包括时钟模块、通用定时器(定时器A用于计数，定时器 B用于定时)模块、看门狗定时器、ADC模块、DAC模块、通用I/O 口。对 LCD初始化就是通过单片机向LCD发送相关命令字，定义LCD的工作方式，
并在本发明系统上电时，直接显示相关流量信息或者上次掉电时保存的信 息。图10中的程控放大器调整模块根据检测到的涡街信号峰值，调整数字 电位器的电阻值，从而实现程控放大器放大倍数的调整。由于在实际中涡 街传感器输出信号中含有干扰信号，导致峰值检测电路电平可能高于信号 的实际幅值，本发明系统采用多次采样、求平均的方法来获得信号的峰值 信息。根据得到的峰值信息和当前的放大倍数，推算出在程控放大器之前的信号幅值，再结合ADC的参考电压，计算出新的放大倍数，更新数字电 位器阻值，实现程控放大器放大倍数的调整。其程序流程如图12所示。图IO中的计算模块对信号进行采样，计算频率值，再选择带通滤波器 组的通道，即具体选定带通滤波器中的一个带通滤波器，其流程如图13所 示。本发明系统采用少点数实数FFT估计涡街信号的频率。首先对采样到 的信号序列进行零均值处理，消除趋势项；然后，对序列进行码位倒序， 使用蝶形算法得到序列的实数FFT运算结果；再计算信号的功率谱，按照 能量占优原则，初步估计出信号的频率；最后，利用重心校正法进行频谱 校正，获得高精度的信号频率值。根据涡街信号的频率，由单片机控制多 路开关，选择当前信号所处的带通滤波器，将此带通滤波器通道与后级施 密特触发器连通，如图7*所示。为避免信号频率处于相邻通道的边缘，导 致频繁切换通道，减小切换通道带来的误差，在相邻通道设置了过渡带。图10中的中断模块包括内部中断及和外部中断。内部中断包括定时器中断和比较器中断。由于单片机MSP430F1611只 有2个硬件定时器，其中1个要工作在计数模式，用于脉冲计数，所以，
只剩下1个硬件定时器可用。但是，在程序中至少需要5个定时定时进 行峰值检测；定时进行频谱分析；定时进行流量计算和电流输出；定时刷 新LCD;为按键操作计时。而这5个定时时间各不相同。为此，在硬件定时 器的基础上，设置5个软件定时器时间基准。选择合适的硬件定时间隔， 使所有的软件定时时间为硬件定时间隔的整数倍。先将各个软件定时器时 间基准清零，在定时器中断服务程序中，对软件定时器时间基准Timebase 进行加1操作；如果某个软件定时器时间基准达到预先设定值，将该时间 基准清零，并设置相应的标志位，以便主监控程序查询。比较器中断用于 系统掉电保护。在比较器中断服务程序中，首先关闭其他中断，防止更高 优先级中断打断当前中断服务程序；然后，将当前流量等信息保存于FLASH 存储器的用户字节中。硬件定时器中断服务程序流程如图14所示。外部中断均为I/O 口中断，按照功能可分为按键中断和触发ADC采样 中断。在按键中断服务程序中，设置按键标志位，进行相应按键处理，并 结合硬件定时器完成消抖等功能。触发ADC采样中断服务子程序完成信号 序列采样功能。当主监控程序查询到频谱分析标志位为置位状态时，打开 该I/O 口的中断功能，由ACLK时钟信号触发中断；在该中断服务程序中， 使用软件方式启动ADC采样，并将采样结果保存在结果数组中，当采样序 列满足规定点数时，关闭该I/0口中断功能。触发ADC采样定时器中断服 务程序流程如图15所示。图10中的人机接口模块由键盘和LCD组成，LCD负责显示仪表测量结 果和仪表参数；键盘则配合LCD，修改仪表参数，切换LCD工作状态。本发 明系统的按键共有4个设定键(SET)、移位键(SHF)、递增键(INC)
和确认键(ENTR)。 4个按键的功能分别为SET键用于确定LCD的工作 状态和上下级菜单的切换；SHF键用于同级菜单、数字或小数点移位；INC 键用于修改数据；ENTR键用于确认修改和切换LCD显示状态。
本发明系统选用串行接口LCDLCM141。该LCD为段式显示，分上下 两行，另外带有提示字符和14个提示条码。LCD的选通线(CS)、时钟线 (WR)和数据线(DATA)分别与单片机的P4.0、 P4.1和P4.2相连，由软 件模拟时钟对LCD进行读写操作。通过软件设置，LCD有两种工作状态 显示状态和设置状态；由SET键切换两种工作状态。显示状态又分为两个 页面 一个页面显示流量信息，其中上面一行显示瞬时流量，下面一行显 示累积流量；另一个显示页面显示频率和信号峰值，其中上面一行显示频 率，默认单位为Hz(赫兹)，下面一行显示信号峰值，默认单位为V(伏)。在 设置状态下，同级菜单的提示字母同时显示在LCD的上、下两行，处于激 活状态的选项呈闪烁状；通过SHF键改变激活选项，通过ENTR进入激活 选项。进入待修改的参数选项后，LCD上面一行显示该选项的提示字母， 下面一行显示数字，且数字的激活为呈闪烁状；通过SHF键改变激活数字 位，通过INC键改变激活位数值。在参数数值更改后，通过ENTR确定本 次修改，通过SET键取消本次修改，并返回上一层菜单。 图10中的保护模块包括掉电保护和看门狗定时复位。 在单片机内部集成有模拟比较器，该比较器可以比较外部两个输入电 压，也可以对外部输入和内部不同参考电压进行比较。比较结果可以通过 引脚向外部输出，也可以向内部产生中断。本发明系统使用外部输入电压 与内部参考电压进行比较，输出结果产生内部中断。在中断服务子程序中， 调用FLASH擦写函数，将当前信号频率、累计脉冲数、瞬时流量和累积流 量保存在FLASH存储器的用户字节中；在系统再次上电后，将这些信息读 出，仪表从上次掉电时继续运行。另外，本发明系统可以通过人机接口模 块设置仪表参数，设置完成后将各参数信息保存于FLASH存储器的用户字 节中，掉电后不会丢失。在单片机内部集成有看门狗(Watchdog)模块，模块中有一个硬件定时 器。开启看门狗模块后，硬件定时器开始工作，当到达设定定时间隔时触 发复位。所以，需要在系统软件中适时清除硬件计数器的计数初值，复位 硬件定时器，防止误触发复位，这个过程俗称"喂狗"。使用看门狗定时复 位功能，可以使系统从软件故障导致死机重启，起保护作用。
权利要求
1、低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、峰值检测电路、带通滤波器组、多路开关选通电路、整形电路、单片机、人机接口电路和4～20mA输出与电源管理电路，其特征在于压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过电压放大器、程控放大器、低通滤波器后分为3路，第1路信号经电压跟随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行少点数快速傅立叶变换(FFT)，做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道，进行滤波；第2路信号送至峰值检测电路，峰值检测电路检测信号的峰值并送至单片机的ADC输入端，单片机对信号的峰值进行采样和转换，并调整程控放大器的放大倍数；第3路信号经过电压跟随器，送至带通滤波器组进行滤波，由单片机的频谱分析结果来决定对某路滤波信号进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，进行计数，单片机根据计数结果，将流量信息显示在LCD上，并通过自身的DAC转换，送至4～20mA输出与电源管理电路，经过V/I转换成4～20mA电流信号输出。
2、 如权利要求1所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于电荷 放大器由放大器U4A、电容C1、 C2、 C3、 C4 、 C5、 C6、 C41、电阻R2、 R3 组成，电容C1连接于反向输入端，电容C2连接于正向输入端，电容C5、 C6、电阻R3并联于反向输入端与输出端之间，电容C3、 C4、电阻R2并联后连接于正向输入端，电压放大器由放大器U5B、电容C29、电阻R4、 R5、 R6组成，电阻R4 连接于反向输入端，电阻R5连接于正向输入端，电阻R6和电容C29并联于反向输入端与输出端之间，程控放大器由放大器U3A、数字电位器U8 、电容C42、电阻R7、 R8、 R9组成，数字电位器U8的输出经电阻R8与放大器的反向输入端连接，电 阻R7也连接于反向输入端，电阻R9连接于正向输入端，数字电位器的片 选线、时钟线和数据线与单片机的通用10 口相连，由单片机控制数字电位 器的电阻值，从而调整放大器的放大倍数，低通滤波器由放大器U3B、电容C8、 C9、电阻RIO、 Rll、 R12、 R13组 成，程控放大器的输出经电阻R10、R11连接于放大器反向输入端，电阻RIO、 R11之间的节点通过电容C8接地，通过电阻R12与放大器输出端连接，放 大器的反向输入端与输出端之间还连接电容C9，电阻R13连接于正向输入 端，放大器U3B的输出端连接限流电阻R15、肖特基二极管D7。
3、 如权利要求1所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于电压 跟随器由放大器U3C和放大器U3D组成，两个放大器呈并联关系，正向输 入端接收所述低通滤波器经电阻R15送来的输出信号，反向输入端与输出 端短接。
4、 如权利要求1所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于峰值检测电路由放大器U6A、 U6B、 二极管D1、场效应管Ql、电容CIO、 C43、 电阻R14组成，放大器U6A的正向输入端接收所述低通滤波器经电阻R15 送来的输出信号，其输出端经过电阻R14、 二极管D1与放大器U6B正向输 入端连接，放大器U6B正向输入端还通过场效应管Ql、电容C10接地，放 大器U6B的输出端与反向输入端短接，同时也与放大器U6A的反向输入端 短接，峰值检测电路中的场效应管的栅极与单片机的通用10 口相连，峰值 检测电路的输出接至单片机的ADC输入端；单片机控制场效应管的通断， 从而控制电容的充放电，使峰值检测电路输出当前一段时间内的峰值；单 片机对峰值检测电路输出的峰值信号进行采样和转换，再根据峰值去调整 数字电位器的电阻值。
5、如权利要求l所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于带通 滤波器组由8个带通滤波器组成，分别是放大器U1A、电容Cll、 Q2、电 阻R21、 R22、 R23、 R24、退耦电容C45;放大器U1B、电容C13、 C14、电 阻R25、 R26、 R27、 R28;放大器U1C、电容C15、 C16、电阻R29、 R30、 R31、 R32;放大器U1D、电容C17、 C18、电阻R33、 R34、 R35、 R36;放大器U2A、 电容C19、 C20、电阻R37、 R38、 R39、 R40、退耦电容C46;放大器U2B、 电容C21、 C22、电阻R41、 R42、 R43、 R44;放大器U2C、电容C23、 C24、 电阻R45、 R46、 R47、 R48;放大器U2D、电容C25、 C26、电阻R49、 R50、 R51、 R52，这8个带通滤波器的电路结构相同、参数不同，从而通带互不 相同，但是相互连接，覆盖涡街流量计的频带范围，并且相邻通带间有一 定的重叠，其中，输入经电阻R21、电容C11连接于放大器U1A的反向输入端，电 阻R21、电容C11之间的节点通过电容C12与输出端连接，通过电阻R22接 地，电阻R23连接于反向输入端与输出端之间，电阻R24连接与正向输入 端，其余七个带通滤波器的连接与上述结构一致。
6、 如权利要求l所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于多路开关选通电路由U13组成，其8个输入端分别与带通滤波器组的8个通道 相连，公共端与施密特触发器U14A的输入端相连，3根控制线A、 B、 C分 别与单片机相连。
7、 如权利要求1所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于整形 电路由施密特触发器U14A组成，其输入端与多路开关选通电路的公共端连 接，输出端与单片机连接。
8、 如权利要求1所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于单片 机型号为MSP430F1611。
9、 如权利要求1所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于4 20mA输出与电源管理电路中，4 20rnA输出电路由4 20rnA电流环变送器 XTR115、 二极管D2、 D3、 D4、 D5、稳压管D6、三极管Q2、参考源U7、放 大器U5A、电阻R61、 R62、 R63、 R64、电容C31、 C33、 C34、 C44、磁珠Ll 组成，单片机DAC输出的电压信号经过电阻R61、 R62和R63送至XTR115 的第2脚，XTR115产生相应的4 20mA电流信号从第4脚输出，D2、 D3、 D4、 D5组成电桥，C34是滤波电容，稳压管D6起稳压作用，三极管Q2补 偿XTR115输出电流与系统消耗电流的差值部分，XTR115的第8脚输出5V 直流电压与电源管理电路中U9的第2脚相连，抬高U9的输出电平，提供 5V电源，为数字电位器U8提供电源，R64、 U7、 C31和U5A组成参考电源， 提供1.235V参考电压Vref， C44是退耦电容，磁珠Ll连接模拟地和数字 地，电源管理电路由DC/DC转换器U11、三端稳压器U9、电阻R65、 R66、 R67、 R70、电容C38、 C39、 C51、 C37、 C48、电感L2组成，外部24V电源 电压加在三端稳压器U9的第1脚，经稳压后由U9的第3脚输出，第3脚 的输出电压加在DC/DC变换器Ull的第1脚和第8脚，分别作为Ull的输 入和使能信号，'R70和C48组成充电电路，由U10第8脚提供的5V电压对 充电电路进行充电，通过低电压监测和充电电路实现各电源芯片U9、 U10、 Ull的上电顺序，Ull的第9脚SW是电压输出脚，输出电压经过电感L2的滤波后输出， C38是滤波电容，C39是储能电容，Ull的第4脚与单片机的第23脚P2. 3 相连，作为系统低电压监测。
10、如权利要求1所述的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于人 机接口电路由键盘电路和LCD显示电路组成，分别与单片机连接。
全文摘要
本发明涉及流量检测领域，为一种低功耗两线制涡街流量计。低功耗两线制涡街流量计由压电传感器、电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、峰值检测电路、带通滤波器组、多路开关选通电路、整形电路、单片机、人机接口电路和4～20mA输出与电源管理电路组成，单片机检测涡街信号的峰值和频率，并据此控制程控放大器和带通滤波器对涡街流量信号进行放大和滤波。该技术克服了现有技术不能在有效测量小流量、扩展量程比、提高测量精度的同时实现低功耗的问题。在保征有效测量小流量、扩展量程比和提高测量精度的同时实现了低功耗，输出为4～20mA直流电流、工作电流小于4mA，实现了两线制工作。
文档编号G01F1/32GK101162162SQ20071016207
公开日2008年4月16日 申请日期2007年11月14日 优先权日2007年11月14日
发明者刘三山, 刘家祥, 杨 周, 徐科军, 曾宪俊, 朱志海, 黄云志 申请人:合肥工业大学