隨著微型計算機(jī)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，以微型計算機(jī)(單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng))取代傳統(tǒng)儀表的常規(guī)邏輯電子線路,開發(fā)新一代的具有某種智能的靈巧儀表, 已成為儀表開發(fā)領(lǐng)域的新趨勢,。MCU(微控制器或單片機(jī))及嵌入式系統(tǒng)等的問世和性能的不斷改善,，大大加快了儀器儀表微機(jī)化和智能化的進(jìn)程。MCU本身具有體積小,、功耗低,、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，用它們開發(fā)各類智能產(chǎn)品更具有周期短成本低等優(yōu)點(diǎn),，因此在計算機(jī)和儀表一體化設(shè)計中有著更大的優(yōu)勢和潛力^[1],。
　　流量計是在線測量管道內(nèi)流體流量的先進(jìn)儀表，在石油,、化工,、造紙、冶金等行業(yè)中有著普遍的應(yīng)用,，并不斷向智能化的方向發(fā)展,。本文介紹的就是用MSP430F449單片機(jī)開發(fā)的新型智能流量計。其基本原理是：依靠部件旋轉(zhuǎn),，用光電編碼器" title="光電編碼器">光電編碼器或磁敏" title="磁敏">磁敏傳感器產(chǎn)生電脈沖信號,，并送至由單片機(jī)構(gòu)成的流量計算裝置進(jìn)行處理。本流量計采用了數(shù)據(jù)校正,、數(shù)字濾波,、多輸出形式,、自診斷、掉電保護(hù)等智能儀表新技術(shù)以及雙電源供電系統(tǒng)與雙傳感器技術(shù),，使其能更適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境,。
1 總體設(shè)計
1.1 流量計總體功能簡介
　　智能流量計組成框圖如圖1所示。該流量計共有三種輸入量,，分別為模擬輸入量(4～20mA),、熱電阻(Pt1000)模擬輸入量以及用于流量計算的脈沖量。而流量計的輸出量有兩種,，分別為脈沖量和模擬量(4～20mA),。通信接口采用RS485串行通信總線，流量計的輸出和數(shù)據(jù)通信僅在有外接電源時工作,，無外接電源時不工作,，并采用光電隔離。

　　該流量計采用LCD和LED兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示,。其中LCD為字段型顯示,，9位8段，字體高約20～30mm,，有無外接電源均可正常工作,。LED也為字段型顯示，8位8段,，字體高約15mm,，僅在有外接電源時工作。這里為流量計設(shè)計的鍵盤與LCD一起形成菜單方式的人機(jī)交互界面,，可以手動輸入流量計測量所需的各項參數(shù),。
　　為了精確計量，在流量計設(shè)計時還專門外接了DS1302實(shí)時時鐘芯片,，以提供精確的時鐘來彌補(bǔ)MSP430系列單片機(jī)沒有實(shí)時時鐘模塊的缺陷,。該實(shí)時時鐘芯片采用三線串行輸入/輸出的方式與單片機(jī)相聯(lián)，操作簡便,，其連接電路圖如圖2所示,。流量計在使用時需存儲部分參數(shù)，為此使用了帶I²C總線的EEPROM,。另外本流量計還采用了雙電源,，即采用外接電源(12V)和鋰電池(3.7V)供電。

1.2 總體特點(diǎn)
　　(1)自診斷及掉電保護(hù)
　　為滿足野外工程需要和應(yīng)付突發(fā)的異常情況,，本流量計采用了雙電源,，即外接電源和鋰電池共用。通過在系統(tǒng)中設(shè)計一個外部中斷，使流量計自動進(jìn)入不同的工作狀態(tài),。針對不同的供電狀況,，設(shè)計了兩種流量傳感裝置(光電編碼器和磁敏傳感器)。并且由于采用的是超低功耗的MSP430系列單片機(jī)并對系統(tǒng)進(jìn)行了最小功耗設(shè)計,，所以即使備用鋰電池也可以長時間地進(jìn)行準(zhǔn)確的流量測量,，保證了數(shù)據(jù)的不丟失。
　　(2)自動修正測量誤差
　　在流量計中加入熱電阻進(jìn)行溫度測量,，同時依靠軟件進(jìn)行溫度誤差修正,。并可以通過手動輸入各種不同流體的參數(shù)，提高了流量計的自適應(yīng)能力以及和其它上游設(shè)備協(xié)同工作的能力,。
　　(3)多點(diǎn)快速檢測
　　能對多個參數(shù)進(jìn)行快速,、實(shí)時檢測，并在軟件中加入了針對不同參數(shù)的數(shù)字濾波,，以抑制各種干擾對流量計的影響。
　　(4)多輸出形式及數(shù)據(jù)通信
　　可以輸出模擬量和脈沖量,，并能夠與其它儀表和計算機(jī)通信,，組成大規(guī)模的計算機(jī)測量系統(tǒng)。
　　(5)開發(fā)與維護(hù)簡便
　　MSP430系列單片機(jī)有多種開發(fā)軟件可以選擇,，可方便地完成軟件的設(shè)計,、調(diào)試及測試。
2 硬件設(shè)計
2.1 MCU
　　經(jīng)過仔細(xì)的比較,，MCU最終采用了TI公司的MSP430F449,。MSP430F449是TI公司最近推出的具有極高性價比的16位MCU，具有功耗低,、存儲容量大,、集成度高、在線支持性強(qiáng)等特點(diǎn),。MSP430F449屬于一種中低端的單片機(jī),，運(yùn)用非常靈活，具有2K字節(jié)的RAM,，60K字節(jié)的FLASH ,，48個I/O口，三個16位定時器,，一個看門狗定時器,，兩個串行通訊口，一個集成LCD驅(qū)動模塊,，一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC12),，一個16位的硬件乘法器 。MSP430F449除了正常的工作模式外，還具有五種低功耗模式,。
2.2 溫度與模擬量的檢測
　　流體物性(密度,、粘度)對儀表特性有較大影響。由于密度和粘度與溫度關(guān)系密切,，而現(xiàn)場溫度的波動是難免的,，因此，要根據(jù)現(xiàn)場溫度采取補(bǔ)償措施才能保持高的計量精度,。為了精確地測量溫度,，采用Pt1000熱電阻，其精度可以達(dá)到0.1℃,。通過MSP430F449本身帶有的ADC12模塊,，將采集到的溫度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC12轉(zhuǎn)換內(nèi)核帶有一個轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器,；采樣速度快,，最高可達(dá)到200ksps；具有12位轉(zhuǎn)換精度,，一位非線性微分誤差,，一位非線性積分誤差；內(nèi)置采樣與保持電路,；有多種時鐘源可以提供給ADC12模塊,，而且模塊內(nèi)置時鐘發(fā)生器；內(nèi)置溫度傳感器^[2],。它使用兩個可編程的參考電壓(VEref＋和VEref-)來定義轉(zhuǎn)換的最大值和最小值,。輸入模擬電壓的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果是：
　　Nadc=4095×■
　　MSP430F449的ADC參考電壓共有六種情況可以選擇，對應(yīng)實(shí)際的情況,，使用了外部輸入的參考電壓,。因為在熱電阻的實(shí)際使用中，通過Pt1000熱電阻將被測流體的溫度轉(zhuǎn)換為0～2V的模擬電壓,，對應(yīng)的溫度為0～100℃,，故外部的參考電壓(VEref₊-VEref_-)＝2V。
　　ADC12模塊有四種轉(zhuǎn)換模式：單通道單次轉(zhuǎn)換,、單通道多次轉(zhuǎn)換,、序列通道單次轉(zhuǎn)換、序列通道多次轉(zhuǎn)換,。因為對溫度和其它被轉(zhuǎn)換的模擬量要進(jìn)行實(shí)時處理,，故應(yīng)采用序列通道多次轉(zhuǎn)換模式，可以依次轉(zhuǎn)換所選的轉(zhuǎn)換通道并重復(fù)進(jìn)行,。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束,，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存放在ADC12MEM中,，中斷標(biāo)志ADC12IFG置位，產(chǎn)生中斷服務(wù)請求并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。采用序列通道多次轉(zhuǎn)換模式,，可以節(jié)約軟件開發(fā)量和時間。
　　為提高溫度測量的準(zhǔn)確性和可靠性,，在A/D轉(zhuǎn)換后采用數(shù)字濾波來消除信號中混入的無用成分,，以減小隨機(jī)誤差。因為溫度變化較為緩慢,，故采用中位值濾波,，連續(xù)采樣N(N由測量周期和采樣頻率決定，本儀表中定為奇數(shù))次后排序取中位值,，得到的值通過查表可最終確定溫度^[3],。最終精度達(dá)到了0.1℃，滿足了設(shè)計的要求,，在實(shí)際使用中取得了很好的效果,。
2.3 電源選擇電路的設(shè)計
　　本套流量計采用雙電源工作，為此設(shè)計了圖3所示的電源診斷電路,。當(dāng)流量計用外接電源供電時,，輸出端Pow為高電平，電源指示燈亮,。而用鋰電池供電時，輸出端Pow為低電平,，電源指示燈滅,。輸出端Pow與單片機(jī)具有中斷能力的一個I/O口相連，以中斷的形式使流量計自動進(jìn)入不同的工作狀態(tài),。

2.4 流量變送器件的設(shè)計
　　本流量計采用雙傳感器來測量流量,。用外接電源供電時采用光電編碼器，而用鋰電池供電時采用磁敏傳感器,。
2.4.1 光電編碼器
　　本流量計采用增量式光電編碼器,，它是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。增量式光電編碼器有A,、B,、Z三相脈沖信號輸出，當(dāng)正轉(zhuǎn)時,，A相脈沖超前B相脈沖90度(或1/4周期),；當(dāng)反轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90度,。通過一片GAL16V8將兩路脈沖分檢出來,。但是光發(fā)射管和接收管對于鋰電池供電的系統(tǒng)而言，功耗顯得太大。
2.4.2 磁敏傳感器
　　為在低功耗下使用流量傳感裝置,，采用了ZP系列零功耗磁敏傳感器,。它是一種工作時無需外加電源的新型傳感器，為雙磁極交替觸發(fā)工作方式,。如圖4所示,，輸出信號幅值與磁場的變化速度無關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感,，使用壽命在20億次以上,，可以通過增加小磁體的數(shù)量來提高精度。

　　ZP系列傳感器輸出信號電流很小,，通過圖5所示電路進(jìn)行后級處理,。輸出脈沖信號通過74HC132進(jìn)行整形后，被送入單片機(jī)進(jìn)行計數(shù),。

2.4.3 脈沖信號處理
　　光電編碼器和磁敏傳感器的信號輸出端以及單片機(jī)的信號選擇端(有外接電源時,，選光電編碼器，輸出高電平,；無外接電源時,，采用鋰電池供電，選磁敏傳感器,，輸出低電平)均接到同一片74HC132上,，進(jìn)行信號整形及選擇，然后信號輸入到單片機(jī)進(jìn)行計數(shù),。在MSP430系列單片機(jī)中定時器資源較為豐富,。實(shí)際使用中采用具有定時/捕獲功能的16位定時器TIMER_A3對脈沖計數(shù)。在MSP430F449中,，定時器的輸入時鐘源有四種可以選擇,，這里采用外部引腳信號作為定時器的輸入時鐘源。定時器的工作模式同樣有四種可以選擇,，這里采用連續(xù)計數(shù)模式,。定時器為16位，最大可計65535個脈沖,。
2.4.4 數(shù)據(jù)顯示
　　LED顯示采用MAX7219加8位共陰極LED,。MAX7219為8位LED顯示驅(qū)動器，采用三線串行輸入/輸出的方式與單片機(jī)相聯(lián),。電路設(shè)計和調(diào)試非常方便^[4],。
　　在MSP430F449中存在一個LCD驅(qū)動模塊，驅(qū)動方式有靜態(tài),、2MUX,、3MUX,、4MUX四種。LCD顯示緩存器為20字節(jié),，在4MUX方式下,，所有的顯示緩存器位都用于段驅(qū)動，這時可以達(dá)到160段顯示,。這里只需將LCD的引腳與單片機(jī)的LCD輸出引腳直接相連,，簡化了電路的設(shè)計。
3 軟件設(shè)計
　　流量計對于溫度變化很敏感,，因此在智能流量計的軟件設(shè)計中,，應(yīng)該對流量系數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。同一臺流量計的流量系數(shù)并不是一個常數(shù),，與流體的溫度有緊密的關(guān)系,。
　　流體的瞬時流量可以表示為：
　　q=f/K
　　而K作為流量系數(shù)，可以通過下式獲得：
　　K=P_Q×T
　　T=1+(T₁-T₀)×P_T
　　其中：
　　q——瞬時流量(m³/s)　　　　　　f——每秒的脈沖數(shù)(脈沖數(shù)/s)
　　K——流量系數(shù)(脈沖數(shù)/m³)　　　　T——溫度補(bǔ)償值
　　T1——當(dāng)前溫度(℃)　　　　　　　T0——溫度截距(℃)
　　PT——溫度系數(shù)(1/℃)　　　　　　PQ——初始流量系數(shù)(脈沖數(shù)/m³)
　　上述參數(shù)中(T₀,，P_T,，P_Q)可由按鍵輸入。
　　本流量計主程序流程圖如圖6所示,。在進(jìn)入測量周期后(本文中定為5s),，首先自我診斷是否有外接電源，并進(jìn)行相應(yīng)的處理,。然后計算周期內(nèi)溫度,、讀取流量的脈沖數(shù)、計算流量,，并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和通信,。