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渦街流量計(jì)是目前化工生產(chǎn)過(guò)程中普遍使用的流量測(cè)量?jī)x表，其轉(zhuǎn)換電路是智能渦街流量計(jì)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。利用MSP430型單片機(jī)作為核心部件，合理選擇外圍器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低功耗、智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，并具有功能組態(tài)、參數(shù)設(shè)定、故障診斷、數(shù)據(jù)修正等功能。解決了以往流量計(jì)的功耗大、性能不穩(wěn)定問(wèn)題。同時(shí)，整機(jī)成本同國(guó)外同類型產(chǎn)品相比有較大幅度的降低。
1 電路的功能及單片機(jī)的選擇
由于轉(zhuǎn)換器是2線制24V（DC）在現(xiàn)測(cè)量智能型儀表，設(shè)計(jì)有CPU、D/A轉(zhuǎn)換電路、通訊接口電路、顯示電路等環(huán)節(jié)。根據(jù)石油化工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提出的技術(shù)要求，必須保證整個(gè)儀表在4mA以下能夠正常工作。因此，功耗的大小是電路研制能否成功的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的低功耗單片機(jī)的篩選，我們選擇了美國(guó)德州儀器（TI）公司的MSP430F147，它是16位RISC結(jié)構(gòu)的FLASH型單片機(jī)，具有超低功耗的特性。該芯片有48個(gè)I/O端口、片內(nèi)集成l6位計(jì)時(shí)器、USART通訊模塊、模擬比較器等功能模塊，利用該芯片對(duì)渦街傳感器前置放大板過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行脈沖測(cè)量、誤差修正、各種流量、電流代碼及光柱數(shù)計(jì)算，并把這些信號(hào)送LCD顯示及420mA輸出。轉(zhuǎn)換器的電路功能如圖1所示。
2 硬件電路實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)時(shí)鐘及電源
當(dāng)MSP430的主時(shí)鐘MCLK正常工作時(shí)，取XT2IN為4M：非正常工作時(shí)，取DCO為4M左右，外部供電為24V（DC）。電源監(jiān)測(cè)是本流量計(jì)電路設(shè)計(jì)的之處，通過(guò)MSP430內(nèi)嵌的模擬比較器模塊進(jìn)行模擬信號(hào)電壓的比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源故障的監(jiān)測(cè)。外部電源通過(guò)MSP430的P2.3管腳引入單片機(jī)，它同P2.4的1.25參考電壓端進(jìn)行比較，比較器輸出端P2.2同P2.1相連，采用MSP430軟件查詢P2.1的電平，實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控。這種利用軟件代替硬件的設(shè)計(jì)方法，既降低了整機(jī)電路的功耗又降低了硬件成本，同時(shí)也提高了儀表的穩(wěn)定性。
2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路
MSP430輸出的數(shù)字信號(hào)送D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換，變成4~20mA輸出。D/A轉(zhuǎn)換模塊采用美國(guó)Analog Device公司的AD421轉(zhuǎn)換元件，它同MSP430采用SPI模式通訊，采用三線制主工作模式。
2.3 脈沖輸出電路
抗干擾能力是考核儀表的一項(xiàng)主要參數(shù)。為了減少脈沖輸出信號(hào)受外界干擾，脈沖輸出電路采用日本NEC公司的PS2932光耦隔離電路。MSP430對(duì)脈沖輸出進(jìn)行控制。MSP430的P4.3為脈沖輸出選擇位，低為允許系統(tǒng)自檢脈沖輸出，高為允許原始脈沖頻率輸出。P4.2為系統(tǒng)自檢脈沖輸出及原始頻率輸出控制，低為不允許原始頻率輸出，高為允許。通訊時(shí)脈沖輸出禁止，默認(rèn)輸出原始脈沖這種設(shè)計(jì)是本電路的又一與眾不同之處，使整機(jī)穩(wěn)定性明顯高于同類其他產(chǎn)品。脈沖輸出電路原理如圖2所示。
2.4 顯示及按鍵電路
按鍵及顯示器是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的媒介。顯示電路采用段式液晶顯示LCD，內(nèi)置的液晶驅(qū)動(dòng)器PCF8576同主MSP430采用ⅡC模式通訊。ⅡC總線采用單主模式控智LCD顯示，其時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳送的速度小于100kHz。鍵盤采用4按鍵制，分別是LEFT鍵、RIGHT鍵、+鍵及-鍵，LEFT按鍵中斷進(jìn)入菜單，在菜單中定時(shí)查詢鍵值，所有按鍵均為低電平有效。
3 軟件實(shí)現(xiàn)
全部軟件采用C語(yǔ)言編程，正常工作時(shí)為低功耗狀態(tài)，采用Timerb捕獲中斷方式進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，Timerb的定時(shí)中斷用于控制流量計(jì)算、電流輸出及累積量存貯時(shí)間間隔，不斷監(jiān)控鍵盤中斷，隨時(shí)進(jìn)行菜單操作。程序流程如圖3所示。
3.1 初始化
初始化分為兩部分，（1）上電初始化，完成初始化硬件、系統(tǒng)自檢及時(shí)鐘設(shè)定；（2）功能軟件應(yīng)用初始化，主要為調(diào)用相關(guān)功能軟件時(shí)對(duì)相應(yīng)寄存器或要應(yīng)用到的硬件進(jìn)行初始化。
3.2 數(shù)據(jù)采集及處理
測(cè)量中斷由timer-b捕獲/比較器0的捕獲中斷實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部不再嵌套任何中斷。定時(shí)中斷由timer-b 16位計(jì)數(shù)器溢出中斷產(chǎn)生，其內(nèi)部只嵌套測(cè)量中斷和SPI中斷。在中斷競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，測(cè)量中斷比SPI中斷優(yōu)先級(jí)高，而SPI中斷時(shí)間保持在200μs以內(nèi)時(shí)，不影響測(cè)量。測(cè)量和定時(shí)中斷是本設(shè)備工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，二者的中斷優(yōu)先級(jí)在中斷向量中除電源監(jiān)控和看門狗中斷外級(jí)別。在定時(shí)中斷中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器監(jiān)測(cè)、計(jì)算、輸出、存儲(chǔ)、鍵盤中斷判斷等功能。
3.3 ⅡC通訊
Microchip公司的24LC02B型EEPROM具有掉電保護(hù)功能。EEPROM主要用于存貯累積量、管道直徑及流體種類等儀表參數(shù)。每次掉電MSP430都從EEPROM中讀入各種儀表參數(shù)，每當(dāng)修改完菜單參數(shù)后，存貯到EEPROM中，同時(shí)以一定的時(shí)間間隔向EEPROM存入累計(jì)量數(shù)值。MSP430同EEPROM及D/A模塊AD421采用ⅡC模式通訊。因MSP430本身不具有ⅡC總線接口，故需軟硬件模擬實(shí)現(xiàn)。模擬ⅡC通訊接口是本軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。硬件模擬：①P3.7：SCL（SDCLK），小于100kHz；P3.6：SDA（P3.5：EEPROM寫禁止，低有效）②I/O口管腳方向寄存器PnDIR復(fù)位，通過(guò)設(shè)置管腳方向，可以實(shí)現(xiàn)ⅡC總線所需的輸出電平。當(dāng)管腳方向?yàn)閕nput時(shí)，相當(dāng)于輸出高電平；當(dāng)管腳方向?yàn)閛utput時(shí)，相當(dāng)于輸出低電平，實(shí)現(xiàn)了open-drain輸出功能。軟件模擬：數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始和結(jié)束、應(yīng)答位、傳送數(shù)據(jù)格式及傳送模式按照ⅡC通訊模式進(jìn)行。軟件模擬數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)始程序如下：
void START（void）
{P3DIR &=~SDA； //SDA=1
―NoP（）；
―NoP（）；
―NoP（）；
―NoP（）；
P3DIR & =~SCL： //SCL=1
―NoP（）；
―NoP（）；
―NoP（）；
while（（P3IN & SCL）!= SCL）；//wait for slaver release the clock line
ⅡC-delay（）；
P3DIR |= SDA； //SDA=0
ⅡC-delay（）；
P3DIR |=SCL： //SCL=0
―NoP（）；
―NoP（）；
―NoP（）；
―NoP（）；
}/* end START */
4 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)方案中硬件電路以MSP430作為核心部件，適當(dāng)擴(kuò)展外圍電路組成，并巧妙地利用了軟件代替硬件技術(shù)，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本，同時(shí)提高了儀表的智能化程度、穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)公司遼化分公司儀表廠試驗(yàn)并經(jīng)聚脂一廠、尼龍廠現(xiàn)場(chǎng)考核運(yùn)行表明，本產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，接近進(jìn)口同類產(chǎn)品的水平。智能渦街流量計(jì)開(kāi)發(fā)研制的成功，中油集團(tuán)該儀表產(chǎn)品的空白。由于生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于同類型進(jìn)口產(chǎn)品，因此具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和廣泛的市場(chǎng)前景。
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