智能涡轮流量计的研究与应用

word文档可自由复制编辑摘要流量测量在工业生产、能源计量、环境保护、交通运输、生物技术、军事工程和科学研究等领域占据重要位置，因此，流量测量仪表的研究和开发应用有着深远的意义。智能涡轮流量计是流量测量仪表中不可缺少的一员，随着现代计算机技术的发展而不断发展和完善。基于单片机的智能涡轮流量计流量计，选用以轴向型智能涡轮流量计作为测量系统。按照模块化设计方法，将系统硬件部分分为不同的功能模块分别进行设计。在硬件方面采用了低消耗的MSP430F14单片机为核心，软件设计方面采用了C语音编程，软件编程中考虑到了低消耗，可靠性的要求。在外围器件选型和软件编制过程中进行低功耗设计，极大地降低了仪表的功耗，使流量计具有较高的可靠性。通讯方面可以选择R485和HART总线方式，方便了仪表与上位机的连接。LCD显示和键盘方便了用户的操作。本文的智能涡轮流量计系统具有功耗低、抗干扰能力强、精度高、重量轻、工作可靠、价格便宜等优点。通过试验，本系统初步达到了流量计量的目的，系统的结构合理，功能完善，硬件和软件设计达到了预期要求。关键词：涡轮流量计；单片机；MSP430；HART总线AbstractFlowmeasurementoccupyanimportantpositioninindustrialproduction,energymeasures,environmentalprotection,transportation,biotechnology,engineering,militaryscienceandotherfields.Therefore,therearefar-reachingsignificanceresearchanddevelopmentapplicationsinflowmeasurementinstrument.IntelligentTurbineFlowmeterisanindispensableinstrument,whicharecontinuouslydevelopedandimprovedwiththedevelopmentofmoderncomputertechnology.Basedonsinglechipmicrocomputerintelligentturbineflowmeter,choosetoaxialturbineflowtypeintelligenceasmeasuringsystem.Systemhardwareweredesignedthroughdividedintodifferentfunctionalmodules.InthehardwareofthelowconsumptionMSP430F14microcontrollerasthecore,softwaredesignusingCspeechprogramming,softwareprogrammingconsideredlowconsumption,reliabilityrequirements.Inthecourseofdesign,reducethepowerconsumptionoftheinstrumentgreatly,andmaketheflowmeterhaveahighreliability.ItbouthhasR485andtheHARTbus,soconnecttoPCveryconveniently.Usercanoperatetheturbineflowmetereasily,throughLCDdisplayandkeyboard.Thispaperintelligentturbineflowmetersystemhaslowpowerconsumption,stronganti-interferenceability,highprecision,lightweight,reliableworking,cheapprice,etc.Keywords：Turbineflowmeter;Singlechipmicrocomputer;MSP430;HARTbus目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 IAbstract II第一章引言 11.1题目背景和意义 11.2题目的研究现状概述 21.3课题研究的主要内容 3第二章涡轮流量计的原理与组成结构 52.1涡轮流量计的基本原理 52.2涡轮流量计的组成结构 62.3涡轮流量传感器结构分类 82.4涡轮流量计特点 82.5涡轮流量计的线性特性 92.5.1涡轮流量计特性 92.5.2涡轮流量计特性 10第三章智能涡轮流量计的硬件电路设计 113.1系统硬件的总体设计 113.1.1硬件电路设计原则 113.1.2硬件系统结构 113.1.3单片机的选取 123.2电源电路 163.3流量测量电路 173.3.1霍尔开关工作原理 173.3.2流量测量原理及电路 183.3.3开关量输入电路 183.3.4放大整形电路 193.4实时时钟 193.5显示部分 203.6按键设计 223.7RS-485通讯部分 223.8HART通讯部分 233.9储存单元 25第四章结论 26参考文献 27谢辞 28word文档可自由复制编辑第一章引言1.1题目背景和意义在物资量计量领域中，流体流量的检测与控制是各行各业加强物料管理、能源管理，进行物资交接、财务结算，经济核算，效益分析与评价及至决策的重要依据；也是企业监控生产过程，使其保护优质、高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。从某种意义上讲：计量就是眼睛，计量就是金钱，计量就是效益。现代企业对流量计量的要求越来越高，主要反映在满足准确性、可靠性、及时性和自动化水平的程度等方面，计量的准确可靠性愈来愈受到社会各界的关注。气体涡轮流量计是一种速度式仪表。它具有压力损失小、精确度高、始动流量低，抗振与抗脉动流性能好等特点。广泛使用于石油、化工、电力工业锅炉等燃气计量和燃气调压站、输配气管网天然气、城市天然气计量等领域并可广泛用于贸易计量。目前，国内在气体流量计特别是气体涡轮流量计的设计、制造与鉴定技术及设备装备水平方面远远落后于欧美国家。而且国内所生产的涡轮流量计产品大多只有简单的计数显示器，客户无法直接从管路中气体流动状况了解流量计实际运行情况，同时性能与质量也不能与国外气体流量计相比。随着中国与国际市场接轨的步伐加快，低精度流量计的使用会受到越来越大的限制，而高精度流量计将需求旺盛。人们对自然界的认识在很大程度上取决于检测和仪表。无论是在工农业生产、科学研究、国防建设领域中，还是在日常生活中都与检测有着密切的关系。具体地说，为了及时了解一个生产过程或实验进展，就必须经常测试能够表征它们特性、状态的各物理参数量，如电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分等。对这些参数的大小、变化方向等进行监督和控制，就能使产生过程或实验的工况处于最佳状态，做到安全、经济，最终到达预期的结果。检测技术则是指人们为了定性了解或定量掌握自然现象或状态所从事的一系列技术措施。流量是工农业生产过程控制中的重要的测量参数之一，与温度、压力、物位同为热工量。流量测量的意义在于既可以指导生产，同时又是规范工艺操作的需要和进行经济核算的依据。由于流量这个参数受流体的工作条件影响，对其检测有相当的难度。为了满足现代工业中各种不同的场合和各种不同的测量目的，各种流量计量仪表就应运而生【10】。公共汽车运营的生产成本相当大部分来源于每日消耗在公共汽车上的汽车燃油。燃油是消耗量大、成本高的原材料。节约燃油对降低生产的成本效果很可观。汽车燃油的消耗已引起了相关管理部门的高度重视，但因汽车燃油没有准确的计量装置而无法落实管理。因此采取安装燃油计量装置的方案来实现对公共汽车的实时监测，便于对汽车的经济指标考核和杜绝燃油的浪费现象。节约燃料不仅有直接的经济效益，对减少汽车尾气污染、保护环境也起到积极的作用。减少燃油的浪费可少想空气中排放二氧化碳、氧化氮、二氧化硫等有害气体降低空气中的这些气体浓度可防止酸雨，减轻对人们的呼吸系统的伤害和影响植物的生长。当前，酸雨正在加速对人类文明文化遗产古建筑的破坏，破坏程度触目惊心，所以减少污染与降低生产成本同样重要。安装流量计的目的就是建立节约的理念，监督和提示使用燃油时注意保护环境，提高运输效率，降低生产成本，也利于对汽车上的关键设备--发动机的运行状态进行间接监测，合理利用设备，延长汽车大维修，减少和避免设备故障解决时因经验不足难以判断准确的缺欠，减少维修量，节约维修费。1.2题目的研究现状概述流量测量的发展可追溯到古代的水利工程和城市供水系统。古罗马凯撒时代已采用孔板测量居民的饮用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法测量尼罗河的流量。我国著名的都江堰水利工程应用宝瓶口的水位观测水量大小等等。17世纪托里拆利（Torricelli）奠定差压式流量计的理论基础，这是流量测量的里程碑。自那以后，18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如堰、示踪法、皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。20世纪由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，才促使仪表迅速发展，微电子技术和计算机技术的飞跃发展极大地推动仪表更新换代，新型流量计如雨后春笋般涌现出来。至今，据称已有上百种流量计投向市场，现场使用中许多棘手的难题可望获得解决。我国发展近代流量测量技术的工作比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘黑管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。至今我国已形成一个相当规模从事流量测量技术与仪器研究开发和生产的产业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家。我国90年代初流量仪表产量估计超过250万台。1938年，第一只涡轮流量计在美国问世，发展到今天，已经成为流量测量仪表门类中的一个重要产品系列。涡轮流量计由涡轮流量传感器与之配套的显示流量的显示仪表两部分构成。它具有测量精度高、重复性好、体积小、重量轻、维修方便、加工零部件及数字脉冲输出等优点，由它组成的流量测量系统可达国际商业贸易允许的计量误差要求。这种系统的成功应用在国际上已有几十年以上的历史了，在国外液化石油气、成品油和轻质原油等的转运及集输站，大型原油输管线首末站都大量采用涡轮流量计进行贸易结算。美国石油学会（API）早已制订了“API2534：用涡轮流量计计量液态烃”的标准，并在世界得到公认。流量测量的手段是用流量计，流量计是现代工业测量中重要的仪表之一，为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世，投入使用的类型有上百种。根据其测量方法和结构原理大致分为差压式流量计、浮子流量计、电磁流量计、涡街流量计、科里奥利质量流量计、超声流量计、涡轮流量计等等。流量显示仪表的发展经过了机械运算记录图表式，模拟运算机械计数式，简单逻辑运算数显示和微处理器运算及多功能数字显示四个过程。自从单片机出现后，各种各样的智能流量显示仪不断出现，取代了原有的传统的机械式或者纯模拟、数字电路构成的流量显示仪。智能流量显示仪以单片机具有使用方便、工作可靠、可进行补偿计算等优点。从上世纪80年代以来，各种智能流量显示仪就不断出现，功能也不断扩展、完善。智能流量显示仪正朝着低功耗、智能化、网络化、多功能方向发展。具体来说，智能流量显示仪可以实现流量及其它信号的采集、流量计算累加及补偿计算、数据显示、数据远程传输及打印等功能，根据用户的不同需要，开发人员可以设计出具有不同功能的智能流量显示仪来。1.3课题研究的主要内容本文研究的是一种新型涡轮流量计。它的优点在于，采用了功能强大的CPU，使得外围芯片减少，整个系统结构简单，无可动部件，系统稳定性高，另外，系统的功耗低、速度快，这些都是本设计的考虑要点及实现目标。对当今的各种流量计的原理及其优缺点进行分析对比，设计一个智能型涡轮流量计方案；研究并划分智能涡轮流量为总量，瞬时及分段流量的显示功能。一个智能流量积算系统就是要充分利用单片机体积小、功能强大、价格便宜、可靠性高等优点并配合一些外围器件，通过编制合理的软件程序完成流量高精度的积算的较先进的一种计量系统。它可以充分利用系统的软、硬件资源，方便完成高精度的补偿运算，并根据配接的流量传感器类型通过良好的人机界面完成参数设置，调用不同的数学模型完成相应的积算。智能涡轮流量计是一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表配套可用于测量液体的流量和总量。它具有精密度高，重复性好，结构简单，运动部件少，耐高压，测量范围宽，体积小，重量轻，压力损失小，维修方便等优点。它的压力损失小，叶轮具有防腐功能。

第二章涡轮流量计的原理与组成结构2.1涡轮流量计的基本原理涡轮流量计是一种速度式流量计，其由涡轮流量传感器和流量显示仪表组成。当流量计工作时，被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入流量显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。Q=f/k(2.1)式中：Q—流经传感器的流量（m3/s）f—电脉冲频率（Hz）k—仪表系数（1/m3）涡轮传感器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动并冲击涡轮叶片时，便有管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮传感器的重要特性参数，其代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的k，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。尽管涡轮流量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会完全一样，因而每台涡轮传感器的仪表常数k也不完全一样，其通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的。涡轮传感器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。作用在涡轮上的力矩可分为以下几个：流体通过涡轮式对叶片产生的切向推动力矩M1；液体沿涡轮表面流动是产生的粘带摩擦力矩M2；轴承的摩擦力矩M3；磁电转换器对涡轮产生的电磁反作用阻力矩M4.由此建立涡轮的运动微分方程：J=M1-(M2+M3+M4)(2.2)式中：J为涡轮的转动惯量；涡轮的旋转角速度；为时间；为角加速度。当流量恒定时，涡轮达到匀速转动，，则M1=(M2+M3+M4)。经理论分析与实验验证可得：通过特定的推导公式，可以得到涡轮流量与涡轮流量计的转速并不是简单的线性关系。为了简化应用，通常省略比较小的高次分量，得出一个线性表达式，即Q=f／K，现有的检定规程也采用平均K系数来作为涡轮流量计品质判定。国内外学者提出许多理论流量方程，它们适用于各种传感器结构及流体工作条件。至今涡轮流量计仪表特性仍旧不是很清楚，它与流体物性及流动特性有复杂的关系。但是理论流量方程有巨大的意义，它可以指导传感器结构设计及现场使用条件时仪表系数变化规律的预测和估算。2.2涡轮流量计的组成结构涡轮流量计通过数显仪表(流量积算仪)，将涡轮流量计输出的脉冲数转换成瞬时流量和累积流量，并显示出来。根据数显仪表(数采系统)接收的输入信号种类和功能不同，可以完成放大整形、单位换算、频率与电流／电压转换、积算、累积，如图2.1所示。图2.1涡轮流量计框图涡轮流量传感器主要由壳体1、导向体2、叶轮3、轴和轴承5、信号检出器及压紧圈6组成，同时还应配有与之相配合的前连接管7和后连接管8。具体各个部件的配合如图2.2所示。（1）壳体。壳体是传感器的主体部分，其起到承受被测液体的压力、固定安装检测部件、连接管道的作用，壳体采用不导磁不锈钢或硬质合金制造。对于大口径传感器，亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构，壳体外壁装信号检出器。1-壳体2-导向体3-叶轮4-信号检出器放置处5-轴和轴承6-压紧圈7-前连接管8-后连接管图2.2涡轮流量计传感器结构(2)导向体。在传感器进出口装有导向体，其对流体起导向整流以及支承叶轮的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。(3)涡轮。亦称叶轮，是传感器的检测部件，其由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。(4)轴与轴承。其支承叶轮旋转，需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。其决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题。(5)信号检出器。常用变磁阻式，由永久磁铁、导磁棒(铁芯)、线圈等组成。永久磁铁对叶片有吸引力，产生磁阻力矩，小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项，为此将永久磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。输入信号有效值在10mV以上的可直接配用流量计算机，配上放大器则输出伏级频率信号。(6)压紧圈。为了固定导向体，应配有合适的压紧圈。(7)前后连接管。为了能更加准确地测量液体的流量，壳体前后应该连接长度相当于管径1O倍以上的前连接管和相当于管径5倍以上的后连接管。2.3涡轮流量传感器结构分类（1）轴向型叶轮轴中心与普通轴线重合，是TUF的主要产品，有多种规格。（2）切向型叶轮轴与管道轴线垂直，流体流向叶片平面的冲角约90度，适用于小口径微流量测量，在大口径流量测量时也用到了插入式的切向型涡轮流量计。（3）井下专用型适用于石油开采井下作业使用，测量介质有泥浆及油气流等，传感器体积受限制，需耐高温、高温及流体冲击等。（4）自校正双涡轮型可用于天然气体流量测量，传感器由主、辅双叶轮组成，可由两叶轮的转速差自动校正流量特性的变化。（5）广粘度型在波特型浮动转子压力平衡结构基础上扩大上椎体与下椎体的直径，增加粘度补偿翼及承压叶片等结构措施，使传感器适用于高粘度液体。（6）插入型插入型流量传感器由测量头、插入杆、插入机构、转换器及仪表表体等部分组成【2】。2.4涡轮流量计特点涡轮流量计多年来用于工业和实验室测量，并一直得到广泛的应用，其具有如下主要特点：（1）测量精度高。涡轮流量计的测量精度是指示值得0.05%-0.2%之间，在线性范围内，即使流量发生变化，累计流量准确也不会发生变化。（2）压力损失较小。在最大流量下其压力损失为0.01-0.1MPa(3)流量测量范围宽。最大和最小流量比通常为6:1到10:1，适用于流量大幅度变化的场合。（4）重复性好。短期重复性可达0.05%-0.2%。由于良好的重复性，经常校准或在线校准即可得到很高的精度。（5）耐高压、耐腐蚀。由于具有较简单的外形且采用磁电感应结构，容易实现耐高压设计，故可适用于高压管路液体的测量，采用抗腐蚀材料制造，使得流量计耐腐蚀性能良好。（6）可获得很高的频率信号（3-4KHz），信号分辨能力强。通过传输线路不会降低其精度，容易进行累积显示，易于送入计算机进行数据处理，无零点漂移，抗干扰能力强。（7）机构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。（8）专业性传感器类型多。可根据用户特殊需要设计各种专用型传感器，例如低温型、双向型、井下型及混沙专用型等。2.5涡轮流量计的线性特性2.5.1涡轮流量计特性理想的线性特性曲线是平行于，轴的直线。但由于液体水力特性的影响和叶轮上所受的阻力矩作用的结果，实际的特性曲线具有高峰特性，高峰出现在传感器上限量程的(20—3O)％FS。产生高峰特性的原因是，当流量减少到某一数值时，作用于涡轮上的旋转力矩和粘滞力矩都相应减少，但因粘滞力矩减少显著，所以涡轮的转速反而会提高，特性曲线出现高峰。随着流量的进一步减少，作用在涡轮上的所有阻力矩的影响相对突出，涡轮转速降得快，特性曲线明显下降。只有流量增大到超过某一值时，作用在涡轮上的旋转力矩增大，在与阻力矩达到平衡时，特性曲线才趋于平直，如图2.3所示。图2.3涡轮流量计特性曲线图流量计检定规程运用的主要计算公式：仪表K系数的计算公式：每个检定点的仪表平均系数：仪表系数：流量计的线性度：如为新制造的流量计线性度：2.5.2涡轮流量计特性频率一流量特性是表示输出信号频率(f)与体积流量()之间的关系。其特性曲线如图2.4。理想的曲线应是通过坐标原点的一条直线。但从线性特性分析可知，在实际的流量测量过程中，仪表系数K随流量大小的变化而有所变化，故其输出脉冲数与流量大小的变化偏离理想的曲线，如图4所示。通过图中特性线所示的流量计实际工作直线，流量和频率之间实际是一条带截距的工作直线(理想的工作直线是过原点)。通过图2.4可看到，只要特性线是一条直线或者是一条可以量化的特性线，均可利用特性线得到准确的流量值。图2.4涡轮流量计特性曲线图第三章智能涡轮流量计的硬件电路设计3.1系统硬件的总体设计3.1.1硬件电路设计原则本文在硬件设计时的步骤及遵循的原则：首先要选择最主要的芯片或元器件，在流量显示仪中就是对信号处理和运算的核心——单片机芯片的选择。它决定着硬件整体方案的设计和其它芯片及元器件的选择。分别设计各个外围硬件模块，选择典型电路，实现系统的模块化。设计外围硬件模块时，注意单片机资源的分配和应用，如单片机的管脚分配、单片机内部集成模块的应用等。充分和合理利用单片机资源不但可以减少外围电路设计的工作量，而且可以提高整机的可靠性。设计硬件结构时，要结合软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案发生相互影响时，考虑的原则是：功能尽可能由软件实现，以简化硬件的结构。这样可以减少硬件的复杂性，所付出的代价是占用较长CPU运行时间。在所实现功能相同的情况下，都选择低消耗芯片、元器件及设备。可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计所必须考虑的，它包括芯片、元器件选择、滤波、印刷电路板布线。3.1.2硬件系统结构本课题设计的涡轮流量计由流量传感器、微处理器、LCD显示、HART模块、按键等组成。该系统以MSP430F149单片机为核心，配合外围器件，实现了信号采集，数据处理，现场显示，通讯，按键设置等功能。原理图如图3.1所示。图3.1硬件系统结构图3.1.3单片机的选取在低消耗电子系统设计中，首先要考虑的是单片机型号的选择。选择单片机除了要考虑的功能和开发环境外，在低消耗系统设计中，特别要关注的是单片机本身的功耗和它所能提供的节能措施。考虑到流量计系统低消耗方面的要求，我们采用了TI公司的MSP430单片机芯片，它是专门为低功耗而设计的新型16位单片机。MSP430系列单片机推出时间不是很长，但由于其卓越的性能，在短短几年的时间发展极为迅速，应用也日趋广泛，MSP430系列单片机针对各种不同的应用，包括一系列不同型号的器件，主要特点有[1、2]：1.超低功耗MSP430系列单片机的电源电压采用1.8-3.6低电压，RAM数据保持方式下仅耗电0.1，活动模式耗电250/MIPS（MIPS：每秒百万指令数），10输入输出口的漏电电流最大仅为50nA。MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有时钟系统产生CPU和各种模块所需要的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的功能模块，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有一个活动模块AM和5种低功耗模块LPM0-LPM4.另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求将CPU唤醒只要6，通过合理编程，既可以降低系统功耗，又可以对外部事件做出快速响应。2.强大的处理能力MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集结构，一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCO51单片机要12个周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可以达到8MPIS(注意：8MPIS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8微处理器高远不止两倍)同时，MSP430系列单片机的某些型号，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的一些算法（如FFT、DTMF等）。这种结构在其它系列单片机尚未使用。3.高性能模拟技术及丰富的片上外围模块MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外段。视型号不同可能组和有以下工能模块：看门狗（WDT）、模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时器B（Timer_B），串口0.1（USART0.1）,硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12位/14位ADC，12位DAC，12C总线，直接数字存取（DMA），端口1-6（P1-P6），基本定时器(BasicTimer）等。其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可以设计出（10-11位）高精度的A/D转换器；16位定时器具有捕获/比较功能；大量的捕获/比较寄存器，可以用于事件计数、时序发生、PWM等；多功能串口可时序异步、同步和I2C串行通信，可方便的实现多机通信等应用；具有较多的10端口，最多达6*8条IO口线，IO输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流，保证系统安全；P0，P1，P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位A/D转换器有较高的转换速度，最高可达200kb/s，性能满足大多数数据采集应用，可实现直接数字波形合成等性能；硬件I2C串行接口可以扩展I2C4.系统工作稳定上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置执行，保证晶体振荡器有足够的起振和稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。5.方便高效的开发环境目前，MSP430系列单片机有0TP型、Flash型和ROM型的器件，国内大量使用的是Flash型的。这些器件的开发手段不同，对于0TP型和ROM型的器件是使用专门仿真器，开发成功后再烧写和掩膜芯片。对于Flash型则有十分方便的开发调试环境，因为器件内有JTAG调试接口，还有可点擦写的Flash存储器，因此采用先通过JTAG接口下载程序到Flash内，再由JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发都可以在同一个软件集成环境中进行。这种方式只需要一台PC和一个JTAG调试器，而不需要专门仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言【5】。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可以在保密熔丝烧断以后，只要几根硬件连接，通过软件口令字（密码），就可更改并运行内部的程序，这为系统固件的升级提供又一方便手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可达32个字节长度【6】。3.1.4MSP430F149的结构介绍MSP430系列单片机是一个特别强调超低功耗性能的单片机品种。它适合应用在各种要求极低功耗的场合，具有一定的技术特点。在这个系列中有多个型号，它们由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。它们都具有开发设备简便、可现场编程等特点。MSP430系列采用存储器-存储器结构，即用一个公共的空间对全部功能模块寻址，同时用精简指令组对全部功能模块进行操作【9.10】。图3.2是MSP430F14x系统结构图图3.2MSP430F149的系统结构框图MSP430F149单片机引脚如下图3.3所示。图3.3MSP430F149的引脚图3.2电源电路作为一个系统的原动力，电源常常被认为是整个系统的心脏。电源配置时应充分考虑到干扰的隔离与抑制。因此，应根据电路配置状况很好地解决电源供给问题[24]。DC-DC变换器是信号拾取通道中的理想化固体电源，它们可以为信号拾取通道的各种模拟电路提供隔离电源，并可以将电路浮置起来而与其它地线无关。DC-DC变换器的输入回路与输出回路是隔离的，这样通过选用DC-DC变换器就切断了系统主电源与信号拾取通道电源间的干扰渠道，有效地实现了电源隔离。对于用电池供电的系统来说，最大的问题是随着电池的使用，其储存的能量逐渐消耗，将产生电压不稳的问题，不但会引起系统工作不正常，严重时甚至可能导致元器件的损坏。在电池供电系统中选择开关型DC-DC转换器可以获得较高的效率和较低的热耗，从而可有效延长电池的使用寿命，同时通过在输出级添加适当的滤波电路，还能够将输出电压纹波降至较小的范围。DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。DC/DC转换器的主要功能是提供稳定，即能够将不稳定的输入电压转换成稳定的输出电压，输出电压不随输入电压或输出电流的变化而变化。通常，选择电源芯片的目的是从不稳定的电源获得稳定的输出电压，有些情况下则是将一个稳定的电源电压转换成另一个不同电压的输出，这种情况下，电源调节器只是用于改变电压的电平，不需稳压。电源电路的作用主要是给测量系统供电，本测量系统主要是靠3.6V的锂电池供电，为了最大限度降低功耗，单片机及所有的外围芯片在选型时的工作电压都是3.3Ｖ，所以系统电源必须满足两点要求：1.在电池电压高于3.3V的时候必须起到将高电压降至3.3V的作用。2.使用一段时间后由于电池电量的下降，电压也随之下降，势必低于3.3V。这时电源必须起到把低电压升压到3.3V的作用。为了达到以上性能要求，在设计电源时选择了austriamicrosystems公司的AS1325稳压片。AS1325是集成了同步整流器的高效升压DC-DC转换器，其效率为96%。在输出电压为3.3V的条件下，该器件可提供1.5至5V的供电电压。当输入电压低于2V，；输出电压为3.3V时，输出电流可达185mA。完全可以满足系统的供电需求。另外本系统采用理光R3111H301C3.0V电压检测芯片，当电压低于3.0V时，P1.0输出低电平，P1.0下降沿中断有效，进入中断处理，显示“换电池”同时蜂鸣器发出报警声。电源电路的连接如图3.4所示。图3.4电源电路原理图3.3流量测量电路3.3.1霍尔开关工作原理当一个通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式：U=K×I×B/d（3.1）其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用操作要求。3.3.2流量测量原理及电路按图3.5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。图3.5旋转传感器磁体设置由此，可对转动物实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体，液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器【8】。涡轮流量计流量测量显示如图3.6所示。图3.6涡轮脉冲采集框图3.3.3开关量输入电路1、开关量的隔离（1）隔离的作用隔离的主要作用是：使低压电路与大功率的电源隔离；外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；限制地回路与地线的错接而带来的干扰；多个输入电路之间的隔离。（2）开关量的隔离方法光电隔离、继电器隔离、继电器和光电耦合器双重隔离。2、开关量的输入电路装在装置面板上的触点。这类触点包括装置调试时用或运行个定期检查装置用的键盘触点，以及切换装置上作方式出的转换开关等。从装置外部经过端子排引入装置的触点。需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板、连接片、转换开关以及其他装置和操作继电器等。本文通过TLP521-4光电耦合器构成开关量的输入电路图，如图3.7所示。图3.7开关量的输入电路3.3.4放大整形电路放大整形电路图如图3.8所示图3.8放大整形电路3.4实时时钟在智能仪表中需要随时查看当前时间或历史记录，这就需要系统有一个实时时钟单元。实现实时时钟有两个方案：一是使用CPU自身资源方便地构造时钟单元。二是使用外围时钟芯片。本系统选择的是后者，主要原因有两点【11】。由于仪表是电池供电对功耗的要求非常苛刻，而整个系统中CPU式耗电大户，如果使用CPU自身运算时钟必消耗大量的CPU资源。这样就会使CPU进入休眠模式的时间缩短，功耗上升，大大降低了电池的使用寿命。在气体流速平缓时CPU不需要重复的测量，只需定时测量一次即可，其它时间处于休眠状态。时钟芯片可以再规定时间内周期性的产生中断唤醒CPU，而在不需要读取时间的时候，时钟芯片本身工作不需要CPU的参与，延长了电池使用寿命。本系统选择的是PHILIPS公司的PCF8563，这是一款含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563的多种报警功能定时器功能时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路，内部振荡电路，内部低电压检测电路以及两线制I2C主线通讯方式不但使外围电路及其简洁而且也增加了芯片的可靠性同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563与单片机的电路连接如图3.9所示。图3.9时钟模块电路图其中电容C3的取值范围为1-20pF，备用电池可选用3V纽扣电池。当系统意外断电时，备用电池给PCF8563，使其继续工作。上电后单片机读出的时间久不会因为断电而发生错误。3.5显示部分显示模块是人机接口的一个重要组成部分，友好的显示界面能够方便操控者的读数和进行参数设定。本测量系统的显示需要完成显示测得的瞬时流量与累计流量，系统时间，并提供用户简单的参数设置界面。选用的显示模块为低消耗OCMJ4X8C-3液晶显示模块，其主要显示参数如下：电源：VDD2.7-+5.5V；低功耗模式：30μA；显示内容：128列×64列；显示角度：6点钟直视；LCD类型：STN；与MCU接口：8位并行/3位串行；配置有LED背光显示功能；带有自动启动复位按钮；一般来说采用并行连接方式具有速度快，CPU消耗低的特点，但是连线较串行复杂。考虑到本设计的涡轮流量计中MSP430单片机的外围模块比较多，占用了较多的接口，而MSP430F149的接口有限，所以显示屏与单片机的连接方法选用为串行接口的连接方法。如图3.10所示。在设计中用单片机的三个普通I/O口与液晶模块连接即可。CS为片选端，平时在LCD不用时可以置低，以降低功耗。SCLK为串行时序的输入端，SID为数据输入端，通过这两个端口的配合，单片机就可以把要显示的数据写入LCD了。图3.10LCD与单片机的连接3.6按键设计按键电路考虑到设计的仪表主要用来测量流量，所以键盘并不需要很多按键。本系统设计了四个按键的键盘，即↑、↓、Cancel、Enter，最多可完成8种任务。其中，各个键的功能为：↑和↓键的功能相似，在菜单状态时可以上下移动光标，选择需要进入的功能。在进入某个功能后↑和↓起的作用是调整参数大大小，按一次↑键参数加一，而按一次↓键则参数减一。Enter键为选择功能键。按下Enter键，系统将进入某个选定的功能状态。此时↑和↓键可以选择需要修改的参数，按一次Enter键，进入修改参数状态，状态改完后按Cancel键则可推出。Cancel键Enter键功能相反，由于MSP430F147单片机的P1口具有中断功能，所以采用P1.1、P1.2、P1.3、P1.4四个端口作为按键的输入接口。按键与单片机之间连接的原理图如下图3.7所示。3.7RS-485通讯部分在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。在RS-422标志的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。RS-485标准采用平衡水发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：（1）接收器的输入电阻RIN≥12KΩ（2）驱动器能输出±7V的共模电压（3）输入端的电容≤50pF（4）在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（5）接收器的输入灵敏度200mV（即V+-V-≧0.2V，表示信号“0”；V++V-≦-0.2V，表示信号“1”）因此RS-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS-485成为应用中数据传输的首选标准。本系统采用MAX3485作为RS-485接口芯片，该芯片的主要技术参数为：工作电源为3~3.6V,工作电流1mA，数据传输率为12Mbps。当驱动60Ω负载时（RS-485网络终端匹配电阻120Ω的并联值）峰值电流可达50mA。本系统采用的MSP430F149单片机包含了两个USART模块，可以很方便的和MAX3485连接。再RS-485通讯过程中MAX3485芯片把信号转变成RS-485标准需要的电平发送到计算机或终端，从计算机或终端接收数据然后发送给USART。原理图如图3.11所示图3.11RS-485原理图图中，MAX3485的R0脚与单片机的P3.4/UTXD0相连，作为通信电路的数据接收。DI脚与P3.5/URXD0相连，作为通信电路的数据输出。RE与DE接入P3.7和P3.6作为MAX3485的使能端。3.8HART通讯部分流量计除了具有RS485通信功能以外，还嵌入了HART总线接口技术，进一步提高了通信的距离，实现更为复杂、精确的控制【18.19】。如图3.12所示，HART协议通信模块主要由HART调制解调器A5191HRT和D/A转换器AD421及其外围电路实现。其中AD421通过串行接口接收现场仪表内部MCU传送的数字信号，转换成4～20mA电流输出，输出主要的测量结果【15.16】。A5191HRT则接收叠加在4～20mA环路上的信号，对其带通滤波和放大之后进行载波接测，如果检测到FSK频移键控信号，则将1200Hz的信号解调为“1”，2200Hz信号解调为“0”，并通过串口通信传输给MSP430，MSP430接收命令帧并作相应的数据处理。之后，MSP430产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由A5191HRT调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，并经过发送信号整型电路进行波形整形后，经AD421叠加在环路上发送。图3.12HART通信模块结构图本设计中当A5191HRT接收时，从4～20mA环路上接收信号，经过带通滤波、放大整形后提取出FSK信号并解调为数字信号，传送给MSP430；发送时，从MSP430接收数据，进行调制和波形整形后耦合到AD421内部，通过AD421叠加到环路上。A5191HRT和MSP430通过后者的通用串行通信接口连接。电路图如图3.13所示。图3.13HART通信模块电路图AD421是ADI公司推出的单片高性能数模转换器，主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接ＦＥＴ调整管组成，能够从环路中获取电流，为AD421和其他器件提供3.0V、3.3V、或5.0V可选择的供电电压【7】。数模转换器采用∑－ΔDAC结构，将1