MSP430F449在新型流量計中的應用

1 引言
電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的一種測量導電性液體體積流量的儀表。其勵磁方式的選擇直接影響傳感器內部勵磁線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)情況，進(jìn)一步影響傳感器輸出的感應電動(dòng)勢信號和儀表的測量準確度。本人在總結現有勵磁方法及前人的工作的基礎上，提出了三值梯形波勵磁方式。這種勵磁方式采用正―零―負三極性規律的梯形波作為勵磁電壓波形。使用梯形波代替矩形波可以減小勵磁波形上升沿和下降沿造成的磁場(chǎng)突變，有效地降低了對感應電動(dòng)勢產(chǎn)生的微分干擾，有利于儀表零點(diǎn)穩定性和測量準確度的提高。
2 電磁流量計硬件系統設計
基于三值梯形波勵磁的電磁流量計硬件系統主要由勵磁電路、信號處理電路和單片機系統三部分組成。其總體結構圖如圖1所示。

圖1 硬件總體結構圖
2.1 勵磁電路
勵磁電路由梯形波勵磁信號產(chǎn)生電路和勵磁信號功率放大電路兩部分組成。梯形波勵磁信號產(chǎn)生部分采用16位D/A 轉換芯片DAC7731 通過(guò)電平轉換芯片SN74AHC245與MSP430F449單片機的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵磁信號。DAC7731 輸出量程為-5V~+5V，內部參考電壓10V，USART為4 線(xiàn)SPI主機模式。此勵磁信號產(chǎn)生電路，通過(guò)MSP430單片機的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵磁頻率，為電磁流量計選擇不同的勵磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分，采用互補對稱(chēng)式功率放大電路。通過(guò)運算放大器對勵磁信號電壓放大，兩級互補對稱(chēng)功率放大電路對勵磁信號電流放大，放大后的信號輸入電磁流量計勵磁線(xiàn)圈作為勵磁電壓。此電路可線(xiàn)性放大梯形波斜邊部分，滿(mǎn)足了梯形波勵磁方式的要求。
2.2 信號處理電路
電磁流量計是法拉第電磁感應定律的具體應用。導電流體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線(xiàn)，產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。此感應電動(dòng)勢是一個(gè)微弱的交變信號，在實(shí)際測量中基本上可以測出1m/s流速對應為0.1mv感應電動(dòng)勢，且此信號內阻高，為兆歐級，同時(shí)噪聲信號多，尤其為50Hz工頻干擾，幅值遠遠大于流量的感應電動(dòng)勢信號。
根據感應電動(dòng)勢信號的特點(diǎn)，信號處理電路是測量系統中的關(guān)鍵部分，它是傳感器和單片機之間的橋梁，作用是將傳感器的感應電動(dòng)勢信號(微伏至毫伏級的梯形波勵磁信號)經(jīng)過(guò)放大、濾波、相乘等處理，轉變?yōu)锳/D采樣可接受的信號，并且通過(guò)對這個(gè)采樣信號的計算可得到流速信息，其電路單元框圖如圖2所示。

圖2信號處理電路單元框圖
信號通道位于乘法電路之前，其作用是將弱信號放大到足夠大的電平，兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功能。它由前置放大電路、高通濾波電路、放大電路組成。放大后的信號進(jìn)入接下來(lái)的乘法器，乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835, AD835具有很高的差分輸入阻抗，不需外接阻抗變換電路。