基于MSP430F449的新型智能流量計的設計與開(kāi)發(fā)

摘要：介紹了一種以MSP430F449單片機為核心的智能流量計。具體闡述了該流量計的工作原理、總體設計及硬件電路設計和軟件設計。該流量計適用于各種復雜環(huán)境，并可以和其他上下游設備結合，實(shí)現現場(chǎng)流量測量的智能化和多功能化。 關(guān)鍵詞：流量計 MSP430F449系列單片機 智能儀表 隨著(zhù)微型計算機技術(shù)和嵌入式系統的迅速發(fā)展，以微型計算機（單片機和嵌入式系統）取代傳統儀表的常規邏輯電子線(xiàn)路，開(kāi)發(fā)新一代的具有某種智能的靈巧儀表，已成為儀表開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的新趨勢。MCU（微控制器或單片機）及嵌入式系統等的問(wèn)世和性能的不斷改善，大大加快了儀器儀表微機化和智能化的進(jìn)程。MCU本身具有體積小、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，用它們開(kāi)發(fā)各類(lèi)智能產(chǎn)品更具有周期短成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在計算機和儀表一體化設計中有著(zhù)更大的優(yōu)越和潛力[1]。 流量計是在線(xiàn)測量管道內流體流量的先進(jìn)儀表，在石油、化工、造紙、冶金等行業(yè)中有著(zhù)普通的應用，并不斷向智能化的方向發(fā)展。本文介紹的就是用MSP430F449單片機開(kāi)發(fā)的新型智能流量計。其基本原理是：依靠部件旋轉，用光電編碼器或磁敏傳感器產(chǎn)生電脈沖信號，并送至由單片機構成的流量計算裝置進(jìn)行處理。本流量計采用智能儀表新技術(shù)以及電源供電系統與雙傳感器技術(shù)，使其能更適應各種復雜的工作環(huán)境。1 總體設計 1.1 流量計總體功能簡(jiǎn)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(xiàn)，流量計的輸出和數據通信僅在有外接電源時(shí)工作，無(wú)外接電源時(shí)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)行數據顯示。其中LCD為字段型顯示，9位8段，字體高約20～30mm，有無(wú)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(shí)工作。這里為流量計設計的鍵盤(pán)與LCD一起形成菜單方式的人機交互界面，可以手動(dòng)輸入流量計測量所需的各項參數。 為了精確計量，在流量計設計時(shí)還專(zhuān)門(mén)外接了DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，以提供精確的時(shí)鐘來(lái)彌補MSP430系列單片機沒(méi)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的缺陷。該實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片采用三線(xiàn)串行輸入/輸出的方式與單片機相聯(lián)，操作簡(jiǎn)便，其連接電路如圖2所示。流量計在使用時(shí)需存儲部分參數，為此使用了帶I2C總線(xiàn)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 為滿(mǎn)足野外工程需要和應付突發(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(guò)在系統中設計一個(gè)外部中斷，使流量計自動(dòng)進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。針對不同的供電狀況。設計了兩種流量傳感裝置（光電編碼器和磁敏供感器）。并且由于采用的是超低功耗的MSP430系列單片機并對系統進(jìn)行了最小功耗設計，所以即使用鋰電池也可以長(cháng)時(shí)間地進(jìn)行準備的流量測量，保證了數據的不丟失。 （2） 自動(dòng)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(shí)依靠軟件進(jìn)行溫度誤差修正。并可以通過(guò)手動(dòng)輸入各種不同流體的參數，提高了流量計的自適應能力以及和其它上游設備協(xié)同工作的能力。 （3） 多點(diǎn)快速檢測 能對多個(gè)參數進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)檢測，并在軟件中加入了針對不同參數的數字濾波，以抑制各種干擾對流量計的影響。 （4） 多輸出形式及數據通信 可以輸出模擬量和脈沖量，并能夠與其它儀表和計算機通信，組成大規模的計算機測量系統。 （5） 開(kāi)發(fā)與維護簡(jiǎn)便 MSP430系列單片機有多種開(kāi)發(fā)軟件可以選擇，可方便地完成軟件的設計、調試及測試。 2 硬件設計 2.1 MCU 經(jīng)過(guò)仔細的比較，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?xún)r(jià)比的16位MCU，具有功耗低、存儲容量大、集成度高、在線(xiàn)支持性強等特點(diǎn)。MSP430F449屬于一種中低端的單片機，運用非常靈活，具有2K字節的RAM，60K字節的FLASH，48個(gè)I/O口，三個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，兩個(gè)串行通訊口，一個(gè)集成LCD驅動(dòng)模塊，一個(gè)模/數轉換模塊（ADC12），一個(gè)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塊。2.2 溫度與模擬量的檢測 流體特性（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。而現場(chǎng)溫度的波動(dòng)是難免的，因此，要根據現場(chǎng)溫度采取補償措施才能保護高的計量精度。為了精確地測量溫度，采用Pt1000熱電阻，其精度可以達到0.1℃。通過(guò)MSP430F449本身帶有的ADC12模塊，將采集到的溫度進(jìn)行A/D轉換。ADC12轉換內核帶有一個(gè)轉換結果寄存器；采樣速度快，最高可達到200ksps；具有12位轉換精度，一位非線(xiàn)性微分誤差，一位非線(xiàn)性積分誤差；內置采樣與保護電路；有多種時(shí)鐘源可以提供給ADC12模塊，而且模塊內置時(shí)鐘發(fā)生器；內置溫度傳感器[2]。它使用兩個(gè)可編程的參考電壓(VEref+和VEref_)來(lái)定義轉換的最大值和最小值。輸入模擬電壓的最終轉換結果是： Nadc=4095%26;#215;Vin-VEref_ (VEref+)-(VEref_) MSP430F449的ADC參考電壓共有六種情況要吧選擇，對應實(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(guò)Pt1000熱電阻將被測流體的溫度轉換為0～2V的模擬電壓，對應的溫度為0～100℃，故外部的參考電壓（VEref+-VEref_）=2V。 ADC12模塊有四種轉換模式：?jiǎn)瓮ǖ绬未无D換、單通道多次轉換、序列通道單次轉換、序列通道多次轉換。因為對溫度和其它被轉換的模擬量要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，故應采用序列通道多次轉換模式，可以依次轉換所選的轉換通道并重復進(jìn)行。每次轉換結束，轉換結果被存放在A(yíng)DC12MEM中，中斷標志ADC12IFG置位，產(chǎn)生中斷服務(wù)請求并對數據進(jìn)行處理。采用序列通道多次轉換模式，可以節約軟件開(kāi)發(fā)量和時(shí)間。 為提高溫度測量的準確性和可靠性，在A(yíng)/D轉換后采用數字濾波來(lái)消除信號中混入的無(wú)用成分，以減小隨機誤差。因為溫度變化較為緩慢，故采用中位值濾波，連續采樣N（N則測量周期和采樣頻率決定，本儀表中定為寄數）次后排序取中位置，得到的值通過(guò)查表可最終確定溫度[3]。最終精度達到了0.1℃，滿(mǎn)足了設計的要求，在實(shí)際使用中取得了很好的效果。 2.3 電源選擇電路的設計 本套流量計采用雙電源工作，為此設計了圖3所示的電源診斷電路。當流量計用外接電源供電時(shí)，輸出端Pow為高電平，電源指示燈亮。而用鋰電池供電時(shí)，輸出具有中斷能力的一個(gè)I/O相連，以中斷的形式使流量計自動(dòng)進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。2.4 流量變送器件的設計 本流量計采用雙傳感器來(lái)測量流量。用外接電源供電時(shí)采用電光編碼器，而用鋰電池供電時(shí)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(guò)光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換脈沖或數字量的傳感器。增量式光電編碼器有A、B、Z三相脈沖信號輸出，當正轉時(shí)，A相脈沖超前B相脈沖90度（或1/4周期）；正反轉時(shí)，B相脈沖超前A相脈沖90度。通過(guò)一片GAL16V8將兩種脈沖分檢出來(lái)。但是光發(fā)射管和接收管對于鋰電池供電的系統而言，功耗顯得太大。 2.4.2 磁敏傳感器 為了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(shí)無(wú)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(chǎng)的變化速度無(wú)關(guān)，可實(shí)現“零速”傳感，使用壽命在20紀次以上，可以通過(guò)增加小磁體的數量來(lái)提高精度。 ZP系列傳感器輸出信號電流很小，通過(guò)圖5所示電路進(jìn)行后級處理。輸出脈沖信號通過(guò)74HC132進(jìn)行整形后，被送入單片機進(jìn)行計數。 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的信號選擇端（有外接電源時(shí)，選光電編碼器，輸出高電平；無(wú)外接電源時(shí)，采用鋰電池供電，選磁敏傳感器，輸出低電平）均接到同一步74HC132上，進(jìn)行信號整形及選擇，然后信號輸入到單片機進(jìn)行計數。在MSP430系列單片機中定時(shí)器資源羅為豐富。實(shí)際使用中采用具有安時(shí)/捕獲功能的16位定時(shí)器TIMER_A3對脈沖計數。在MSP430F449中，定時(shí)器的輸入時(shí)鐘源有四種可以選擇，這里采用外部引腳信號作為定時(shí)器的輸入時(shí)鐘源。定時(shí)器的工作模式同樣有四種可以選擇，這里采用連接計數模式。定時(shí)器為16位，最大可計65535個(gè)脈沖。2.4.4 數據顯示 LED顯示采用MAX7219加8位共陰極LED。MAX7219為8位LED顯示驅動(dòng)器，采用三線(xiàn)串行輸入/輸出的方式與單片機相聯(lián)。電路設計和調試非常方便[4]。 在MSP430F449中存在一個(gè)LCD驅動(dòng)模塊，驅動(dòng)方式有靜態(tài)、2MUX、3MUX、4MUX四種。LCD顯示緩存器為20字節，在4MUX方式下，所有的顯示緩存器都用于段驅動(dòng)，這時(shí)可以達到160段顯示。這里只需將LCD的引腳與單片機的LCD輸出引腳直接相連，簡(jiǎn)化了電路的設計。 3 軟件設計 流量計對于溫度變化很敏感，因此在智能流量計的軟件設計中，應該對流量系數進(jìn)行溫度補償。同一臺流量計的流量系數并不是一個(gè)常數，與流體的溫度有緊密的關(guān)系。 流體的瞬時(shí)流量可以表示為： q=f|K 而K作為流量系數，可以通過(guò)下式獲得： K=PQxT T=1+(T1-T0)xPT 其中： q——瞬時(shí)流量（m3/s）f——每秒的脈沖數（脈沖數/s） K——流量系數（脈沖數/m3）T——溫度補償值 T1——當前溫度（℃） T0——溫度截距（℃） PT——溫度系數（1/℃） PQ——初始流量系數 上述參數中（T0，PT，PQ）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)行相應的處理。然后計算周期內溫度、讀取流量的脈沖數、計算流量，并進(jìn)行數據顯示和通信。 本流量已經(jīng)在現場(chǎng)運行，通過(guò)與上位機的數據通信，實(shí)現了多功能和智能化，并且實(shí)時(shí)性好，操作簡(jiǎn)單，可以滿(mǎn)足多種流體的測量。