专利名称：改进的低功耗两线制涡街流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量检测领域，为一种低功耗两线制涡街流量计，特别是
一种以单片机(MCU)为核心、周期图谱分析与硬件带通滤波器组相结合的低
功耗、两线制涡街流量计信号处理系统。
背景技术：
中国发明专利公布了一种低功耗两线制涡街流量计(徐科军，曾宪俊， 朱志海，刘三山等.低功耗两线制涡街流量计，申请发明专利， 200710162074.5，申请日2007.11.14.)。这种流量计由压电传感器、电 荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、峰值检 测电路、带通滤波器组、多路开关选通电路、整形电路、单片机、人机接 口电路和4 20mA输出与电源管理电路组成，单片机检测涡街信号的峰值和 频率，并据此控制程控放大器和带通滤波器对涡街流量信号进行放大和滤 波。该技术克服了现有技术不能在有效测量小流量、扩展量程比、提高测 量精度的同时实现低功耗的问题。在保征有效测量小流量、扩展量程比和 提高测量精度的同时实现了低功耗，输出为4 20mA直流电流、工作电流小 于4mA，实现了两线制工作。但是，这种低功耗两线制涡街流量计存在以下 不足(1)对脉冲频率计算采用的是在2秒钟内数脉冲个数的方式，可能多 计或者少计一个脉冲，造成0.5Hz的频率计算误差；(2)用施密特触发器作 为整形电路，其门槛电平和触发幅度不可调节，不利于在有噪声和小信号 幅值的情况下，对信号进行整形；(3)设计的带通滤波器只能适用于一种口 径的液体或者一种口径的气体流量计，适用面窄；(4)电路的模拟地直接接 仪表外壳以实现屏蔽，但是，这样的连接无法通过安全性能试验。

发明内容
本发明要解决已经申请专利中存在的一些关键技术问题，提供一种适用范围更宽、精度更高、抗干扰能力更强、功耗更低的低功耗两线制涡街
流量计。
本发明所采用的技术方案是采用差分电荷放大器，代替原来的电荷 放大器，以提高提取涡街信号的能力，同时，增强抗干扰能力；将原来由 单运算放大器组成的带通滤波器改成由高通滤波器与低通滤波器级联组成 带通滤波器，以获得更好的通带特性；将峰值检测电路放在带通滤波器之 后，以提高峰值检测的精度；将比较器配置成触发器对涡街信号进行整形， 利用定时器捕获方式，采用多周期等精度的频率测量方法，提高测量精度； 电路的模拟地不接仪表外壳，而是通过在电荷放大器外设置一个屏蔽盒， 同时，将电路的模拟地通过串联电容和电感的方式，接至仪表外壳，以实 现屏蔽和通过安全性能试验；分别针对液体和气体两种被测介质设计信号 处理系统，增强了仪表的通用性；增加温度和压力补偿电路和功能，以便 用于气体流量的测量；设计更加有效的电源模块，外部提供的24V直流电 压通过DC/DC (直流/直流变换器)变换成3.3V电压，经过LDO (低压差 线性稳压器)变成3V电压，作为数字部分的电源；3.3V再通过另一路LDO 变换成3V电压，作为模拟电路部分的电源，模拟地和数字地之间通过磁珠 连接；24V电压通过另一片LDO变换成7V电压，作为温度和压力补偿电 路部分的电源。
改进后的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、差分电荷放大 器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、 带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4 20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大 器、16位模数转换器(ADC)。
压电传感器输出的电荷信号经过差分电荷放大器转变为电压信号，再经 过电压放大器、程控放大器、低通滤波器后分为2路，第l路信号经电压 跟随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成 数字量，单片机对信号进行少点数快速傅立叶变换(FFT)，做周期图谱分析， 得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道，进行滤波；第2路信号送至带通滤波器组滤波；经过带通滤波器后，信号又分为2路，第l路送
至峰值检测电路，峰值检测电路检测出峰值，送至单片机的ADC输入端， 单片机对信号的峰值进行采样和转换，并调整程控放大器的放大倍数；第2 路信号送至整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端， 进行计数，单片机根据频率计算结果，将流量信息显示在LCD上，并通过 自身的DAC转换，送至4 20mA输出与电源管理电路经过V/I转换成4 20mA 电流信号输出。
差分电荷放大器由放大器U1A、 U1B、电容C1、 C2、 C7、 C9 、 Cll、 C12、 C13、电阻R2、 R9、 RIO、 Rll、 R16组成，其中，Cl、 C2、 C12、 C13是反馈 电容，决定了电荷放大器的放大倍数。
电压放大器由放大器U2B、电容C3、电阻R3、 R5、 R12、 R13组成。 程控放大器由放大器U3A、数字电位器U4、电容C4、 C6、 CIO、电阻 Rl、 R6、 R14组成，数字电位器U4的输出端L、 H与电阻R1串联，作为U3A 的反馈电阻。其中，数字电位器U4的片选线、时钟线和数据线与单片机的 通用I/0口相连，由单片机控制数字电位器的电阻值，从而调整放大器的 放大倍数。
低通滤波器由放大器U3B、电容C5、 C8、电阻R4、 R7、 R8、 R15组成。 电压跟随器由放大器U3C和放大器U3D组成，两个放大器呈并联关系， 同相输入端接收所述低通滤波器送来的输出信号。
带通滤波器组由1个低通滤波器与7个带通滤波器组成。其中，低通 滤波器由放大器U6A、电容C17、 C22、电阻R18、 R21、 R22、 R25、退耦电 容C24组成；第1个带通滤波器由放大器U6D、电容C32、 C33、 C30、电阻 R31、 R37、 R41，放大器U6B、电容C28、 C36、电阻R29、 R33、 R34、 R38 组成；第2个带通滤波器由放大器U7A、电容C42、 C43、 C40、电阻R45、 R51、 R55、退耦电容C26，放大器U7B、电容C38、 C46、电阻R43、 R47、 R48、 R52组成；第3个带通滤波器由放大器U7D、电容C50、 C52、 C53、电 阻R59、 R65、 R69，放大器U7C、电容C48、 C56、电阻R57、 R61、 R62、 R66 组成；第4个带通滤波器由放大器U9A、电容C51、 C54、 C55、电阻R60、R68、 R70、退耦电容C27，放大器U9B、电容C49、 C57、电阻R58、 R63、 R64、 R67组成；第5个带通滤波器由放大器U9D、电容C41、 C45、 C44、电 阻R46、 R54、 R56，放大器U9C、电容C39、 C47、电阻R44、 R49、 R50、 R53 组成；第6个带通滤波器由放大器U8C、电容C31、 C34、 C35、电阻R32、 R40、 R42，放大器U8D、电容C29、 C37、电阻R30、 R35、 R36、 R39组成; 第7个带通滤波器由放大器U8B、电容C19、 C20、 C21、电阻R20、 R27、 R28， 放大器U8A、电容C18、 C23、电阻R19、 R23、 R24、 R26、退耦电容C25组 成；这7个带通滤波器的电路结构相同，均是用1个高通滤波器和1个低 通滤波器级联组成，但是，参数不同，从而通带互不相同，又相互连接， 覆盖涡街流量计的频带范围，并且相邻通带间有一定的重叠。
滤波器选择电路由Ull组成，其8个输入端分别与带通滤波器组的8 个通道相连，Ull输出端第3管脚通过电阻R74与整形电路U12的输入端相 连。整形电路U12由比较器组成，与普通的施密特触发器相比，这里的比 较器加了一个门槛，波形要超过门槛值才能触发脉冲，具有较强的抗干扰 能力。信号进行整形后，输出为规则的方波，再送入单片机U3的第12脚， 即P1.0口，进行计数。这里采用捕获方式，利用多周期等精度测量方法， 对脉冲进行计数，提高了测量精度。
单片机U3的型号为MSP430F1611。
峰值检测电路由放大器U10A、 U10B、 二极管Dl、 D2、场效应管Ql、 电容C58、 C59、 C60、电阻R71、 R72、 R73组成。放大器UIOA的正向输入 端接收所述多路开关Ull的输出信号。峰值检测电路中的场效应管的栅极 与单片机的通用10 口相连，峰值检测电路的输出接至单片机的ADC输入端； 单片机控制场效应管的通断，从而控制电容的充放电，使峰值检测电路输 出当前一段时间内的峰值；单片机对峰值检测电路输出的峰值信号进行采 样和转换，再根据峰值去调整数字电位器的电阻值。
4 20mA输出和电源管理模块由4 20mA电流变送器XTR115、 DC/DC、 三个LDO和磁珠BEAD组成。24V直流电压先经过DC/DC由24V变为3. 3V， 经过LDO变成3V电压，作为数字部分的电源，3.3V再通过另一路LDO变换成3V电压，作为模拟电路部分的电源，模拟地和数字地之间通过磁珠 连接，这样数字部分跟模拟部分电平匹配，而且单片机在3V电压下消耗电
流更小。同时，由24V直流电压经过一级LD0变为7V，供温压补偿部分恒 流源工作。系统消耗的电流由XTR115检测并调整输出电流。由于系统电源 跟输入之间没有进行隔离，将表壳(大地)和系统地(模拟地、数字地) 之间进行隔离来满足绝缘的要求(即浮地)。
恒流源电路由2. 5V基准电源U14、运算放大器U15B、三极管Q2、 Q3、 电阻R77、 R78、 R88、 R83、 R90组成，为温度传感器R86和压力传感器R87 提供恒流源。温度传感器R86，为铂电阻，两端Temp+和Temp-接至ADCU16 的输入端。压力传感器R87，由Ra、 Rb、 Rc、 Rd组成，输出信号为Press+ 和Press-，先经过一级由运算放大器U13A、 U13B、电阻R76、 R79、 R81、 R84、 R85、 R89、电位器R82、电容C66、 C68、退耦电容C63组成的差分放 大器放大，然后，接至16位模数转换器U16的输入端。
U16是个16位的ADC，将温度传感器和压力传感器输出的模拟信号转 换成数字信号，通过I2C总线送至单片机，为流量信号的温度和压力补偿 提供信息。
人机接口电路由键盘电路和LCD显示电路组成，分别与单片机连接。
本发明的优点是设计了差分电荷放大器，代替原来的单一的电荷放
大器，提高了涡街信号的提取能力，同时，增强抗干扰性能；设计了由高 通滤波器与低通滤波器级联组成带通滤波器，取代了原来由单运算放大器 组成的带通滤波器，获得更好的通带特性；将峰值检测电路放在带通滤波 器组之后，以提高峰值检测的精度；利用定时器捕获方式，采用多周期等 精度的频率测量方法，对整形的脉冲进行计数，克服了过去所用的定时器 计数方式可能存在的±1个脉冲的计数误差，提高了测量精度；在电荷放大 器外设置了一个屏蔽盒，以增强抗电磁干扰的能力，同时，将电路的模拟 地串联电容和电感，接至仪表的外壳，以符合仪表安全性能试验的要求； 分别针对液体和气体两种被测介质设计信号处理系统，增强了仪表的通用 性；增加温度和压力补偿电路和功能，可以将仪表用于气体流量的测量；
9设计了更加有效的电源管理模块，即使外部的电源电压降到14V，仪表也
能正常工作。


图1是本发明系统的硬件框图。
图2是本发明系统中差分电荷放大器和电压放大器的电路原理图。 图3是偏置电压电路原理图。
图4是本发明系统中程控放大器和其中的数字电位器的电路原理图。 图5是本发明系统中低通滤波器和电压跟随器的电路原理图。 图6是单片机芯片管脚接线示意图。
图7是本发明系统中带通滤波器组中的4个滤波器的电路原理图
图8是本发明系统中带通滤波器组中的另外4个滤波器的电路原理图
图9是本发明系统中滤波器选择电路的电路原理图。
图IO是本发明系统中整形电路的电路原理图。
图11是峰值检测电路的电路原理图。
图12是4 20mA输出和电源管理电路的电路原理图。
图13是恒流源、温度传感器和压力传感器原理图。
图14是压力传感器差分放大器电路原理图
图15是16位模数转换器(ADC)的电路原理图。
图16是本发明系统中键盘输入电路示意图。
图17是本发明系统中LCD显示芯片接线示意图。
图18是本发明系统软件框图。
图19是本发明系统中主监控程序流程图。
图20是本发明系统脉冲捕获原理框图。
图21是本发明系统定时器B的中断服务程序流程图。
图22是本发明系统频率估算流程图。
图23是本发明系统中带通滤波器组中滤波器通道选择流程图。 图24是本发明系统中程控放大器调整流程图。 图25是本发明系统中流量计算流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明的设计思想是既采用数字信号处理方法，又要保证仪表是低 功耗工作，所以，采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换(FFT)，实 现周期图谱分析，确定涡街信号的频率值；设计一组硬件带通滤波器，其 通带覆盖涡街信号所在的频带，根据谱分析结果来选择具体的带通滤波器， 进行最佳滤波，最大限度地消除各种谐波和现场噪声对测量的影响，提高 测量精度。采用数字电位器和运算放大器组成程控放大器，通过峰值检测 确定涡街信号的幅值，调整程控放大器的放大倍数，使信号的幅值达到最 佳范围，适应大流量和小流量的测量的需要，扩展量程比。选用低功耗的 单片机芯片，并设计与之配套的输出电路和电源管理电路，保证仪表工作 电流小于4mA，输出电流为4-20mA，实现两线制工作。
本发明系统的总体结构如图1所示。本发明系统由压电传感器、差分 电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通 滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机 接口电路、4 20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感 器、差分放大器、16位模数转换器(ADC)。
本发明系统的工作过程为从压电传感器输出的微弱电荷信号，首先经 过电荷放大器将其转变为电压信号，由于幅值非常小，所以，再经过一级 固定的电压放大器和一级程控放大器。放大后的信号经过低通滤波器，滤 除信号中的高频干扰，然后分为2路。第l路信号由电压跟随器(缓冲器) 输出，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量。单片机对信号进行 少点数的FFT，做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组 的通道。第2路信号送至带通滤波器组，进行滤波；由单片机的频谱分析 结果来决定输出某路滤波后的信号。经过带通滤波器组的输出信号分为2 路。第1路送至峰值检测电路；峰值检测电路将信号的峰值送至单片机ADC 的输入端；单片机对信号的峰值进行采样和转换，并根据峰值来调整程控 放大器的放大倍数，使信号的幅值达到最佳范围；第2路送至由比较器组成的整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，采用 捕获方式，利用多周期等精度方法进行频率计算。单片机根据计数结果，
将流量信息显示在LCD上，并通过自身的DAC转换，送至4 20mA输出与 电源管理电路，经过V/I转换成4 20mA电流信号输出。
如图2所示，涡街流量传感器，即压电传感器输出的电荷信号经由放大 器U1A、 U2B、电容C1、 C2、 C7、 C9 、 Cll、 C12、 C13、电阻R2、 R9、 RIO、 Rll、 R16组成的差分电荷放大器放大，其中，Cl、 C2、 C12、 C13是反馈电 容，决定了电荷放大器的放大倍数；然后，经由放大器U2B、电容C3、电 阻R3、 R5、 R12、 R13组成的电压放大器放大。图2和其它图中的偏置电压 Vref由图3所示的偏置电路提供。偏置电路由U5、运算放大器U2A、电阻 R17和电容C16、 C17组成，提供1.235V直流电压。
经过放大后的信号通过隔直电容C9，去除直流成分后，送至由放大器 U3A、数字电位器U4、电容C4、 C6、 CIO、电阻R1、 R6、 R14组成的程控放 大器，如图4所示。图中，数字电位器U4的输出端L、 H与电阻R1串联， 作为U3A的反馈电阻；数字电位器U4的片选线、时钟线和数据线与单片机 的通用IO口相连，由单片机控制数字电位器的电阻值，从而调整放大器的 放大倍数。采用程控放大器是考虑到涡街流量传感器输出信号的幅值与频 率成平方的关系，而涡街信号的频率变化范围较宽，所以，信号幅值变化 范围很大。并且，同一传感器测量不同介质的流量时，信号幅值的差别也 很大。为了保证不同频率和不同介质情况下，涡街传感器信号的幅值基本 保持相等，以扩展量程比，并使送到单片机ADC输入端的电压幅值接近满 量程，以保证足够的分辨率，所以，采用程控放大器。由低功耗运算放大 器和数字电位器组成程控放大器，成本低，功耗低。
经过程控放大器后的信号送至低通滤波器和电压跟随器，如图5所示。 低通滤波器由放大器U3B、电容C5、 C8、电阻R4、 R7、 R8、 R15组成。电 压跟随器由放大器U3C和放大器U3D组成，两个放大器呈并联关系，同相 输入端接收所述低通滤波器送来的输出信号。
电压跟随器的输出信号分为2路。第1路为Signal,送至单片机的第59管脚P6. 0/A0，如图6所示，供单片机ADC采样转换后进行周期图谱分析。 第2路为BPF，送至带通滤波器组进行滤波，如图7和图8所示。
虽然涡街流量传感器信号经过了如前所述的低通滤波器， 一些高频信号 被消除。但是，由于涡街信号频率的变化范围较宽，从0.5Hz至3.7KHz。 在这个频带范围内，可能包含涡街流量信号频率、机械振动频率、流场扰 动噪声频率和其它噪声频率。若将此信号直接进行整形和计数，由于各种 噪声的影响，很容易造成整形电路的误触发，使测量结果出现较大的误差。 针对这个问题，本发明系统设计一组模拟带通滤波器，包括l个低通滤波 器和7个带通滤波器，如图7和图8所示。其中，低通滤波器是放大器U6A、 电容C17、 C22、电阻R18、 R21、 R22、 R25、退耦电容C24;第1个带通滤 波器是放大器U6D、电容C32、 C33、电阻R31、 R37、 R41，放大器U6B、电 容C28、 C36、电阻R29、 R33、 R34、 R38;第2个带通滤波器是放大器U7A、 电容C42、 C43、电阻R45、 R51、 R55、退耦电容C26，放大器U7B、电容C38、 C46、电阻R43、 R47、 R48、 R52;第3个带通滤波器是放大器U7D、电容C50、 C52、 C53、电阻R59、 R65、 R69，放大器U7C、电容C48、 C56、电阻R57、 R61、 R62、 R66;第4个带通滤波器是放大器U9A、电容C51、 C54、 C55、 电阻R60、 R68、 R70、退耦电容C27，放大器U9B、电容C49、 C57、电阻R58、 R63、 R64、 R67;第5个带通滤波器是放大器U9D、电容C41、 C45、 C54、 电阻R46、 R54、 R56,放大器U9C、电容C39、 C47、电阻R44、 R49、 R50、 R53;第6个带通滤波器是放大器U8C、电容C31、 C34、 C35、电阻R32、 R40、 R42,放大器U8D、电容C29、 C37、电阻R30、 R35、 R36、 R39;第7个带通 滤波器是放大器U8B、电容C19、 C20、 C21、电阻R20、 R27、 R28，放大器 U8A、电容C18、 C23、电阻R19、 R23、 R24、 R26、退耦电容C25。这7个带 通滤波器的电路结构相同、参数不同，从而通带互不相同，但是相互连接， 覆盖涡街流量计的频带范围，并且相邻通带间有一定的重叠。由l个高通 滤波器和1个低通滤波器来实现1个带通滤波器，这样比单运放带通滤波 器的幅频特性好，即这样形成的通带部分的幅频特性比较平坦，截止区域 衰减得更快。考虑到整个涡街信号的频率范围在0. 5Hz至3700Hz的范围，若用一组带通滤波器组去滤波，效果不佳，所以，针对不同情况设计了若 干组滤波器组，这样既具有一定的通用性和互换性，又保证有较好的滤波
效果。例如，针对15mm至200mm 口径的液体流量测量设计1组带通滤波器 组的参数，其工作频率覆盖lHz至500Hz;针对25腿至150mm 口径的气体 流量测量设计1组带通滤波器的参数，其工作频率覆盖19Hz至2300Hz。具 体选择哪个滤波器的输出信号进行整形和计数，由单片机对涡街信号进行 频谱分析的结果来决定。即单片机对采集到的涡街传感器信号进行周期图 谱分析，确定涡街信号的范围；据此，确定用哪个带通滤波器滤波后的信 号进行整形和计数，这样可以最大程度地消除各种噪声对涡街信号的影响， 避免误触发，保证计数的精度。
带通滤波器组中的8个滤波器均可能有输出，但是，只有一个滤波器 的输出信号是代表涡街流量信号、且受干扰影响小。本发明系统选用8选1 多路开关Ull，如图9所示。该器件的8个输入端分别与带通滤波器组的8 个通道相连，公共端即开关输出端3通过电阻R74与比较器U12的输入端3 相连，如图10所示。在图9中，U11的3根控制线A、 B、 C分别与单片机 的I/O 口 P5. 3、 P5. 2、 P5. 1相连，如图6所示。Ull根据3路控制引脚的 电平来选通相应的通道，即根据单片机频谱分析的结果来选通相应的通道。 被选通的信号是经过滤波、含有最少噪声的涡街信号，送入比较器U12进 行整形，输出为规则的方波，再送入单片机的Pl.O，进行计数。与普通的 施密特触发器相比，这里的比较器能够调整门槛电压，波形要超过门槛值 才能触发脉冲，具有较强的抗干扰能力。
8选1多路开关Ull的输出还接至峰值检测电路的输入端，即U10A的 同相输入端3，如图11所示。峰值检测电路由放大器U10A、 U10B、 二极管 Dl、 D2、场效应管Ql、电容C58、 C59、 C60、电阻R71、 R72、 R73组成。 放大器U10A的同相输入端接收所述多路开关U11的输出信号。峰值检测电 路中的场效应管的栅极与单片机的通用I/O 口相连，峰值检测电路的输出 接至单片机的ADC输入端；单片机控制场效应管的通断，从而控制电容的 充放电，使峰值检测电路输出当前一段时间内的峰值；单片机对峰值检测电路输出的峰值信号进行采样和转换，再根据峰值去调整数字电位器的电 阻值。将峰值检测电路放在带通滤波器之后，测量经过滤波后信号的幅值， 可以得到更为准确的结果。
本发明系统采用TI公司的单片机MSP430F1611为处理核心，如图6所 示。由于本发明系统要做到超低功耗，同时，系统在信号处理时用到FFT 运算，需要大容量的SRAM，但外扩会大大增加系统功耗，而MSP430F1611 单片机具有10KB的SRAM。
MSP430F1611是MSP430系列中的高端产品，它除了具备超低功耗的逻 辑运算单元以外，还集成了丰富的外围模块。它主要通过以下三种形式来 实现低功耗具有活动模式和5种低功耗模式，可根据不同需要进行选择， 以达到功耗最低的目的；它还具有独特的时钟系统设计，包括基本时钟(高 速时钟和低速时钟)系统和DCO(数字振荡器)时钟系统；另外，它采用矢量 中断，支持十多个中断源，用中断请求唤醒CPU只需要6戸。所以，通过 合适的硬件设计和合理的编程，既可以降低系统功耗，又可以对外部事件 做出快速响应。
MSP430F1611是16位单片机，使用目前最流行的精简指令集(RISC) 结构， 一个时钟周期可以执行一条指令。同时，MSP430F1611采用了一般只 有DSP才有的16位硬件乘法器、DMA等体系结构，大大增强了它的数据处 理和运算能力，为实现本发明系统中数字信号处理算法提供了保证。
MSP430F1611集成了十分丰富的片内外设，主要有以下功能模块看门 狗、模拟比较器A，定时器A、定时器B、串口O，l、硬件乘法器、8输入通 道的12位ADC、 2输出通道的12位DAC、 I2C总线、直接存储器存取(DMA)、 端口 1 端口6 (P1 P6)和基本定时器。虽然MSP430F1611没有集成液晶 驱动模块，但是，外加一片液晶驱动模块，同样可以做到低功耗。
MSP430F1611单片机存储器采用的是统一结构，即物理上完全分离的存 储区域如FLASH、 RAM、外围模块、特殊功能寄存器SFR等，被安排在同一 地址空间，这样，就可以用一组地址、数据总线、相同的指令对它们进行 字节或者字形式访问。这种组织方式和CPU采用精简指令相互协调，对外围模块的访问不需要单独的指令，为软件的开发和调试提供了便利。
4 20mA输出和电源管理模块由4 20mA电流变送器XTR115、 DC/DC、 三个LDO和磁珠BEAD组成。24V直流电压先经过DC/DC由24V变为3. 3V， 经过LDO变成3V电压，作为数字部分的电源，3.3V再通过另一路LDO 变换成3V电压，作为模拟电路部分的电源，模拟地和数字地之间通过磁珠 连接，这样数字部分跟模拟部分电平匹配，而且单片机在3V电压下消耗电 流更小。同时，由24V直流电压经过一级LD0变为7V，供温压补偿部分恒 流源工作。系统消耗的电流由XTR115检测并调整输出电流。由于系统电源 跟输入之间没有进行隔离，将表壳(大地)和系统地(模拟地、数字地) 之间进行隔离来满足绝缘的要求(即浮地)。
如图13所示，恒流源电路由2. 5V基准电源U14、运算放大器U15B、 三极管Q2、 Q3、电阻R77、 R78、 R88、 R83、 R90组成，为温度传感器R86 和压力传感器R87提供恒流源。温度传感器R86，为铂电阻，两端Temp+和 Te即-接至ADC U16的输入端。压力传感器R87，由Ra、 Rb、 Rc、 Rd组成， 输出信号为Press+和Press-，先经过一级由运算放大器U13A、 U13B、电阻 R76、 R79、 R81、 R84、 R85、 R89、电位器R82、电容C66、 C68、退耦电容 C63组成的差分放大器放大，如图14所示；然后，接至16位模数转换器 U16的输入端，如图15所示。U16是个16位的ADC，将温度传感器和压力 传感器输出的模拟信号转换成数字信号，通过I2C总线送至单片机，为流 量信号的温度和压力补偿提供信息。
本发明系统的人机接口电路由键盘电路和LCD显示电路组成，如图16 和图17所示。键盘电路采用简单的非编码键盘设计，共安排了四键设定、 移位、递增和确认，如图16所示。键值由单片机的通用I/O 口中的Pl 口 定时扫描，四键分别占用P1.4， P1.5， P1.6, P1.7。当有键按下时相应的 口线为高电平。本发明系统的LCD电路如图17所示。选用定制的液晶显示 器，专用于流量、温度、压力等仪表，可双排显示14位8段式字符，并具 有字母提示符显示。
本发明系统软件总体框图如图18所示，由主监控程序模块、保护模块、中断模块、初始化模块、程控放大器调整模块、计算模块、电流输出模块、 人机接口模块组成。其中，初始化模块包括LCD初始化、流体介质和仪表
口径初始化、峰值检测模块初始化、4-20mA电流输出模块初始化、温度和 压力补偿模块初始化、掉电保护模块初始化、流量计算模块初始化、带通 滤波器选择初始化。
图18中的主监控程序模块是整个软件系统的总调度程序，调用各个模 块中的子程序，实现本发明系统的所要求的功能。主监控程序的流程如图 19所示。它是一个循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入不 断査询标志和进行相应处理的循环中。基本过程为系统上电后，立即进 行初始化；初始化后，首先査询FFT计算标志位是否置位，若置位，则调 用FFT计算模块，对经过电荷放大、电压放大、低通滤波和电压跟随后的 涡街传感器信号做FFT计算、频谱分析和校正，估计出最大能量所在的频 率，根据这个频率来选择带通滤波器，并设置峰值检测时间的间隔，处理 完成后清除标志位；然后，査询发触发捕获信号的标志位是否置位。
为了进行多周期等精度测量，我们设置定时器A(TA)为涡街信号脉冲计 数器，设置定时器B(TB)为填充脉冲计数器，让TA的PWM模块(TA1)定时发 触发捕获信号(定时时间由测量频率的下限而定)，TA和TB根据相邻两次 触发捕获信号之间的时间间隔，分别捕获涡街信号脉冲的个数和填充脉冲 个数，根据TA和TB捕获得到的脉冲数以及TB的工作时钟频率计算出涡街 信号的频率，如图20所示。定时器A的工作时钟由外部提供，这就是说外 部脉冲每增加-一次，定时器A计数器计数值就会增加一次，即定时器A是 用来对外部脉冲进行计数的。定时器B用来产生时间间隔，每次定时时间 到就发触发捕获信号。根据这个捕获信号，定时器A的一个P丽单元(TA1) 就产生上升沿，定时器A的捕获单元(TA2)和定时器B捕获单元(TB2)根 据这个上升沿，将其各自的计数器值捕获进来，计算出相邻两次信号的TA 的计数差值A^和TB的计数差值乂.，则
<formula>formula see original document page 17</formula>(1)式中，F、为定时器B的丁作时钟频率，F工为定时器A的工作时钟频率，即 被测涡街流量信号的频率。
图19中，若发触发捕获信号的标志位置位，则设置TA1发触发捕获信 号，发完后清除标志位；然后，改变ADC的采样通道，采集经过电荷放大、 电压放大、低通滤波、带通滤波后的涡街传感器信号的峰值；而峰值检测 的控制过程是査询放电标志位是否置位，若置位，则首先査询是否是第 一次放电，若是，则直接进行放电，若不是第一次放电，则启动ADC去采 样信号的峰值，启动后延时一段时间，再进行放电，处理完成后清除标志 位；接下来，查询调整放大倍数标志位是否置位，若置位，调用调整放大 倍数模块，处理完成后，清除标志位；然后，查询计算流量标志位是否置 位，若置位，则调用流量计算模块，处理完成后清除标志位；査询重新设 置采样频率标志位，若置位，则调用设置采样频率模块，根据流体介质和 仪表口径设置釆样频率，处理完成后清除标志位；查询LCD刷新标志位是 否置位，若置位，则调用LCD刷新模块，刷新LCD，处理完成后，清除LCD 刷新标志位；最后，查询保存累计流量标志位是否置位，若置位，则保存 累计流量，处理完成后，清除标志位。完成上述查询、处理功能后，主监 控程序返回，重新开始下一轮査询、处理，不断循环。
用TB的定时中断作为系统的时间基准，系统中各个模块参照这个基准 进行工作。具体地说，单片机的晶振频率是8MHz，经过分频，得到lMHz的 SMCLK，再经过4分频，得到250KHz的工作时钟，送入TB。 TB根据这个工 作时钟，产生0.1秒的定时作为系统工作的时间基准。根据这个时间基准， 在程序中设定各个模块的起始和结束工作的时间。整个系统工作的定时是: 设定ADC第一通道，采集涡街传感器的数据；进行FFT计算，得到功率谱， 估计出频率，选择带通滤波器的通道；设定ADC第二通道，采集涡街传感 器的数据，计算峰值，调整程控放大器的放大倍数；发触发捕获信号；进 行流量计算。例如，整个系统工作循环1次设定为2s。若采集数据和FFT 计算需要0.426s时间，那么，设定程序在O. ls时开始采集数据；在0.6s 时设发触发捕获信号；在0.7s到L8s之间采集信号，计算峰值，进行程控放大器放大倍数调整；在1. 9S时开始计算流量。
图21是定时器B(TB)中断子程序流程图。当TA捕获到涡街信号脉冲时， 将在TA的中断服务程序中将TB捕获到的时间基准个数保存起来，同时， 设置一个标志位。在TB中断服务程序中，査询这个标志位，若置位，则表 示已经将TB捕获到的时间基准个数保存起来，此时，就可以将TB捕获到 的时间基准个数清零。接下来，通过数时间基准的个数，来判断是否到了 预先设定的扫描键盘的时间，若到，则扫描键盘；若没有到或者超过了， 就通过数时间基准个数，来判断是否到了预先设定采集用于FFT计算的数 据的时间，若到，则设置ADC去采集数据，同时，设置DMA传送采集的数 据到内存；若没有到或者超过了，就通过数时间基准的个数来判断是否到 了预先设定的发触发捕获信号的时间，若到，就设置发触发捕获信号的标 志；若没有到或者超过了，就通过数时间基准个数来判断是否到了峰值检 测的时间，若到，则开始峰值检测过程；若没有到或者超过了，就判断流 量计算时间是否到。
峰值检测的过程为先放电，放电时间是O. ls;然后，再充电，充电
时间也是O. 1S;再设置ADC对第一次峰值采样；当采样完成后，再开始放 电；放电O. 1S后，再充电O. 1S;再设置ADC对第二次峰值进行釆样；采样
完成后，再放电；按照此方式，经过3次峰值采样后，就进行程控放大器
放大倍数的调整。这个过程在程序中是这样实现的数时间基准个数，判
断是否当到了预先设定的第一次峰值检测的时间，若到，则设置第一次放
电标志；若没有到或者超过了，就判断时间基准个数是否超过了预先设定 第一次峰值检测的时间，若超过了，则表示已经进行过一次放电；接着， 判断第一次峰值检测标志是否置位，若置位，则表示第一次放电已经结束， 此时就设置充电标志；若没有置位，则继续判断充电标志是否已经置位； 若置位，则继续判断是否充电完毕；若充电完毕，则设置放电标志；若充 电标志没有置位，或者充电标志已经置位，但充电没有完毕，则继续判断放 电标志是否置位；若置位，则继续判断放电是否完毕；若放电完毕，则设 置充电标志；若放电标志没有置位，或者放电标志置位，但没有放电完毕，则继续判断时间基准个数是否到了预先设定的流暈计算的时间。若到了预 先设定的流量计算时间，则设置流量计算标志，若没有到或者超过了，就 继续判断时间基准个数是否等于预先设定的工作循环结束的时间；若等于， 则继续判断是否到了累积流量保存的时间。当工作循环时间为2s，累积流量
保存循环时间为3分钟，则经过90次工作循环后，就应该保存累积流量， 所以每次工作循环结束后，都要判断是否到了保存累积流量的时间；若没 有到保存累积流量的时间，但已经到了工作循环结束的时间，则先设定重 新设置采样频率的标志，再设置刷新液晶的标志。
图22是频率估算流程图。对信号进行采样，计算频率值，再选择带通 滤波器组的通道，接着设置峰值采样时间间隔，即具体选定带通滤波器组 中的一个带通滤波器，设置峰值采样过程充放电时间。本发明系统采用少 点数FFT估计涡街信号的频率。首先对采样得到的信号序列进行零均值处 理，消除直流分量；然后，对序列进行FFT运算。为了克服单片机的运算 速度不够快和内存资源有限的问题，我们采取了以下的技术措施，在单片 机上实时实现了 FFT运算，并保证了算法的精度(l)采用汇编语言编制FFT 程序，运算速度快；(2)数据统一使用Q13定点数表示，即用16位来表示1 个数据，最高位(左边的第一位)是符号位，剩下的15位表示数据的大小， 其中，高2位(左边的第二位和第三位)用来表示数据中的整数部分，在计 算中作为保护位，最低13位(右边的13位)表示数据中的小数部分，采样 来的数据先放在低12位，然后，左移1位，这样可以减少内存占用量；(3) 采用定点数计算，即在乘法和加法计算过程中使用的数据其小数点都是固 定的，以提高计算速度；(3)在FFT运算过程中，每经过一级碟形因子的计 算，其结果最大可能会扩大3倍，随着计算级数的增加，用Q13格式表示 的数据肯定会发生溢出，所以，在计算过程中必须对数据进行移位(右移)， 以防止数据的溢出，但是，在实际计算中，并非每级计算的结果都会溢出， 若此时对结果进行移位，就会降低FFT计算结果的精度，因为移位使数据 变小，即减少了小数部分的有效位，为此，先判断这一级计算结果是否大 于l，当大于1时，才移位，小于l就不移位。由FFT运算结果计算出信号的功率谱，按照能量占优原则，根据最大功率谱峰值，估计出涡街流量信 号的频率；最后，利用重心校正法进行频谱校正，提高涡街流量信号频率 测量的精度。根据涡街流量信号的频率，由单片机控制多路选择电路，选 择对应于当前涡街流量信号频率的带通滤波器，将此带通滤波器与后面的 整形电路相连。根据涡街信号频率设置峰值采样过程中的充放电时间间隔。 图23是带通滤波器组中滤波器选择流程图。设计的1个低通滤波器和 7个带通滤波器的通频带将整个要处理的涡街信号频率覆盖，同时，相邻滤 波器的通带之间有重叠部分，以避免当涡街信号频率处于相邻通带边缘时， 引起带通滤波器的频繁切换，即避免频繁地变换带通滤波器。当频率超出 上次选择的带通滤波器的频率范围时，就查找覆盖此频率的滤波器，选出 最合适的滤波器。具体选择过程为当频率没有超过当前滤波器通带的上 下限时，就仍然选择当前的滤波器；当频率正好落在两个滤波器通带的交
叉带中时，将依据这两个滤波器通带的交叉点来进行选择，即把这两个滤
波器幅频特性的相交点作为一个分界线当频率低于交叉点时，就选择低 通带的滤波器，高于交叉点就选择高通带的滤波器。
图24是程控放大器调整的流程图。根据检测到的涡街信号峰值，调整
数字电位器的电阻值，从而实现程控放大器放大倍数的调整。由于在实际 中涡街传感器输出信号存在自然衰减现象，所以，幅值是波动的，我们根 据最小的峰值来调整程控放大器的放大倍数。为此，本发明系统对峰值检 测电路的输出信号进行多次采样，对峰值采样结果进行处理，找出最小峰 值，然后根据这个最小值来设置程控放大器放大倍数，使小幅值的涡街信
号也能够被整形器触发。当峰值大于上限(2.3V)或者小于下限(2.0V) 时，就不对程控放大器进行调整；而当峰值在上下限范围之内，就根据峰 值计算出程控放大器放大倍数，将放大倍数转换为程控放大器中的数字电 位器的量化值。若量化值超出数字电位器量化值的上限255，就将量化值设 置为255，当量化值低于数字电位器的量化值的下限l，就设置量化值为l。 最后，将量化值写入数字电位器，更新数字电位器的电阻值。
图25是流量计算流程图。流量计算模块是将脉冲频率计算的结果，经过处理后，计算出瞬时流量，最终转换为电流输出。根据频率计算结果， 首先判断是不是第一次计算，若是，就设置计算出来的频率为0，保存频率， 存入队列；若不是，接着判断峰值检测的结果是不是连续两次小于截止幅 值，若是，就设置计算出来的频率为0，保存频率，存入队列；若不是，接 着判断频率是不是小于截止频率，若是，就设置频率为0，保存频率，存入 队列；接着判断计算出来的频率是否连续两次超出设定频率波动范围，若 是，就清o整个队列中保存的频率，保存刚才连续两次计算出来的频率结 果，存入队列；接着对保存在队列中频率进行排序，找出非0频率的个数， 接着判断非0频率的个数是不是超过5，若是，就直接平均队列中的非O频 率，计算出涡街信号频率；若不是，就找出队列中非0频率中的最大值， 次大值，最小值，次小值，然后将非0频率中的这4个值去除，平均剩下 的非O频率，计算得出涡街信号频率；接着选择仪表系数，计算瞬时流量， 对计算出的瞬时流量进行温度和压力补偿，计算累计流量，判断电路测试 标志是否置位，若没有置位，就将瞬时流量转化为对应的电流值。若是， 就不进行电流转化，直接返回。
权利要求
1、改进的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4～20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器、16位模数转换器；其特征在于压电传感器输出的电荷信号经过差分电荷放大器转变为电压信号，由于幅值非常小，所以，再经过一级固定的电压放大器和一级程控放大器；放大后的信号经过低通滤波器，滤除信号中的高频干扰，然后分为2路；第1路信号由电压跟随器(缓冲器)输出，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量单片机对信号进行少点数的FFT，做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道；第2路信号送至带通滤波器组，进行滤波；由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号；经过带通滤波器组的输出信号分为2路；第1路送至峰值检测电路；峰值检测电路将信号的峰值送至单片机ADC的输入端；单片机对信号的峰值进行采样和转换，并根据峰值来调整程控放大器的放大倍数，使信号的幅值达到最佳范围；第2路送至由比较器组成的整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，采用捕获方式，利用多周期等精度方法进行计数单片机根据计数结果，将流量信息显示在LCD上，并通过自身的DAC转换，送至4～20mA输出与电源管理电路，经过V/I转换成4～20mA电流信号输出。
2、 如权利要求1所述的改进的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于:差分电荷放大器由放大器U1A、 U1B、电容C1、 C2、 C7、 C9 、 Cll、 C12、 C13、电阻R2、 R9、 RIO、 Rll、 R16组成，其中，Cl、 C2、 C12、 C13是反馈电容，决定了电荷放大器的放大倍数。
3、 如权利要求1所述的改进的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于:带通滤波器组由l个低通滤波器与7个带通滤波器组成；其中，低通滤波器由放大器U6A、电容C17、 C22、电阻R18、 R21、 R22、 R25、退耦电容C24 组成；第1个带通滤波器由放大器U6D、电容C32、 C33、 C30、电阻R31、 R37、 R41，放大器U6B、电容C28、 C36、电阻R29、 R33、 R34、 R38组成； 第2个带通滤波器由放大器U7A、电容C42、 C43、 C40，电阻R45、 R51、 R55、 退耦电容C26，放大器U7B、电容C38、 C46、电阻R43、 R47、 R48、 R52组 成；第3个带通滤波器由放大器U7D、电容C50、 C52、 C53、电阻R59、 R65、 R69,放大器U7C、电容C48、 C56、电阻R57、 R61、 R62、 R66组成；第4 个带通滤波器由放大器U9A、电容C51、 C54、 C55、电阻R60、 R68、 R70、 退耦电容C27，放大器U9B、电容C49、 C57、电阻R58、 R63、 R64、 R67组 成；第5个带通滤波器由放大器U9D、电容C41、 C45、 C44、电阻R46、 R54、 R56，放大器U9C、电容C39、 C47、电阻R44、 R49、 R50、 R53组成；第6 个带通滤波器由放大器U8C、电容C31、 C34、 C35、电阻R32、 R40、 R42, 放大器U8D、电容C29、 C37、电阻R30、 R35、 R36、 R39组成；第7个带通 滤波器是放大器U8B、电容C19、 C20、 C21、电阻R20、 R27、 R28，放大器 U8A、电容C18、 C23、电阻R19、 R23、 R24、 R26、退耦电容C25组成。这7 个带通滤波器的电路结构相同，均是用1个高通滤波器和1个低通滤波器 级联组成，但是，参数不同，从而通带互不相同，又相互连接，覆盖涡街 流量计的频带范围，并且相邻通带间有一定的重叠。
4、 如权利要求1所述的改进的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于整形电路由比较器组成，加了一个门槛，波形要超过门槛值才能触发脉冲， 信号进行整形后，输出为规则的方波，再送入单片机，进行计数。
5. 如权利要求1所述的改进的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于: 采用捕获方式，利用多周期等精度测量方法，对脉冲进行计数，即设置定时器A(TA)为涡街信号脉冲计数器，设置定时器B(TB)为填充脉冲计数器， 让TA的P丽模块(TA1)定时发触发捕获信号(定时时间由测量频率的下限而 定)，TA和TB根据相邻两次触发捕获信号之间的时间间隔，分别捕获涡街 信号脉冲的个数和填充脉冲个数，根据TA和TB捕获得到的脉冲数以及TB的工作时钟频率计算出涡街信号的频率。
6、如权利要求1所述的改进的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于峰值检测电路由放大器U10A、 U10B、 二极管D1、 D2、场效应管Ql、电容 C58、 C59、 C60、电阻R71、 R72、 R73组成；放大器U10A的正向输入端接 收所述多路开关Ull的输出信号；峰值检测电路中的场效应管的栅极与单 片机的通用IO口相连，峰值检测电路的输出接至单片机的ADC输入端；单 片机控制场效应管的通断，从而控制电容的充放电，使峰值检测电路输出 当前一段时间内的峰值；峰值检测电路放在带通滤波器组之后，以提高峰 值检测的精度。
7.如权利要求1所述的改进的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于 在单片机上实时实现FFT运算，并保证了算法的精度，通过采用汇编语言 编程、数据统一使用Q13定点数表示、定点数计算和根据每级运算结果大 小来决定是否移位的方式，保证算法的精度、实时性和内存内量的要求。
8. 如权利要求1所述的改进后的低功耗两线制涡街流量计，其特征在 于温度和压力补偿电路中，恒流源电路由2.5V基准电源U14、运算放大 器U15B、三极管Q2、 Q3、电阻R77、 R78、 R88、 R83、 R90组成，为温度传 感器R86和压力传感器R87提供恒流源；温度传感器R86，为铂电阻，两端 Temp+和Temp-接至ADC U16的输入端；压力传感器R87，由Ra、 Rb、 Rc、 Rd组成，输出信号为Press+和Press-，先经过一级由运算放大器U13A、 U13B、电阻R76、 R79、 R81、 R84、 R85、 R89、电位器R82、电容C66、 C68、 退耦电容C63组成的差分放大器放大，然后，接至16位模数转换器U16的 输入端；U16是个16位的ADC，将温度传感器和压力传感器输出的模拟信号转 换成数字信号，通过I2C总线送至单片机，为流量信号的温度和压力补偿提供信息。
9、 如权利要求1所说的改进后的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于电路的模拟地不直接接仪表外壳，而是通过在电荷放大器外设置一 屏蔽盒，同时将电路的模拟地通过串联电容和电感的方式接至仪表外壳； 模拟地和数字地之间通过磁珠连接。
全文摘要
本发明涉及流量检测领域，为一种改进后的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4～20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器、16位模数转换器。采用少点数FFT频谱分析与模拟带通滤波器组相结合的方式处理涡街传感器信号，采用多周期等精度的频率测量方法，具备温度和压力补偿电路和功能，输出4～20mA直流电流、两线制工作。改进后的低功耗两线制涡街流量计量程比、测量精度和抗干扰能力均大幅度提高。
文档编号G01F1/32GK101451864SQ20081024610
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者刘三山, 刘家祥, 徐科军, 朱志海, 罗清林 申请人:合肥工业大学