MSP430F149单片机在新型电磁流量计中的应用

      前言

      电磁流量计的励磁方式很多，也各有各的优缺点。目前，在正弦波励磁方式下，电磁感应产生的微分干扰，其干扰幅值与频率成正比，相位比流量信号滞后，而且实际中一般又远远大于流量信号，所以如何克眼微分干扰电势的影响是正弦波励磁技术的主要难题。

      在低频正弦波励磁方式下，采用新的信号处理方法，即把线圈内的励磁电流信号与两电极输出的流量信号相乘，所得乘积的直流成分和流量成正比。采用这样的处理手段，在任何流速下（包括零点），微分干扰与励磁电流信号相乘后都会被作为交流量滤去，不会影响测量结果，这就减小了微分干扰的影响，提高了流量计零点稳定性和测量准确度。

      笔者采用MSP430信号处理器构建了整套测量系统，此芯片将大量的外围模块整合到片内，非常有利于单片系统的设计和开发，而且软件开发工具功能强大，使用方便，利于软件的开发、升级与维护。

      1 硬件系统

      基于低频正弦波励磁的电磁流量计的硬件部分主要由：传感器、电源系统、单片机系统、励磁电路。信号处理电路构成。它的总体结构图，如图1所示。

      1.1 传感器及电源系统

      传感器直接由厂家制作，这里就不详细介绍了。本系统所用电源电压种类较多，包括±24V、±18V、±12V、±5V和+3.3V。电源系统采用两个输出+24V和+12V的开关电源串连的方式组成基础电源，输出±24V、±12V和公共地。其它电源电压则通过三端稳压芯片LM7818，LM7918，LM7805，LM7905等产生。

      1.2 励磁电路

      本系统励磁电路由励磁信号产生电路和励磁信号功率放大电路两部分组成。励磁信号产生部分笔者选用信号发生芯片ICL8038。ICL8038波形产生芯片是一块能够产生高精度的方波、正弦波、三角波和锯齿波的集成电路，需要的外部电路很少。通过调节外部匹配的电阻电容，输出的波形频率可从0.001Hz到300kHZ变化。ICL8038由高级的单块集成电路技术制成，它的输出电压可在很宽的温度变化范围和供电电压变化范围内保持稳定。励磁信号功率放大部分，笔者采用运算放大器LF356执行电压放大与功率放大管TIP41、TIP42组成的互补对称推挽电流放大相结合完成。功率放大后的励磁信号最大幅值为±8V、160mA。

      1.3 信号处理电路

      信号处理电路中采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835AN来实现线圈内的励磁电流信号与两电极输出流量信号相乘，AD835具有很高的差分输入阻抗，不需外接阻抗变换电路。乘法器输出信号经过放大与电平的提升以后进入A/D采样。

      1.4 单片机系统

      本测量系统采用TI公司的MSP430F149单片机作为MCU，与晶振输入模块、复位电路、LCD显示模块和键盘模块共同构成单片机系统。MSP430F149超低功耗微处理器是TI公司推出的一种新型单片机。它具有16位精简指令结构，内含12位快速A/D，60K字节FLASH ROM，2K字节RAM，片内资源丰富，有ADC、PWM、若干TIMER、串行口、WATCHDOG、比较器等。单片机系统的复位电路使用的是将RST/NMI引脚电压拉低到GND，然后释放，从而引起系统复位的方法。系统的键盘模块采用独立按键式键盘。由3个独立按键分别与3只上拉电阻共同和MSP430的P1.1、P1.2和P1.3相连，并将这三个端口设置为上升沿中断使能的方式，利用中断处理程序来判断键盘输入。

      2 软件系统

      本测量系统软件采用TI公司的430单片机软件开发工具，IAR Embedded Workbench作为终端软件的开发平台，编程语言采用C430。TI公司的430单片机软件开发工具专门用于430单片机以实现嵌人式应用开发。包含以下实用工具：具有语法表现能力的文本编辑器、编译器、汇编器、连接器、函数库管理器、实现操作自动化的Make工具和内嵌C语言级与汇编级的调试器C-SPY。

      本系统软件由主程序、键盘菜单处理、定时器中断、A/D采样、LCD显示等部分组成。系统程序流程图，如图2所示。

      3 结束语

      在系统集成和调试的基础上，本研究对所研发的电磁流量计系统作了技术性能测试。试验所用传感器的内径为45mm，在室温下测量此口径管道中水的流速，并采用标准计量罐进行标定。对0.156m/s至3.763m/s的流速范围做了测试，测量结果的相对误差在-3.84%以内。

      实验结果表明，基于乘法原理的这种信号处理手段具有良好的测量精度，在小流速下也具有较准确的测量结果。特别是它采用了MSP430完成了整套测量系统，使外围所要添加的器件更少，使整个系统结构更加简洁可靠，也更方便了软件的升级与更新。笔者的工作不仅为电磁流量计的设计提供了又一种有效的信号处理方法，也为开发更高性能、更智能化的电磁流量计提供了新的思路。

      参考文献：

      [1]蔡武昌，马中元, 瞿国芳，等．电磁流量计[M]．北京：中国石化出版社，2004．
      [2]魏小龙．MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002．