一种新型的电磁涡街水表-中国流量网.doc

一种新型的电磁涡街水表 李雯1，戴华平1，许玉芳2 (1中国杭州 浙江大学 信息学院，2中国北京雷萨德仪表公司) 摘要：为了使涡街流量计适用于自来水行业的计量要求，本文采用电磁检测方法，并采用诸如MSP430单片机等微功耗芯片，结合软件技术，设计出一种具有功耗低、量程宽、精度高等特点的电磁涡街水表。 关键词：低功耗，涡街，水表 一 引言 本文所设计的电磁涡街水表基于涡街流量计的原理，并且采用电磁涡街传感器采集流量信号。涡街流量计具有量程宽，无可动部件，运行可靠，维护简单，压力损失小，具有的计量精度等优点；式中，为漩涡分离频率，；为漩涡发生体两侧流体的平均流速，；为漩涡发生体迎流面的最大宽度，；为斯特劳哈尔数，当雷诺数，漩涡发生体和管径尺寸确定后，是一个无量纲常数。则流体的平均流速与漩涡分离频率成正比，通过测得分离频率即可求得流体的平均流速，由即可求得流体的体积流量，与之间呈线性关系。 电磁法检测技术是利用导体和磁场发生相对运动时，在导体两端产生感应电势的原理，把被测量转换成电量的技术。图2.1给出了电磁涡街流量计的原理图。 磁通是恒定的，两列漩涡交变地不断出现，以不同方向切割磁感线，在电极间产生交变电动势。交变电动势的频率即为漩涡的频率。因此，只要测出电极输出交变电动势的频率，就可以知道流体的体积流量。该检测方式要求流体有一定的导电性。 三 信号处理硬件电路组成 硬件电路中使用的元器件的数量越少，系统的越。因此，尽量使用集成度高的器件。 3.1 处理器模块 单片机作为系统的核心处理器需要根据流量仪表整体性能的要求来选择适当型号的。本测量系统进行的数学运算并不是很多，侧重于降低功耗、提高运行速度，从这一点出发，选用了TI公司生产的MSP430F44X作为本测量系的CPU。 TI先进的CMOS技术使芯片具有很宽的性能范围和很低的工作电流。由于采用全静态CMOS设计，电源操作能耗很低，但非常可靠。MSP430有正常工作模式（AM）和4种低功耗工作模式（LPM1、LPM2、LPM3、LPM4）而且可以方便地在各种工作模式之间切换。它的低功耗性电池供电的。系统在初始化后进入待机模式，当有允许的中断请求时，CPU将在6的时间内被唤醒，进入活动模式，执行中断服务程序。执行完毕，在RETI指令之后，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。(分别为带锁频环的内部DCO振荡器, 外部高频震荡器XT2，外部低频震荡LFXT1，工作频率范围从直流到8MHZ)中选择一种振荡器形式让芯片执行指令，以优化系统的功耗。在本测量系统中，为了提高可靠性和降低系统功耗，选择了带锁频环的内部DCO振荡器和外部LFXT1相结合的方式。通常情况下使系统进入低功耗模式3，仅让外部LFXT1工作以提供实时时钟，当有中断发生时，唤醒带锁频环的高速内部DCO振荡器，让其处理发生的事件，处理完后再进入低功耗模式。 单片机内部除了具备32K位的FlashRom,1K位的数据RAM和大量的I/O口外，它还有定时/计数器模块、同步串行口SPI模块等等。在本测量系统中，利用定时器的比较捕获功能，非常方便的测量涡街信号的频率。MSP430F447内部集成强大的液晶驱动器，可驱动160段之多。这为流速和流量的显示提供了很大的方便，无需再外加液晶驱动电路，既降低了功耗，又方便了设计。 3.2放大整形电路 信号放大整形电路的作用是把电磁传感器送来的涡街电脉冲信号转换成标准方波脉冲信号。由于传感器输出的信号比较微弱，为满足后续处理电路的要求，需要较大的放大倍数，故采用了多级放大电路。对该环节的运算放大器和比较器的选取都要非常讲究，因为要满足低功耗要求，且各个性能指标（带宽、共模抑制比、失调电流电压）均需满足放大电路要求。 放大电路所用的运算放大器选用了TI公司生产的MAX479，它是单电源低电压、超低功耗运算放大器，具有标准管脚配置，非常适合于低功耗应用场合。 整形电路通过比较器来产生规则的方波信号。在整形电路中，比较器选用了MAXIM公司生产的MAX919，它属于超低功耗比较器。 3.3 EEPROM掉电存储模块和通信模块 流量仪表有一些需要长期保存的参数，这些参数有的是设计系统时写入的；有的是由操作者在现场设定的，如多段非线性补偿端点值、上下限报警值；有些参数很重要，要求即使掉电也不能丢失，如累积流量值。能够灵活而又可靠地处理这些参数是现代智能仪表的基本要求，而这些功能通常是由EEPROM存储器来完成的。MSP430F447内部没有数据EEPROM，因此需要外接EEPROM芯片。在本测量系统中，存储芯片选用了ATMEL公司生产的24WC02。它是低电压,串行I2C总线形式的EEPROM。 流量仪表的实时流速、累计流量等参数有时需要远传。基于通信性能和功耗的考虑，本系统中选用了485通信。芯片选