基于MSP430的低功耗涡街流量计

　　1　概述

　　涡街流量计,又称卡门旋涡流量计,具有结构简单、性能可靠、使用寿命长、量程范围宽等优点,因此有着广泛的应用。涡街流量计的种类很多,但其基本原理都是一样,是利用流体自然振动原理制成的一种旋涡分离流量计。当流体以足够大的流速流过垂直于流体流向的物体时,若该物体的几何尺寸适当,则在物体的后面沿两条平行直线产生整齐排列、转向相反的旋涡列。旋涡列的个数,即涡街频率与流体的流速成正比,因此通过测量其旋涡频率,就可知道流体的流速,测出流体流量。详细推导过程,本文不再论述,可参阅相关文献资料。

　　涡街频率是通过装在柱体内部的压电晶体传感器测量的,经过电荷放大器放大后变换为脉冲信号。由于涡街流量计是通过检测介质产生的旋涡而产生的脉冲信号,易受干扰,因此在采集信号的时候采取了防干扰措施。

　　2　系统构成

　　系统的原理框图如图1所示。

　　在测量小量程气体流量时,采集到的涡街信号比较微弱,同时受外界因素影响,信号可能携带噪声,所以电路配置了有源滤波电路和放大电路,然后进行A/D转换,送入MSP430单片机;另外涡街信号还受环境温度或压力影响,所以在电路中设置了温度或压力标准信号输入,作涡街信号的温度或压力补偿。整个电路体系呈现非常明显的微低功耗特色。

　　2.1　MSP430单片机

　　MSP430具有超低电流消耗特点可在电压降至2.5V情况下工作,它的其他功能可参阅相关资料。在低功耗方面,MSP430具有5种工作模式,而且各种低功耗工作模式与活动模式之间可快速由指令进行切换。图2所示的是各种模式之间的关系。3V下满负载工作时的活动模式为1.2mW;而最低功耗的模式4,能耗仅为0.3μW,因此系统在运行时,根据涡街信号的变化率,选择不同的工作模式,以降低系统的功耗,延长电池的使用寿命。

　　2.2　运算放大器

　　考虑到系统的低功耗特性和输出的驱动能力,德州仪器公司的TLC2254运算放大器非常适合电路的要求。TLC2254的主要特点是微功耗RAIL-RAIL输出。它采用先进的LinCMOSTM工艺制造的4路运算放大器,具有满电源电压幅度(rail-to-rail)输出性能,同时比现有的CMOS运放具有更好的输入失调电压和更低的功耗。这种低功率CMOS运算放大器,抑制噪声的能力有了极大的提高,仅需35μA(典型值)的电源电流;其共模输入电压范围比通常标准的CMOS工艺放大器更宽,先进的LinCMOSTM工艺使用硅栅(silicon-gate)技术获得输入失调电压的温度和时间稳定性,这种稳定性远远超过了用金属栅(metal-gate)技术所能获得的稳定性,使输入阻抗有可能符合或超过顶栅(top-gate)JFET和昂贵的介质绝缘器件的输入阻抗。