超低功耗智能涡街流量计的硬件设计

    1　系统的硬件组成

    如图1所示,系统硬件由以下几部分组成:涡街传感器、温度传感器、压力传感器、主机(即主控制器)、液晶显示器、功能设定按钮、存储器扩展、实时时钟和通讯接口。涡街传感器负责流量信号的采集,压力、温度传感器负责流体压力、温度信号的采集,主控制器则接收由以上传感器发出的信号,并进行放大、整形,然后送到单片机进行处理,通过软件将流体的流量计算出来,将各种结果显示在液晶显示器上,以便于读取数据。数据存储器采用E2PROM以保证数据不因断电而丢失,同时通过RS485通讯接口与上位机或其它用户设备进行数据通讯。

    2　系统的硬件设计

    在涡街流量计中,单片机系统是它的核心部分。一方面它要对前置放大器送来的脉冲频率信号进行计数;另一方面它还要对测量数据进行数据处理以得到所需的瞬时流量及总流量,并将结果送到显示单元进行显示。因此本设计所选用的单片机应该具有速度快、功耗低、体积小、价格便宜的特点。根据多方面比较,本设计选用美国TI公司生产的MSP430系列微控制器。

    该微处理器通过16位RISC系统16位CPU集成寄存器和常量发生器来获得最大代码效率。MSP430的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表和手持式仪表等的理想配置。它的硬件乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的范围,提高了数据处理的能力。

    MSP430F149单片机工作在1MHz时钟条件下,最大工作电流仅有350μA;具有5种低功耗工作模式,在不同的工作模式下,工作电流可下降到0. 1μA~70μA。MSP430F149单片机之所以具有这样的特性是因为它特殊的硬件结构。

    MSP430F149是16位总线结构,一个指令周期仅有125ns, 12位的快速A/D转换器带有内部电压参考,采样保持和自动扫描模式,两个16位的定时器均带有7个捕获/比较寄存器, JTAG在线编程标准接口,两个通用同步和异步串口,内部具有60kB+256B的FLASH寄存器, 2k数据存储器,内部数控晶振(DCO)允许单片机在6μs的时间里由低功耗模式变为唤醒模式, 48个I/O端口,每一个都可以独立控制, P1和P2端口还可以选择中断的沿触发模式,一个看门狗定时器防止程序跑飞, 16位的硬件乘法器可以方便快速地实现88, 816, 1616的乘法运算。

    (1)多周期准同步法频率测量

    根据涡街流量传感器的原理,漩涡分离频率与流量之间存在一定的关系,因此要测流量就必须测量频率。

    多周期测频是在测周的基础上,在信号的多个时间周期内测量信号的频率。由于被测信号控制门控信号的开启所以称为同步测量。测频原理如图2所示。