基于MSP430F449低功耗單片機(jī)的智能金屬浮子流量變送器

上海自儀公司介紹的智能金屬浮子流量變送器是以MSP430F449單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量、累積流量的測(cè)量和顯示，輸出構(gòu)成兩線制的4~20mA變送器，用于信號(hào)的遠(yuǎn)傳。

1 測(cè)量原理

金屬浮子流量計(jì)的流量檢測(cè)元件是由一根自下向上擴(kuò)大的垂直錐形管和一個(gè)沿著錐管軸上下移動(dòng)的浮子組所組成。被測(cè)流體從下向上經(jīng)過錐管和浮子形成的環(huán)隙時(shí)，浮子上下端產(chǎn)生差壓形成浮子上升的力，當(dāng)浮子所受上升力大于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便上升，環(huán)隙面積隨之增大，環(huán)隙處流體流速立即下降，浮子上下端差壓降低，作用于浮子的上升力亦隨著減少，直到上升力等于浸在流體中浮子重量時(shí)，浮子便穩(wěn)定在某一高度。環(huán)隙面積與浮子的上升高度成比例，即浮子的某一高度代表流量的大小。浮子上下移動(dòng)時(shí)，以磁耦合的形式將位置傳遞到外部指示器，使指示器的指針跟隨浮子移動(dòng)，并借助凸輪板使指針線性地指示流量值的大小。電傳型流量計(jì)是現(xiàn)場(chǎng)用指針指示，同時(shí)通過角位移傳感器及變送電路，把流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的信號(hào)。變送電路以MSP430F449為核心，實(shí)現(xiàn)非線性修正功能把流量值準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

2 MSP430F449芯片

MSP430F449是美國(guó)TI公司16位低功耗單片機(jī)，在2.2V電壓，1MHz時(shí)鐘的系統(tǒng)下，活動(dòng)模式功耗為280μA，等待模式功耗僅為1.6μA。具有64KB的尋址范圍，片內(nèi)資源豐富，有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)8路的具有內(nèi)部參考電平、采樣保持和自動(dòng)掃描特性的12位的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、看門狗電路、48條I/O口線（一部分復(fù)用）、兩路串行通信端口（USART）、一個(gè)內(nèi)部振蕩器（DCO）和兩個(gè)外部時(shí)鐘（支持非常高8M時(shí)鐘）。片內(nèi)帶有LCD驅(qū)動(dòng)功能，可直接驅(qū)動(dòng)LCD顯示，驅(qū)動(dòng)段數(shù)可達(dá)160段，液顯有4種工作方式（靜態(tài)、2MUX、3MUX、4MUX）。由于為FLASH型芯片，可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載程序，利用JTAG口直接和目標(biāo)板相連，不需要另外的仿真工具，方便實(shí)用。并且可以保存在掉電時(shí)仍需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，減少了E2PROM帶來(lái)的額外電流消耗。

3 硬件電路

3.1 通信接口

通過金屬浮子流量計(jì)的流量與磁阻傳感器輸出電壓之間不是線性關(guān)系，需要通過PC機(jī)輸入一組標(biāo)定值給單片機(jī)。因?yàn)榻饘俑∽恿髁坑?jì)通常以水為介質(zhì)標(biāo)定，如實(shí)際流體密度、粘度與之不同，流量值也隨之發(fā)生變化，因此需要進(jìn)行流量修正。采用單片機(jī)的RS-232通信接口與計(jì)算機(jī)通信，把標(biāo)定值傳送到MSP430F449芯片的FLASH中的信息段內(nèi)，供實(shí)際流量修正。

3.2 信號(hào)檢測(cè)部件

信號(hào)檢測(cè)采用Honeywell公司的高分辨率、低功耗的磁阻傳感器，測(cè)量從磁鐵發(fā)出的磁場(chǎng)的方向角，分辨率可小于0.07。與測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度相比，測(cè)量磁場(chǎng)方向的優(yōu)點(diǎn)包括：對(duì)于磁鐵的溫度系數(shù)不敏感，對(duì)于沖擊和振動(dòng)不敏感，以及可以承受傳感器和磁鐵之間間隙的較大的變化。采用典型的惠斯通電橋，計(jì)算公式為：V = VSSsin（2θ）式中，VS是供電電壓；S是常數(shù)，取決于材質(zhì)，典型值12mV/V，角度范圍是±45゜。當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)，金屬浮子上下移動(dòng)，以磁耦合的形式將浮子位置變化信息傳遞到外部指示器，指示器指針跟隨浮子移動(dòng)，借助凸輪板使指針線性地指示流量值的大小。信號(hào)檢測(cè)時(shí)通過θ角度的變化，引起傳感器輸出電壓的變化。由于輸出電壓的量值只有毫伏級(jí)，因此需外加放大電路，將信號(hào)值變換為MSP430單片機(jī)允許的A/D輸入幅值范圍0~3.6V內(nèi)。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

由于MSP430F449芯片集成了12位A/D轉(zhuǎn)換，其中8路是外部的信號(hào)轉(zhuǎn)換，每一路轉(zhuǎn)換都有一個(gè)可控制的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器，而且參考電平和時(shí)鐘源都是可選擇的，也可外部提供。這給使用上帶來(lái)了很大的靈活性。使用時(shí)只需將信號(hào)檢測(cè)部分的輸出電壓（如圖2信號(hào)SIGNAL）直接與A/D轉(zhuǎn)換的輸入端MSP430的P6.0口相連，由于浮子流量計(jì)是測(cè)量精度要求不高的儀表，在本設(shè)計(jì)中采用AVCC（電源電壓）作為正參考電壓，采用AVSS（電源地）作為負(fù)的參考

電壓。輸出數(shù)字量NADC的計(jì)算公式為：NADC = 4095×（VIN - AVSS）/（AVCC + AVSS）由于MSP430F449是采用加載信號(hào)到電容上充電的采樣，因此，必須要給一定的采樣時(shí)間以能達(dá)到一定的精度，否則會(huì)出現(xiàn)時(shí)間的溢出。另外在采樣的結(jié)束和轉(zhuǎn)換的開始需要一個(gè)控制過程，就是將ADC12CTL0寄存器的ENC位和ADC12SC位同時(shí)置“1”，用于表明采樣結(jié)束和轉(zhuǎn)換開始。

3.4 數(shù)值輸出電路

經(jīng)過單片機(jī)處理后的瞬時(shí)流量值需要輸出給外部D/A器件DAC7512。有兩種方法可以用來(lái)傳送數(shù)值，可以采用數(shù)字I/O口傳送，直接將數(shù)據(jù)移位送出，也可以利用MSP430F449提供的USART端口，MSP430F449具有兩個(gè)USART端口。在軟件中將其中一個(gè)端口設(shè)置為SPI模式。SPI模式允許7位或8位數(shù)據(jù)流以內(nèi)部或外部確定的速率移入移出MSP430，SPI的優(yōu)點(diǎn)是可以靈活地利用單片機(jī)的現(xiàn)有資源，擴(kuò)充單片機(jī)的對(duì)外功能，但是這種方式同時(shí)也占用MCU的定時(shí)器和I/O口資源。由于DAC7512為12bit串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器件，而用SPI模式一次只能發(fā)送8位數(shù)據(jù)，因此采用查詢發(fā)送標(biāo)志位（U1IFG）方法發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)與外部D/A器件DAC7512相連時(shí)，除了連接數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線外，還必須為其提供同步信號(hào)（SYNC），設(shè)計(jì)中使得P4.4端口輸出同步信號(hào)。在發(fā)送數(shù)據(jù)前將此信號(hào)拉高作為發(fā)送起始信號(hào)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將此信號(hào)拉低，要使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送給DAC7512，必須在傳送數(shù)據(jù)期間使得此信號(hào)維持低電平，發(fā)送結(jié)束后再將其置高等待下一次的數(shù)據(jù)發(fā)送。調(diào)試時(shí)通過示波器觀察和調(diào)整SYNC同步信號(hào)。

3.5 液晶顯示電路

芯片內(nèi)的LCD驅(qū)動(dòng)器，可以直接驅(qū)動(dòng)160段LCD顯示。對(duì)于液晶驅(qū)動(dòng)端口，在不用于液晶驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以作為輸入輸出端口來(lái)用。設(shè)計(jì)中選用了七位LCD顯示器，采用4MUX驅(qū)動(dòng)方式，將單片機(jī)上的公共端口（COM0-COM3）及驅(qū)動(dòng)段（S0-S15）直接與LCD上的對(duì)應(yīng)腳相連即可，簡(jiǎn)化了液晶顯示器的顯示。液晶顯示電路如圖4所示。設(shè)計(jì)中只要求顯示累積流量，顯示非常大值為999999.9。

3.6 信號(hào)輸出電路

單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行線性化修正后得到了瞬時(shí)流量的數(shù)字量，為了對(duì)瞬時(shí)流量值實(shí)現(xiàn)4~20mA的遠(yuǎn)傳，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中采用DAC7512實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，DAC7512為12bit串行輸入的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出模擬量的大小為0~5V。然后經(jīng)由集成V/I器件，得到4~20mA的電流信號(hào)，供遠(yuǎn)程儀表顯示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，主要由主程序、定時(shí)中斷采樣程序、通信中斷程序等幾部分組成。主程序是由初始化程序段、顯示程序段、數(shù)據(jù)處理程序段、數(shù)字量輸出程序段組成。

（1）通信中斷程序?qū)崿F(xiàn)將計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)定好的標(biāo)定值寫入FLASH中，寫入的標(biāo)定值為浮點(diǎn)數(shù)格式，浮點(diǎn)數(shù)在C語(yǔ)言中是以IEEE格式存儲(chǔ)的，一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)占用4個(gè)字節(jié)，在上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的VB程序中需將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)格式發(fā)送出去。要將一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)存人FLASH，實(shí)際上就是要存這4個(gè)數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)在存儲(chǔ)時(shí)，是連續(xù)字節(jié)存儲(chǔ)的，只要設(shè)法找到存儲(chǔ)位置，就可以得到這些數(shù)了?？梢远x一個(gè)void的指針，將此指針指向需要存儲(chǔ)的浮點(diǎn)數(shù)，然后將此指針強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為char型。存入FLASH中的數(shù)，要將其取出合并恢復(fù)成浮點(diǎn)數(shù)，方法也是一樣。非常后將這些接收到的浮點(diǎn)數(shù)賦給自定義的數(shù)組變量BD_VALUE[]。在整個(gè)對(duì)FLASH進(jìn)行操作期間，必須要關(guān)掉看門狗定時(shí)器和所有中斷。

（2）A/D轉(zhuǎn)換程序中采用內(nèi)部定時(shí)器（TimerB）設(shè)置1秒定時(shí)中斷將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADC12的內(nèi)部存儲(chǔ)器中。

（3）軟件的核心部分是對(duì)信號(hào)檢測(cè)電路送入單片機(jī)的電壓值進(jìn)行非線性化修正。先由給出的一組體積數(shù)VOL[]得到一組默認(rèn)電壓值MR_VALUE[]，計(jì)算方法為：MR_VALUE[i]=VOL[i]/VOLmax×10。首先判斷信號(hào)檢測(cè)電路送來(lái)的電壓值V處于標(biāo)定電壓值（BD_VALUE[]）的哪一段范圍內(nèi)，然后進(jìn)行分段的線性化處理。

5 結(jié)論

金屬浮子流量計(jì)變送器以TI公司的MSP430F449芯片為核心，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，外圍器件少，功耗特別低。將此變送器應(yīng)用在浮子流量計(jì)中，經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）量程比：10:1；

（2）精確度等級(jí)：普通型2.5級(jí)，高精度型1.5級(jí)；

（3）指示器刻度：流量單位或百分比；

（4）11段非線性高精度修正；

（5）環(huán)境溫度：-25~+55℃；

（6）電遠(yuǎn)傳信號(hào)4~20mA輸出；

（7）累計(jì)流量顯示。

由此可見，上海自儀公司設(shè)計(jì)的金屬浮子流量計(jì)變送器具有良好的實(shí)際生產(chǎn)和使用價(jià)值，并將在以后的工業(yè)生產(chǎn)中加以推廣使用。