MSP430F449在新型流量計(jì)中的應(yīng)用

1 引言
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。其勵(lì)磁方式的選擇直接影響傳感器內(nèi)部勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)情況，進(jìn)一步影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)和儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度。本人在總結(jié)現(xiàn)有勵(lì)磁方法及前人的工作的基礎(chǔ)上，提出了三值梯形波勵(lì)磁方式。這種勵(lì)磁方式采用正―零―負(fù)三極性規(guī)律的梯形波作為勵(lì)磁電壓波形。使用梯形波代替矩形波可以減小勵(lì)磁波形上升沿和下降沿造成的磁場(chǎng)突變，有效地降低了對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的微分干擾，有利于儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度的提高。
2 電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于三值梯形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要由勵(lì)磁電路、信號(hào)處理電路和單片機(jī)系統(tǒng)三部分組成。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖
2.1 勵(lì)磁電路
勵(lì)磁電路由梯形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路和勵(lì)磁信號(hào)功率放大電路兩部分組成。梯形波勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生部分采用16位D/A 轉(zhuǎn)換芯片DAC7731 通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC245與MSP430F449單片機(jī)的USART通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)。DAC7731 輸出量程為-5V~+5V，內(nèi)部參考電壓10V，USART為4 線SPI主機(jī)模式。此勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生電路，通過(guò)MSP430單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵(lì)磁頻率，為電磁流量計(jì)選擇不同的勵(lì)磁頻率提供了更大的方便。功率放大電路部分，采用互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大電路。通過(guò)運(yùn)算放大器對(duì)勵(lì)磁信號(hào)電壓放大，兩級(jí)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路對(duì)勵(lì)磁信號(hào)電流放大，放大后的信號(hào)輸入電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈作為勵(lì)磁電壓。此電路可線性放大梯形波斜邊部分，滿足了梯形波勵(lì)磁方式的要求。
2.2 信號(hào)處理電路
電磁流量計(jì)是法拉第電磁感應(yīng)定律的具體應(yīng)用。導(dǎo)電流體在磁場(chǎng)中流動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)微弱的交變信號(hào)，在實(shí)際測(cè)量中基本上可以測(cè)出1m/s流速對(duì)應(yīng)為0.1mv感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且此信號(hào)內(nèi)阻高，為兆歐級(jí)，同時(shí)噪聲信號(hào)多，尤其為50Hz工頻干擾，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。
根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的特點(diǎn)，信號(hào)處理電路是測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它是傳感器和單片機(jī)之間的橋梁，作用是將傳感器的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)(微伏至毫伏級(jí)的梯形波勵(lì)磁信號(hào))經(jīng)過(guò)放大、濾波、相乘等處理，轉(zhuǎn)變?yōu)锳/D采樣可接受的信號(hào)，并且通過(guò)對(duì)這個(gè)采樣信號(hào)的計(jì)算可得到流速信息，其電路單元框圖如圖2所示。

圖2信號(hào)處理電路單元框圖
信號(hào)通道位于乘法電路之前，其作用是將弱信號(hào)放大到足夠大的電平，兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功能。它由前置放大電路、高通濾波電路、放大電路組成。放大后的信號(hào)進(jìn)入接下來(lái)的乘法器，乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835, AD835具有很高的差分輸入阻抗，不需外接阻抗變換電路。