低功耗数字流量计的研制

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近年来，流量测量技术有了突飞猛进的发展，各种不同测量原理，各种不同功能和结构设计的新星流量测量仪表在不断开发出。在新型流量测量仪表不断出现的同时，-些应用历史已经很长的传统流量测量仪表依然得到广泛得应用，继续在现代测量控制系统中发挥重要得作用。作为传统类型的流量计，如涡轮流量计、容积式流量计等，由于其价格低廉、技术成熟、测量准确度高，在市场上仍然占有很大的份额。为了提高这些传统流量计的测量准确度、扩展测量范围，本研究课题采用单片机技术 ，结合涡轮流量计的特性 ，设计了能修正仪表常数的低功耗的二次仪表。

2 仪表的工作原理涡轮流量计是-种速度式流量计 ，它主要由涡轮、导流器、壳体和磁电传感器等组成。当流体通过流量计时，推动涡轮使其以-定的转速旋转，而装在壳体外的传感器输出脉冲信号的频率与涡轮的转速成正比。因此，设计二次仪表以测定传感器的输出频率即可确定流体的流量。如图 1涡轮流量计的工作原理图。

水流-， 、 涡轮传感器图 1 涡轮流量计的工作原理图3 硬件组成以MSP430F413单片机为核心，加上信号采集调理电路，液晶显示，外部存储器，按键电路等构成了仪表的基本框架，如图2系统的基本组成。

3.1 信号采集调理电路如图3信号采样电路和信号调理电路，涡轮传感器产生的脉冲信号非常小，而且管道中流体流动可能会不稳定，从而使信号比较杂乱，因此需要放大和整形。图中涡轮传感器产生的脉冲信号通过运算放大器(ⅡⅣ2242)进行放大后，然后送到施密特触发器(74HC14)进行整形滤波后，再输出，从而得到便于单片机检测的干净的脉冲波形。

⑩-图2 系统的基本组成图 3 信号采样 电路和信号调理 电路3.2 数据存储电路由于 MSP430F413的FLAILS存储器写操作只有 1000次左右，及要保持仪表常数、用户累积流量等数据，为此采用 了美 国 Ramtron公 司的数 据存储 器 FM24CLO4，FM24CI.i)4的存储容量为4KB，100亿次的读写次数外部，在 85c下掉电数据保持 1O年，写数据无延时，先进的高可靠的铁电制造工艺，从而保证了数据的存储可靠。同时FM24CL04接口为串行总线方式，这样节省了与单片机的接口，简化了系统结构。

3.3 液晶显示电路MSP430F413内置 96字段的LCD驱动器可以直接驱动通常应用在测量设备上的字段型 LCD，因此其接口非常简单。如图4液晶接口电路。

《计量与潮试技术》2D13牟苇40卷第4期MSP430 LCDS1 1t ～～ S17 l7C0M4 18 ～ ～～ COM1 21图 4 液晶接 口电路4 软件部分4.1 流量采集软件设计当有流量时，触发 MSP430的中断，系统开始计算流量。流量点和仪表系数的对应关系如表 1流量点和仪表系数的对应关系。在受到外界环境的影响时，可以调整仪表常数。根据它们之间的差值关系，则可以计算出各个区间段所采用的仪表系数。

表 1 流量点和仪表系数的对应关系se田ow00.5 semowl0.7 settlow21.2 setlow3：1.5 setlow42.5m3/h)Inetercof19 mete-，ofl metetc.of2 metemofl3 metercof4仪表系数 36245 铝 1482 533738 538216 551652仪表系数I 时变量 metemof5516524.2 FLASH软件设计在用 MSP430单片机的的 I/0口来模拟 IC总线的通信时序时，单片机的时钟频率必须满足 SDA和 SCL信号线的上升沿和下降沿的时间要求。因此，在时序模拟时最重要的是确保典型信号的时序要求，如启动信号、数据传送字节、应答信号和停止信号等。对 FM24CL04芯片的操作程序框图，如图5所示。

开始初始化读写FM24CD04ILPM3图5 外部存储器读写程序4.3 按键软件设计，按键电路采用两个按键(S1和 s2)，其要实现的功能是切换显示界面和修改仪表参数及清零功能，如：(1)按键 S1短按，显示模式为：流量-累计 1(累积流量)-累计 2(累积流量 2)-流量，循环切换。

(2)按键 S2按下，按键 S1短按，显示模式为：(测量 r/h)-(测量 GPM 2)-(校准A)-(校准B)，循环切换。

(3)按键 S1按下，同时长按按键 s2，时间超过 4s时，累计清零。

4.4 低功耗设计(1)按键采用中断方式MSP430系列单片机的各个拈都可以独立运行，如定时器、输入/输出端 口、A/D转换、看门狗、液晶显示器等都可以在 CPU休眠的状态下独立工作。若需要主CPU工作，任何-个拈都可以通过中断唤醒 CPU，从而使系统以最低功耗运行。让 CPU工作于突发状态可以充分利用 CPU的低功耗性能。通常，使用软件将 CPU设定到某-低功耗模式，在需要时使用中断将 CPU从休眠状态中唤耗醒，完成工作后又可以进入相应的休眠状态。

对于传统的控制器中断方式和循环方式在能耗上没有多大区别。然而现代低功耗的控制器则不然，它们可以在很低的功耗状态下响应外部的中断，甚至在CPU停止工作的情况下响应中断。因此安排系统处于低功耗的中断等待状态可以大大降低能耗。例如 T I的 M SP430和Renesas的 SL P微控制器，利用中断方式实现等待的能耗要比使用循环方式实现等待的能小 300至2000倍。

此课题的按键中断设计是：当有按键按下时，系统响应中断，并调用相应的子程序进行处理。

(2)4s无按键按下时，系统自动进入低功耗模式MSP430的工作模式通过拈的智能化运行管理和CPU的状态组合以先进的方式支持超低功耗的各种要求。CPU内状态寄存器 SR中的 SCGl、SCG2、OscOf、CPUOf与功耗有关∩由软件组合成 6种工作模式：活动模式-AM、低功耗模式 0LPMO、低功耗模式 l-LPM1、低功耗模式 2- 2、低功耗模式 3- LPM3、低功耗模式 4- LPM4。其中低功耗模式 3- LPM3在 3V的供电电压下，耗电为2uA。

(3)没有流量时进入低功耗模式为了充分利用 CPU的低功耗功能，可以让 CPU工作于突发状态。本次设计把 CPU设定到低功耗模式 3-LPM3，当有流量过来时唤醒 CPU，没有流量时 自动进入低功耗模式3- LPM3，从而降低功耗。

5 系统测试5.1 检定装置利用中国计量学院的水流量标准装置进行检定，如图6标准检定装置，该水流量测量标定实验台为-闭式循环管路系统，由水流量标准装置和流量计检测系统组成。该实验装置可对常用的孔板流量计、文丘里流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计、三角堰流量计裱华新等：低功耗数-f流量计的研裁进行标定和校验 ，并配有数显仪表的流量计检测系统可进行各种类型的流量计进行流量测定实验。

主要技术参数如下：工作压力：(O.3～O.4)Mpa；流量范围：(O.OO4-35)m3/h；实验管径：(DN15-DN50)mm；气源压力：(0.4～0.6)Mpa；装置精确度：(O.14～0.19)%；准确度等级：容积法0.2级；标准表法 ：(0.2～0.5)级 C。

图6 标准检定装置5.2 检定步骤5.2.1 实验方法表 2 流量计的标准瞬时值、标准累计、脉冲数和功耗的数据记录与处理根据速度式流量计检定规程(JJG198-94)对所研制的低功耗二次仪表进行检定。采用图 6标准检定装置对所研制的流量计进行检定，图6中的标准表为 0.2级的电磁流量计，检 定点包括 q in0.15q ，0.25q ，0.4g。 ，0.7口 和 g- ，每个检定点检定 3次，流量计的电量通过安培表读出，表2中的视值误差、重复性的计算根据速度式流量计检定规程(JJG198-94)28条 流量计的相对视值误差和3O条 流量计的重复性。

5.2.2 数据记录及处理(见表 2)5.2.3 检定结果从表 2得出如下检定结果(1)流量范围：(1.16-11.55)m3/h。

(4)供电时间：所选用的电池功率为2Ah×3V，由表5- 5可知，在 3V的供电电压的前提下，系统的最大电流为 70uA，故有：供电时间为：(2Ah×3v)/(70uA×24h×365d×3V) 3.26Y从上 述检定结果 根据速 度式 流量计检 定规 程(JJG198-94)11条表 1，可以判断，所研制的低功耗数字流量计满足-级表的要求。在-个电池的供电情况下，至少可用3.26年。

6 结论这种仪表在设计的过程中没有加上温度、压力补偿电路，因此当测量环境变化时，仪表的精度也会发生变化。为解决此问题，在仪表中内置了仪表常数的修正曲线，通过与标准表的比较，进而通过按键修改仪表常数，从而达到高精度的要求。