渦街流量計是目前化工生產過程中普遍使用的流量測量儀表，其轉換電路是智能渦街流量計電路設計的關鍵。利用MSP430型單片機作為核心部件，合理選擇外圍器件進行電路設計，實現了低功耗、智能化、模塊化、標準化，并具有功能組態、參數設定、故障診斷、數據修正等功能。解決了以往流量計的功耗大、性能不穩定問題。同時，整機成本同國外同類型產品相比有較大幅度的降低。

    1 電路的功能及單片機的選擇

    由于轉換器是2線制24V（DC）在現測量智能型儀表，設計有CPU、D/A轉換電路、通訊接口電路、顯示電路等環節。根據石油化工生產現場提出的技術要求，必須保證整個儀表在4mA以下能夠正常工作。因此，功耗的大小是電路研制能否成功的關鍵。經過對目前市場上常見的低功耗單片機的篩選，我們選擇了美國德州儀器（TI）公司的MSP430F147，它是16位RISC結構的FLASH型單片機，具有超低功耗的特性。該芯片有48個I/O端口、片內集成l6位計時器、USART通訊模塊、模擬比較器等功能模塊，利用該芯片對渦街傳感器前置放大板過來的信號進行脈沖測量、誤差修正、各種流量、電流代碼及光柱數計算，并把這些信號送LCD顯示及420mA輸出。轉換器的電路功能如圖1所示。

    2 硬件電路實現

    2.1 系統時鐘及電源

    當MSP430的主時鐘MCLK正常工作時，取XT2IN為4M：非正常工作時，取DCO為4M左右，外部供電為24V（DC）。電源監測是本流量計電路設計的之處，通過MSP430內嵌的模擬比較器模塊進行模擬信號電壓的比較，實現對電源故障的監測。外部電源通過MSP430的P2.3管腳引入單片機，它同P2.4的1.25參考電壓端進行比較，比較器輸出端P2.2同P2.1相連，采用MSP430軟件查詢P2.1的電平，實現電源監控。這種利用軟件代替硬件的設計方法，既降低了整機電路的功耗又降低了硬件成本，同時也提高了儀表的穩定性。

    2.2 D/A轉換電路

    MSP430輸出的數字信號送D/A轉換模塊轉換，變成4~20mA輸出。D/A轉換模塊采用美國Analog Device公司的AD421轉換元件，它同MSP430采用SPI模式通訊，采用三線制主工作模式。

    2.3 脈沖輸出電路

    抗干擾能力是考核儀表的一項主要參數。為了減少脈沖輸出信號受外界干擾，脈沖輸出電路采用日本NEC公司的PS2932光耦隔離電路。MSP430對脈沖輸出進行控制。MSP430的P4.3為脈沖輸出選擇位，低為允許系統自檢脈沖輸出，高為允許原始脈沖頻率輸出。P4.2為系統自檢脈沖輸出及原始頻率輸出控制，低為不允許原始頻率輸出，高為允許。通訊時脈沖輸出禁止，默認輸出原始脈沖這種設計是本電路的又一與眾不同之處，使整機穩定性明顯高于同類其他產品。脈沖輸出電路原理如圖2所示。

    2.4 顯示及按鍵電路

    按鍵及顯示器是實現人機對話的媒介。顯示電路采用段式液晶顯示LCD，內置的液晶驅動器PCF8576同主MSP430采用ⅡC模式通訊。ⅡC總線采用單主模式控智LCD顯示，其時鐘和數據傳送的速度小于100kHz。鍵盤采用4按鍵制，分別是LEFT鍵、RIGHT鍵、+鍵及-鍵，LEFT按鍵中斷進入菜單，在菜單中定時查詢鍵值，所有按鍵均為低電平有效。

    3 軟件實現

    全部軟件采用C語言編程，正常工作時為低功耗狀態，采用Timerb捕獲中斷方式進行實時測量，Timerb的定時中斷用于控制流量計算、電流輸出及累積量存貯時間間隔，不斷監控鍵盤中斷，隨時進行菜單操作。程序流程如圖3所示。

    3.1 初始化

    初始化分為兩部分，（1）上電初始化，完成初始化硬件、系統自檢及時鐘設定；（2）功能軟件應用初始化，主要為調用相關功能軟件時對相應寄存器或要應用到的硬件進行初始化。

    3.2 數據采集及處理

    測量中斷由timer-b捕獲/比較器0的捕獲中斷實現，其內部不再嵌套任何中斷。定時中斷由timer-b 16位計數器溢出中斷產生，其內部只嵌套測量中斷和SPI中斷。在中斷競爭時，測量中斷比SPI中斷優先級高，而SPI中斷時間保持在200μs以內時，不影響測量。測量和定時中斷是本設備工作的基礎和關鍵，二者的中斷優先級在中斷向量中除電源監控和看門狗中斷外級別。在定時中斷中，系統實現了傳感器監測、計算、輸出、存儲、鍵盤中斷判斷等功能。

    3.3 ⅡC通訊

    Microchip公司的24LC02B型EEPROM具有掉電保護功能。EEPROM主要用于存貯累積量、管道直徑及流體種類等儀表參數。每次掉電MSP430都從EEPROM中讀入各種儀表參數，每當修改完菜單參數后，存貯到EEPROM中，同時以一定的時間間隔向EEPROM存入累計量數值。MSP430同EEPROM及D/A模塊AD421采用ⅡC模式通訊。因MSP430本身不具有ⅡC總線接口，故需軟硬件模擬實現。模擬ⅡC通訊接口是本軟件設計的主要任務之一。硬件模擬：①P3.7：SCL（SDCLK），小于100kHz；P3.6：SDA（P3.5：EEPROM寫禁止，低有效）②I/O口管腳方向寄存器PnDIR復位，通過設置管腳方向，可以實現ⅡC總線所需的輸出電平。當管腳方向為input時，相當于輸出高電平；當管腳方向為output時，相當于輸出低電平，實現了open-drain輸出功能。軟件模擬：數據傳送的開始和結束、應答位、傳送數據格式及傳送模式按照ⅡC通訊模式進行。軟件模擬數據傳送的開始程序如下：

    void START（void）
    {P3DIR &=~SDA； //SDA=1
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    P3DIR & =~SCL： //SCL=1
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    while（（P3IN & SCL）!= SCL）；//wait for slaver release the clock line
    ⅡC-delay（）；
    P3DIR |= SDA； //SDA=0
    ⅡC-delay（）；
    P3DIR |=SCL： //SCL=0
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    ―NoP（）；
    }/* end START */

    4 結束語

    本設計方案中硬件電路以MSP430作為核心部件，適當擴展外圍電路組成，并巧妙地利用了軟件代替硬件技術，簡化了硬件結構，降低了成本，同時提高了儀表的智能化程度、穩定性和可靠性。通過公司遼化分公司儀表廠試驗并經聚脂一廠、尼龍廠現場考核運行表明，本產品技術指標達到設計要求，接近進口同類產品的水平。智能渦街流量計開發研制的成功，中油集團該儀表產品的空白。由于生產成本遠低于同類型進口產品，因此具有很強的競爭優勢和廣泛的市場前景。

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