無(wú)磁水表設(shè)計(jì)

  1 MSP430FW42x單片機(jī)介紹

    MSP430FW42x系列單片機(jī)是TI公司針對(duì)電子式流量與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)*新開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用MCU芯片，它將超低功耗MCU、旋轉(zhuǎn)掃描接口(SCAN IF)和液晶顯示LCD驅(qū)動(dòng)模塊完美地結(jié)合在一起。該器件的超低功耗結(jié)構(gòu)和流量檢測(cè)模塊不僅延長(zhǎng)了電池的壽命，同時(shí)還提高了儀表的精度與性能。MSP430FW42x的典型應(yīng)用包括熱量?jī)x表、熱水和冷水儀表、氣體儀表和工業(yè)流量計(jì)、風(fēng)力計(jì)以及其他旋轉(zhuǎn)檢測(cè)應(yīng)用。

    2 流量測(cè)量的原理

    2.1 基本原理

    一個(gè)由葉輪或螺旋齒輪構(gòu)成的機(jī)械裝置把流體流動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流體流量的測(cè)量。

    把一個(gè)諧振回路中的電感置于葉輪的上方可以檢測(cè)到葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪的一半敷有銅或其他有阻尼性的金屬。由電感在葉輪上方的位置決定諧振回路的阻尼系數(shù)，電感位于區(qū)域a時(shí)，回路的阻尼系數(shù)高于電感位于區(qū)域b時(shí)。通過(guò)測(cè)量諧振回路的不同阻尼系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量。圖1為測(cè)量原理示意圖。

    

    2.2 振蕩測(cè)試法

    圖2給出了2個(gè)傳感器位于不同區(qū)域時(shí)的振蕩波形，MSP430FW42x采用振蕩測(cè)試法把不同的衰減幅度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。這種方法把圖2中的傳感器1的減幅系數(shù)表示為L(zhǎng)，傳感器2的減幅系數(shù)表示為H。

     

    2．3 信號(hào)處理

    隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器l和傳感器2的信號(hào)隨之不斷改變。圖3給出了兩個(gè)傳感器的狀態(tài)變化，如果知道前一個(gè)狀態(tài)和新的狀態(tài)，則同時(shí)可以得出旋轉(zhuǎn)的方向。增計(jì)數(shù)：由狀態(tài)d變化到狀態(tài)a；減計(jì)數(shù)：由狀態(tài)b變化到狀態(tài)a。

    3 采用MSP430FW427設(shè)計(jì)的無(wú)磁水表

     

    采用MSP430FW427設(shè)計(jì)水表具有非常簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，流量測(cè)量部分由MSP430FW427內(nèi)置SCAN IF模塊完成。圖4為采用MSP430FW427設(shè)計(jì)的無(wú)磁水表系統(tǒng)原理框圖。

     

     

    4 SCAN IF模塊設(shè)計(jì)

    SCAN IF模塊能夠在低功耗下自動(dòng)檢測(cè)線(xiàn)性或旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。SCAN IF模塊如圖5所示，由3部分組成：模擬前端(AFE)、信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)(PSM)和定時(shí)狀態(tài)機(jī)(TSM)。其中模擬前端激勵(lì)傳感器，檢測(cè)信號(hào)并把信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)，信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)根據(jù)這些信號(hào)分析并計(jì)數(shù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；定時(shí)狀態(tài)機(jī)控制模擬前端和信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)。

    在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中有關(guān)SCAN IF模塊的設(shè)置如下：

    (1)SCAN IF的基本設(shè)置

    ◇設(shè)置SCAN IF的控制寄存器SIFCTLl、SIFCTL2、SIFCTL3、SIFCTL4和SIFCTL5；
    ◇定義P6．x／SIFCH．x引腳為SCANIF模塊功能；
    ◇打開(kāi)“VCC／2”發(fā)生器；
    ◇時(shí)鐘源選擇；
    ◇信號(hào)狀態(tài)處理機(jī)。

    (2)規(guī)劃時(shí)間狀態(tài)機(jī)

    SCAN IF的時(shí)間狀態(tài)機(jī)用來(lái)確定測(cè)量序列，每一步所需的時(shí)問(wèn)可以精確地調(diào)整。通常的測(cè)量序列為：確定空閑狀態(tài)；激勵(lì)LC傳感器；延時(shí)一定的時(shí)間，此時(shí)測(cè)量可以進(jìn)行；打開(kāi)DAC和比較器；測(cè)量；停止。

    (3)定義DAC的磁滯門(mén)限

    DAC為每個(gè)傳感器的阻尼和非阻尼振蕩器提供磁滯門(mén)限，通過(guò)觀(guān)察每個(gè)傳感器的振蕩曲線(xiàn)和DAC的電壓，調(diào)整DAC的磁滯門(mén)限。

    (4)信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)

    信號(hào)處理狀態(tài)機(jī)足一個(gè)可設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)，它通過(guò)存儲(chǔ)在MSP430存儲(chǔ)器中的狀態(tài)表得出轉(zhuǎn)速和方向，向量SIFTPSMV初始指向PSM的狀態(tài)表。

    5 SCAN IF模塊初始化程序示例

    

    6 結(jié)語(yǔ)

    本文介紹了采用LC振蕩測(cè)試法實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的工作原理，并根據(jù)此原理成功設(shè)計(jì)了基于MSP430FW427的無(wú)磁水表。由于SCAN IF模塊的設(shè)置非常靈活，設(shè)計(jì)人員**可以根據(jù)自己的實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行合理的設(shè)置。MSP430FW427單片機(jī)所具有的其他集成外設(shè)以及超低功耗運(yùn)行能力也使我們能夠開(kāi)發(fā)出功能**的儀表。