無磁水表設(shè)計

  1 MSP430FW42x單片機介紹

    MSP430FW42x系列單片機是TI公司針對電子式流量與旋轉(zhuǎn)運動檢測*新開發(fā)的專用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)和流量檢測模塊不僅延長了電池的壽命，同時還提高了儀表的精度與性能。MSP430FW42x的典型應用包括熱量儀表、熱水和冷水儀表、氣體儀表和工業(yè)流量計、風力計以及其他旋轉(zhuǎn)檢測應用。

    2 流量測量的原理

    2.1 基本原理

    一個由葉輪或螺旋齒輪構(gòu)成的機械裝置把流體流動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)對流體流量的測量。

    把一個諧振回路中的電感置于葉輪的上方可以檢測到葉輪的轉(zhuǎn)動，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，回路的阻尼系數(shù)高于電感位于區(qū)域b時。通過測量諧振回路的不同阻尼系數(shù)，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動的測量。圖1為測量原理示意圖。

    

    2.2 振蕩測試法

    圖2給出了2個傳感器位于不同區(qū)域時的振蕩波形，MSP430FW42x采用振蕩測試法把不同的衰減幅度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行測量。這種方法把圖2中的傳感器1的減幅系數(shù)表示為L，傳感器2的減幅系數(shù)表示為H。

     

    2．3 信號處理

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

    3 采用MSP430FW427設(shè)計的無磁水表

     

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

     

     

    4 SCAN IF模塊設(shè)計

    SCAN IF模塊能夠在低功耗下自動檢測線性或旋轉(zhuǎn)的運動。SCAN IF模塊如圖5所示，由3部分組成：模擬前端(AFE)、信號處理狀態(tài)機(PSM)和定時狀態(tài)機(TSM)。其中模擬前端激勵傳感器，檢測信號并把信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；這些數(shù)字信號進入信號處理狀態(tài)機，信號處理狀態(tài)機根據(jù)這些信號分析并計數(shù)旋轉(zhuǎn)運動；定時狀態(tài)機控制模擬前端和信號處理狀態(tài)機。

    在軟件開發(fā)過程中有關(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“VCC／2”發(fā)生器；
    ◇時鐘源選擇；
    ◇信號狀態(tài)處理機。

    (2)規(guī)劃時間狀態(tài)機

    SCAN IF的時間狀態(tài)機用來確定測量序列，每一步所需的時問可以精確地調(diào)整。通常的測量序列為：確定空閑狀態(tài)；激勵LC傳感器；延時一定的時間，此時測量可以進行；打開DAC和比較器；測量；停止。

    (3)定義DAC的磁滯門限

    DAC為每個傳感器的阻尼和非阻尼振蕩器提供磁滯門限，通過觀察每個傳感器的振蕩曲線和DAC的電壓，調(diào)整DAC的磁滯門限。

    (4)信號處理狀態(tài)機

    信號處理狀態(tài)機足一個可設(shè)計的狀態(tài)機，它通過存儲在MSP430存儲器中的狀態(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

    本文介紹了采用LC振蕩測試法實現(xiàn)流量測量的工作原理，并根據(jù)此原理成功設(shè)計了基于MSP430FW427的無磁水表。由于SCAN IF模塊的設(shè)置非常靈活，設(shè)計人員**可以根據(jù)自己的實際情況，對其進行合理的設(shè)置。MSP430FW427單片機所具有的其他集成外設(shè)以及超低功耗運行能力也使我們能夠開發(fā)出功能**的儀表。