MSP430F449在新型流量计中的应用

　　1 引言

　　电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的一种测量导电性液体体积流量的仪表。其励磁方式的选择直接影响传感器内部励磁线圈所产生的磁场情况, 进一步影响传感器输出的感应电动势信号和仪表的测量准确度。本人在总结现有励磁方法及前人的工作的基础上, 提出了三值梯形波励磁方式。这种励磁方式采用正—零—负三极性规律的梯形波作为励磁电压波形。使用梯形波代替矩形波可以减小励磁波形上升沿和下降沿造成的磁场突变, 有效地降低了对感应电动势产生的微分干扰, 有利于仪表零点稳定性和测量准确度的提高。

　　2 电磁流量计硬件系统设计

　　基于三值梯形波励磁的电磁流量计硬件系统主要由励磁电路、信号处理电路和单片机系统三部分组成。其总体结构图如图1 所示。

　　2.1 励磁电路

　　励磁电路由梯形波励磁信号产生电路和励磁信号功率放大电路两部分组成。梯形波励磁信号产生部分采用 16 位 D/A 转换芯片DAC7731 通过电平转换芯片SN74AHC245 与MSP430F449 单片机的 USART 通信模块相连的方式产生励磁信号。DAC7731 输出量程为- 5V~+5V, 内部参考电压10V, US-ART为4 线SPI 主机模式。此励磁信号产生电路, 通过MSP430单片机的定时器进行分频, 可软件编程修改励磁频率, 为电磁流量计选择不同的励磁频率提供了更大的方便。功率放大电路部分, 采用互补对称式功率放大电路。通过运算放大器对励磁信号电压放大, 两级互补对称功率放大电路对励磁信号电流放大, 放大后的信号输入电磁流量计励磁线圈作为励磁电压。此电路可线性放大梯形波斜边部分, 满足了梯形波励磁方式的要求。

　　2.2 信号处理电路

　　电磁流量计是法拉第电磁感应定律的具体应用。导电流体在磁场中流动切割磁力线, 产生感应电动势。此感应电动势是一个微弱的交变信号, 在实际测量中基本上可以测出1m/s 流速对应为0.1mv 感应电动势, 且此信号内阻高, 为兆欧级, 同时噪声信号多, 尤其为50Hz 工频干扰, 幅值远远大于流量的感应电动势信号。

　　根据感应电动势信号的特点, 信号处理电路是测量系统中的关键部分, 它是传感器和单片机之间的桥梁, 作用是将传感器的感应电动势信号(微伏至毫伏级的梯形波励磁信号)经过放大、滤波、相乘等处理, 转变为A/D 采样可接受的信号, 并且通过对这个采样信号的计算可得到流速信息, 其电路单元框图如图2 所示。

　　信号通道位于乘法电路之前, 其作用是将弱信号放大到足够大的电平, 兼有抑制和滤除部分干扰和噪声的功能。它由前置放大电路、高通滤波电路、放大电路组成。放大后的信号进入接下来的乘法器, 乘法器采用四象限高速高精度乘法器芯片AD835, AD835 具有很高的差分输入阻抗, 不需外接阻抗变换电路。放大后的信号与线圈反馈回来的信号通过硬件乘法器相乘,输出乘积信号。由于 MSP430 单片机为单极性电源供电, 因此片内 A/D 电压输入也为单极性输入, 即0~3.3V, 而乘法器AD835输出的信号为双极性信号, 因此必须经过电平提升电路而将信号转换为单极性信号。电平提升电路包括两部分, 第一部分完成的功能是把输入信号加1.6V 后反相输出, 第二部分把反相输出的信号再进行反相。这样就使最初输入的信号提升了1.6V,这样就能进入接下来的A/D 进行采样。