隨著微型計算機技術和嵌入式系統" title="嵌入式系統">嵌入式系統的迅速發展，以微型計算機(單片機和嵌入式系統)取代傳統儀表的常規邏輯電子線路,開發新一代的具有某種智能的靈巧儀表, 已成為儀表開發領域的新趨勢。MCU(微控制器或單片機)及嵌入式系統等的問世和性能的不斷改善，大大加快了儀器儀表微機化和智能化的進程。MCU本身具有體積小、功耗低、價格便宜等優點，用它們開發各類智能產品更具有周期短成本低等優點，因此在計算機和儀表一體化設計中有著更大的優勢和潛力^[1]。
　　流量計是在線測量管道內流體流量的先進儀表，在石油、化工、造紙、冶金等行業中有著普遍的應用，并不斷向智能化的方向發展。本文介紹的就是用MSP430F449單片機開發的新型智能流量計。其基本原理是：依靠部件旋轉，用光電編碼器" title="光電編碼器">光電編碼器或磁敏" title="磁敏">磁敏傳感器產生電脈沖信號，并送至由單片機構成的流量計算裝置進行處理。本流量計采用了數據校正、數字濾波、多輸出形式、自診斷、掉電保護等智能儀表新技術以及雙電源供電系統與雙傳感器技術，使其能更適應各種復雜的工作環境。
1 總體設計
1.1 流量計總體功能簡介
　　智能流量計組成框圖如圖1所示。該流量計共有三種輸入量，分別為模擬輸入量(4～20mA)、熱電阻(Pt1000)模擬輸入量以及用于流量計算的脈沖量。而流量計的輸出量有兩種，分別為脈沖量和模擬量(4～20mA)。通信接口采用RS485串行通信總線，流量計的輸出和數據通信僅在有外接電源時工作，無外接電源時不工作，并采用光電隔離。

　　該流量計采用LCD和LED兩種方式進行數據顯示。其中LCD為字段型顯示，9位8段，字體高約20～30mm，有無外接電源均可正常工作。LED也為字段型顯示，8位8段，字體高約15mm，僅在有外接電源時工作。這里為流量計設計的鍵盤與LCD一起形成菜單方式的人機交互界面，可以手動輸入流量計測量所需的各項參數。
　　為了精確計量，在流量計設計時還專門外接了DS1302實時時鐘芯片，以提供精確的時鐘來彌補MSP430系列單片機沒有實時時鐘模塊的缺陷。該實時時鐘芯片采用三線串行輸入/輸出的方式與單片機相聯，操作簡便，其連接電路圖如圖2所示。流量計在使用時需存儲部分參數，為此使用了帶I²C總線的EEPROM。另外本流量計還采用了雙電源，即采用外接電源(12V)和鋰電池(3.7V)供電。

1.2 總體特點
　　(1)自診斷及掉電保護
　　為滿足野外工程需要和應付突發的異常情況，本流量計采用了雙電源，即外接電源和鋰電池共用。通過在系統中設計一個外部中斷，使流量計自動進入不同的工作狀態。針對不同的供電狀況，設計了兩種流量傳感裝置(光電編碼器和磁敏傳感器)。并且由于采用的是超低功耗的MSP430系列單片機并對系統進行了最小功耗設計，所以即使備用鋰電池也可以長時間地進行準確的流量測量，保證了數據的不丟失。
　　(2)自動修正測量誤差
　　在流量計中加入熱電阻進行溫度測量，同時依靠軟件進行溫度誤差修正。并可以通過手動輸入各種不同流體的參數，提高了流量計的自適應能力以及和其它上游設備協同工作的能力。
　　(3)多點快速檢測
　　能對多個參數進行快速、實時檢測，并在軟件中加入了針對不同參數的數字濾波，以抑制各種干擾對流量計的影響。
　　(4)多輸出形式及數據通信
　　可以輸出模擬量和脈沖量，并能夠與其它儀表和計算機通信，組成大規模的計算機測量系統。
　　(5)開發與維護簡便
　　MSP430系列單片機有多種開發軟件可以選擇，可方便地完成軟件的設計、調試及測試。
2 硬件設計
2.1 MCU
　　經過仔細的比較，MCU最終采用了TI公司的MSP430F449。MSP430F449是TI公司最近推出的具有極高性價比的16位MCU，具有功耗低、存儲容量大、集成度高、在線支持性強等特點。MSP430F449屬于一種中低端的單片機，運用非常靈活，具有2K字節的RAM，60K字節的FLASH ，48個I/O口，三個16位定時器，一個看門狗定時器，兩個串行通訊口，一個集成LCD驅動模塊，一個模/數轉換模塊(ADC12)，一個16位的硬件乘法器 。MSP430F449除了正常的工作模式外，還具有五種低功耗模式。
2.2 溫度與模擬量的檢測
　　流體物性(密度、粘度)對儀表特性有較大影響。由于密度和粘度與溫度關系密切，而現場溫度的波動是難免的，因此，要根據現場溫度采取補償措施才能保持高的計量精度。為了精確地測量溫度，采用Pt1000熱電阻，其精度可以達到0.1℃。通過MSP430F449本身帶有的ADC12模塊，將采集到的溫度進行A/D轉換。ADC12轉換內核帶有一個轉換結果寄存器；采樣速度快，最高可達到200ksps；具有12位轉換精度，一位非線性微分誤差，一位非線性積分誤差；內置采樣與保持電路；有多種時鐘源可以提供給ADC12模塊，而且模塊內置時鐘發生器；內置溫度傳感器^[2]。它使用兩個可編程的參考電壓(VEref＋和VEref-)來定義轉換的最大值和最小值。輸入模擬電壓的最終轉換結果是：
　　Nadc=4095×■
　　MSP430F449的ADC參考電壓共有六種情況可以選擇，對應實際的情況，使用了外部輸入的參考電壓。因為在熱電阻的實際使用中，通過Pt1000熱電阻將被測流體的溫度轉換為0～2V的模擬電壓，對應的溫度為0～100℃，故外部的參考電壓(VEref₊-VEref_-)＝2V。
　　ADC12模塊有四種轉換模式：單通道單次轉換、單通道多次轉換、序列通道單次轉換、序列通道多次轉換。因為對溫度和其它被轉換的模擬量要進行實時處理，故應采用序列通道多次轉換模式，可以依次轉換所選的轉換通道并重復進行。每次轉換結束，轉換結果被存放在ADC12MEM中，中斷標志ADC12IFG置位，產生中斷服務請求并對數據進行處理。采用序列通道多次轉換模式，可以節約軟件開發量和時間。
　　為提高溫度測量的準確性和可靠性，在A/D轉換后采用數字濾波來消除信號中混入的無用成分，以減小隨機誤差。因為溫度變化較為緩慢，故采用中位值濾波，連續采樣N(N由測量周期和采樣頻率決定，本儀表中定為奇數)次后排序取中位值，得到的值通過查表可最終確定溫度^[3]。最終精度達到了0.1℃，滿足了設計的要求，在實際使用中取得了很好的效果。
2.3 電源選擇電路的設計
　　本套流量計采用雙電源工作，為此設計了圖3所示的電源診斷電路。當流量計用外接電源供電時，輸出端Pow為高電平，電源指示燈亮。而用鋰電池供電時，輸出端Pow為低電平，電源指示燈滅。輸出端Pow與單片機具有中斷能力的一個I/O口相連，以中斷的形式使流量計自動進入不同的工作狀態。

2.4 流量變送器件的設計
　　本流量計采用雙傳感器來測量流量。用外接電源供電時采用光電編碼器，而用鋰電池供電時采用磁敏傳感器。
2.4.1 光電編碼器
　　本流量計采用增量式光電編碼器，它是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。增量式光電編碼器有A、B、Z三相脈沖信號輸出，當正轉時，A相脈沖超前B相脈沖90度(或1/4周期)；當反轉時，B相脈沖超前A相脈沖90度。通過一片GAL16V8將兩路脈沖分檢出來。但是光發射管和接收管對于鋰電池供電的系統而言，功耗顯得太大。
2.4.2 磁敏傳感器
　　為在低功耗下使用流量傳感裝置，采用了ZP系列零功耗磁敏傳感器。它是一種工作時無需外加電源的新型傳感器，為雙磁極交替觸發工作方式。如圖4所示，輸出信號幅值與磁場的變化速度無關，可實現“零速”傳感，使用壽命在20億次以上，可以通過增加小磁體的數量來提高精度。

　　ZP系列傳感器輸出信號電流很小，通過圖5所示電路進行后級處理。輸出脈沖信號通過74HC132進行整形后，被送入單片機進行計數。

2.4.3 脈沖信號處理
　　光電編碼器和磁敏傳感器的信號輸出端以及單片機的信號選擇端(有外接電源時，選光電編碼器，輸出高電平；無外接電源時，采用鋰電池供電，選磁敏傳感器，輸出低電平)均接到同一片74HC132上，進行信號整形及選擇，然后信號輸入到單片機進行計數。在MSP430系列單片機中定時器資源較為豐富。實際使用中采用具有定時/捕獲功能的16位定時器TIMER_A3對脈沖計數。在MSP430F449中，定時器的輸入時鐘源有四種可以選擇，這里采用外部引腳信號作為定時器的輸入時鐘源。定時器的工作模式同樣有四種可以選擇，這里采用連續計數模式。定時器為16位，最大可計65535個脈沖。
2.4.4 數據顯示
　　LED顯示采用MAX7219加8位共陰極LED。MAX7219為8位LED顯示驅動器，采用三線串行輸入/輸出的方式與單片機相聯。電路設計和調試非常方便^[4]。
　　在MSP430F449中存在一個LCD驅動模塊，驅動方式有靜態、2MUX、3MUX、4MUX四種。LCD顯示緩存器為20字節，在4MUX方式下，所有的顯示緩存器位都用于段驅動，這時可以達到160段顯示。這里只需將LCD的引腳與單片機的LCD輸出引腳直接相連，簡化了電路的設計。
3 軟件設計
　　流量計對于溫度變化很敏感，因此在智能流量計的軟件設計中，應該對流量系數進行溫度補償。同一臺流量計的流量系數并不是一個常數，與流體的溫度有緊密的關系。
　　流體的瞬時流量可以表示為：
　　q=f/K
　　而K作為流量系數，可以通過下式獲得：
　　K=P_Q×T
　　T=1+(T₁-T₀)×P_T
　　其中：
　　q——瞬時流量(m³/s)　　　　　　f——每秒的脈沖數(脈沖數/s)
　　K——流量系數(脈沖數/m³)　　　　T——溫度補償值
　　T1——當前溫度(℃)　　　　　　　T0——溫度截距(℃)
　　PT——溫度系數(1/℃)　　　　　　PQ——初始流量系數(脈沖數/m³)
　　上述參數中(T₀，P_T，P_Q)可由按鍵輸入。
　　本流量計主程序流程圖如圖6所示。在進入測量周期后(本文中定為5s)，首先自我診斷是否有外接電源，并進行相應的處理。然后計算周期內溫度、讀取流量的脈沖數、計算流量，并進行數據顯示和通信。