基于大容量内存单片机的涡街流量变送器研制黎翱1，左志涛1!2，徐冉1，王霞1，赵会媛1，陈明1，陈海生1!2
(1.毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心，贵州毕节551712；
2.中国科学院工程热物理研究所，北京100190)
摘要：涡街流量计存在易受管道振动干扰和难以测量小雷诺数流量的难题，需要开发更为复杂的数字信号处理算法予以解决。现有的涡街流量变送器的内存容量不足以实时实现这类算法，若在现有的系统上外扩内存，则无法满足低功耗的要求。为此，采用T公司最新推出的66KB大容量内存的超低功耗单片机MSP430F6459为核心，研制低功耗实时处理的涡街流量变送器系统。研制系统的功耗为2.693mA，反应时间小于300ms，满足低功耗和实时性的要求。测量涡街频率和电流输出电路的最大相对误差分别为0.4022%和0.0025%,HART通信模块可准确的调制和解调FSK信号，实现了大内存、低功耗、实时处理的高精度涡街流量变送器系统。
关键词：低功耗；实时处理；涡街流量计；硬件系统；实验测试
中图分类号:TH814文献标识码：A文章编号#1000-0682(2021)03-0003-07
Large memory microcontroller based design for vortex flow transmitter LI Af1,ZUO Zhitaf1'2,XU Ran1,
WANG Xia1,ZHAO Huiyuan1,CHEN Ming1,CHEN Haisheng1'2
(1.National Energy Large Scale Physical Energy Storage Technology R&D Center of B)ie High-tech Industrial Development Zone,
Guizhou Bgic551712,China；2.Institute g Enginering Thermophysicc,Chiness Accdemy g Sciences, Beijing100190,China#
Abstract:Vortex flowmetero have the problems of being tolerant of pipeline vitration interferenco and difficult to meesuro smali Reynolds numbeo flow.Therefore,it is necessaiy to develop more complee digitai signal processing algoritOms to solve this problem.The memory capacity of the existing vvrtee flow transmitter is not enough to implement such agorithms t real time.It the memore is expanded on the existing system,low poweo consumption cannot be achieved.Using TIC latess66KB lage—capacity memore ultre—low—poweo singte—chip MSP430F6459as the core,a low—poweo oa—tirne processing yoOex flow transmitteo system i s developed.The development system poweo consumption is2.693mA, and the responss time is less than300ms,which meets the requirements of low poweo consumption and h1—tirne performanco.The maxirnum relative evoro of measuyng yooex foquency and current output are0.4022%and0.0025%respectively.The HART communication
moduOe on accurately modulate and demodulate FSK sionfs.A high-precision veoex low transmitteo system with laroe memore,low poweo consumption and ox I-time processing is realized.
Keyword：low-power mode;yf-time processing；vegee fowmeteo;hardware system；expey-mLntaotstsng
收稿日期#2020-12-10
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0903605）；贵州省科技平台及人才团队计划项目（黔科合平台人才［2017-5308）；贵州省科研机构创新能力建设专项资金项目（黔科合服企［2019-4011）作者简介：黎翱（1993），男，云南人，硕士，工程师，研究方向为自动检测技术）0引言
涡街流量计可用于气体、液体和饱和蒸汽等流体［1］的测量。涡街流量计具有量程比大、测量精度高、结构简单、生产成本低等优点。涡街流量计在实际应用过程中，由于管道机械振动［2］等原因，输出信号中会叠加各种噪声，最终直接影响涡街流量计
的测量精度。此外，当管道内流体为小雷诺数流量时，涡街流量计的测量性能也会变差。为了解决这些问题，需要开发和使用更为复杂的信号处理算法⑶，但目前的低功耗涡街流量变送器系统的内存不够，无法将这些复杂的信号处理算法实时实现，若在其系统上直接外扩内存，则无法做到低功耗。因
此，利用大容量内存单片机研制低功耗且能实现实时处理的涡街流量变送器系统是解决这一矛盾的关键所在。
由于国内外关于涡街流量计的抗管道振动算法和测量小雷诺数流量的方法多在实验测试阶段，故少有针对具备大容量内存的低功耗涡街流量变送器系统的研究。
1涡街流量计原理
在管道内放置一个漩涡发生体，当流体流过发生体，在发生体的下游两侧会产生两列规则且稳定的漩涡，并被称之为卡曼涡街，如图1所示。当流体的雷诺数R在一定范围（21104$R$71106）时，卡曼涡街的频率与管道内流体的流速成正比关系，如式（1）所示：
f=（S「V）/md（1）式中:/为卡曼涡街的频率，称涡街频率;S，为斯特劳哈尔数，当雷诺数R e满足2X104$R$7X106时,S”为常数;V为管道内流体流速;m为发生体两侧弓形面积与管道横截面积之比;d为发生体的迎流面的宽度[4'6]o
漩涡发生体卡尹街\
v管道
流动方向0^0^0=^0^
图1涡街流量计的测量原理图
2系统硬件
系统硬件部分以具备66KB大内存、超低功耗的单片机MSP430F6459为核心。系统硬件框图如图2所示。主要包括电源管理电路模块、电流环路及HART通信电路模块、按键输入模块、LCD（液晶）显示模块、FRAM（铁电）模块、保护电路模块、外部时钟模块、信号调理电路模块、脉冲输出模块以及JTAG接口模块。其中，单片机电路和电流环路及hart电路是系统硬件的主要设计难点。
图2系统硬件框图
2.1单片机电路
单片机电路的原理图如图3所示。首先, MSP430F6459单片机采用3V供电⑺，为保证MSP430F6459单片机的供电电压保持稳定，其电源输入引脚经过退耦电容接地。单片机运算过程中电流发生变化时，因为退耦电容降低了电源系统的阻抗，可使电源电压的波动减小。此外，电源端放置旁路电容，以滤除电源中的其他模块可能引入的高频干扰。MSP430F6459的2个晶体振荡器接口分别外接32768Hz的低频晶振和18MHz 的外部高频晶振。单片机的SPI通信接口分配给电流输出模块芯片，SCI通信接口分配给HART通信模块芯片。由于单片机的UART通信接口有限，选择通用I/O口作为液晶
显示模块的接口，并通过软件将通用I/O口模拟为SPI通信接口与液晶显示模块之间完成数据传输。同样的，将通用I/O口与采用SPI通信的FRAM芯片连接，用软件的方式模拟SPI通信向FRAM芯片读写数据。系统掉电时，重要的数据写入FRAM中，重新上电后，直接从FRAM中读出数据继续运行。通信过程中传输的是高频数字信号，而且信号的上升沿和下降沿是不能发生跳动和畸变的，所以，在通信引脚外接电阻进行阻抗匹配，避免通信信号产生振铃现象。涡街流量信号经过信号调理电路之后，由单片机片的片上ADC的进行采样。最后，将单片机的TAG口引出，便于通过仿真器向单片机烧录程序。
2.2电流环路及HART通信电路
在工业应用中，流量测量点一般在生产现场，而控制设备一般在数百甚至千米外的控制室内，导线用得越少成本越低。因此，采用两线制4-20mA 的电流环路来传输流体流量等信息，同时作为整个系统的供电环路。HART通信是一种通过模拟线路
在现场设备和控制系统间收发数字信息的通信方式，工作方式是在电流环路上发送端把数字信号调制成FSK信号，接收端把FSK信号解调成数字信号。FSK信号是一系列峰峰值为1mA、频率为1200Hz和2200Hz正弦波，其中频率为1200Hz的正弦波表示数字“1”，频率为2200Hz的正弦波表示“0”。
dgnd—I--------------I脉冲| I输出| I接口JTAG接口
3
S
Q
s
a
DV3_
[DGND
—H dgnd
32768Hz
m
u
芦0s
5
5
E
S
S
A
V
s
e
H
x
H
n
o
e
H
x
H
V
H
A
J
L
V
3
A
g
A
a
E
S
S
A
d
o
c
u
J
O
I
UCB2SIMO
UGB2SOMI
电流输出与
HART通信接口
1
PFO
WDI
DV3
A7
A V C C l
AVSS1
XIN
XOUT
P2.0
P2.1
DVCC1
MSP430F6459
UCB2CLK
UCA2RXD
UCA2TXD
P9.1
DVCC2
DVSS2
I CD
SDO
SDIN
SCLK
RXD
TXD
SYNC
D
G
N
modulate
D
iFAULT
D
G
N
D
DGND
a
t
M
O
o
A
T
S
S
A
O
•
寸
m
i
d
寸
二d
_
b
i
d
Z
I
d
寸
.sd
P4.7
P4.6
F-CS 屮
—
n
u
晶
口
液
接
键
口
按
接
FRAM接口图3单片机电路图
采用HART调制解调器芯片AD5700与环路供电芯片AD5421设计电流输出与HART通信电路。AD5700采用SCI通信方式，其调制出的正弦波电压信号从hart—OUT通过电容耦合到AD5421的CIN，然后,AD5421将其转换为FSK信号输出到电流环路。电流环上的FSK信号则直接由AD5700的ADC-N接入并将其解调成数字信号，其电路原理图如4所示。AD5421内部集成了一个16位DAC，通过三线式SPI串行接口进行控制，单片机把流体瞬时流量转变为电流值并传输到AD5421芯片，由AD5421转换为4~20mA标准电流输出。AD5421集成的片内稳压器从REGOUT引脚输出1.8~12V 的调节电压，输出的具体电压值是通过REG—SE­LA,REG—SELB和REG—SELC的电平状态进行选择的。在AD5421与电流环路之间连接一个耗尽型场效应管，作用是以通过其分压减小AD5421的压降进而减小功耗。AD5
421芯片的RANGEA和RANGEB的电平状态决定电流环路的电流范围，REXTA和REXTB引脚之间连接24k!精密电阻以改善其电流设置的性能。当AD5700检测到电流环路上有效载波,AD5700的CD引脚拉高,RTS引脚也拉高，使能解调器而禁止调制器，把FSK信号解调成数字信号;RTS引脚拉低，禁止解调器而使能调制器，把数字信号调制成FSK信号并通过AD5421发送到电流环路上。
3系统软件
系统软件部分采用模块化的方法进行设计，主要由主监控程序、保护模块、中断模块、初始化模块、铁电模块、计算模块、电流输出模块、HART通信模块、人机接口模块组成，其中，初始化模块对单片机和液晶进行初始化，为系统全速运行做准备；人机接口模块对键盘输入信号进行响应，同时，将重要信息发送到液晶进行就地显示
。
H9.0V
AD5700
瑯
(开始)
初始化 斗
ADC 采样
I 计算电流值并離一|
刷新液晶
I 计算涡街频率
ART 通信请求
Y
150 kfi
11150pF
8P E
养舉$
REELEN  §
XTAL2 工
XTAL1PF
18FILTERSEL DGND AGND
x
la
d n c j
g o y c
----1.2 MO
ADC_IP  HART-IN
REF  REG_CAP  RESET  IOVCC
.2 Mil  GND
HART 通信
电标志置位?
Y
|重要数据写入罰厂|
GND
―H3.3V
图4电流输出与HART 通信电路图
3.1主监控程序
当系统上电，主监控程序自动运行，首先调用初 始化模块程序，完成系统的基本配置。然后，开始对
涡街流量信号进行ADC 采样，并调用计算模块程
序，计算出涡街流量信号的涡街频率，进一步结合仪 表系数［8］，将涡街频率计算为流体的瞬时流量。最
后，调用电流输出模块程序，将流体流量转变为电流 信号输出到电流环路，并刷新液晶显示，若出现
HART 通信请求，则调用HART 通信模块程序，完成 HART 通信配置和通信应答。当发生系统掉电时,
保护模块程序发挥作用，将重要数据写入在FRAM ,
重新上电后又从FRAM 中读出数据运行；当系统产
生复位信号时，系统复位；当接收到锁设备命令时, 关闭设备接收中断，单片机不再接收命令和数据。
主监控程序的工作过程如此反复的循环。主监控程 序的流程图如图5所示。
3.2计算模块
首先，对信号采样到的信号序列使用快速傅里
叶变换(FFT )的蝶形算法得到频谱。然后，将频谱 进行去偏置，再计算出功率谱并平均。按照能量占
优原则，初步估计出涡街流量信号的频率，最后利用 重心校正法对流量信号的频谱峰值进行校正，得出
最终的涡街频率并计算出管道内流体的瞬时流 量⑼。计算模块程序流程图如图6所示。
位标志置位?
Y
系统复位
设备标志置召
Y
屏蔽接受中断
图5主监控程序流程图
图6计算模块程序流程图
3.3电流输出模块
电流输出模将瞬时流量转换为4 ~20 mA 电流
输出。电流输出模块的程序流程图如图7所示。首 先，将流体的瞬时流量值转换为十进制的电流值
I q ，转换方法如式(2)所示：
I q  = ( Q-Q l  ) y "
Q  (2)式中：Q 为管道内流体的瞬时流量值;Q l 为设定的 仪表可测量流量的下限值;"Q
为瞬时流量值转换
为电流值时的分辨率，因为电流输出芯片AD5421集成的是16位的DAC，所以，Q的计算公式如式(3)所示：
Q=16.0/(Q u-Q l)(3)式中：Q u为设定的仪表可测量流量的上限值。计算出十进制的电流值后，需要对其进行调整：当电流值小于0mA时，取十进制的电流值为4mA；当电流值大于20mA，取十进制的电流值为20mA。
最后，将十进制的电流值转换16位二进制码写入AD5421芯片。为了使电流环路能无衰减的实际输出4~
20mA电流，在进行电流输出电路设计时，将AD5421环路电流范围设定为3.8~21mA，因此，将十进制电流值转换16位二进制电流值I时的转换方法如式(4)所示：
I B=(I Q -3.8)x65535Z17.2(4)
图7电流输出程序流程图
4系统测试
4.1功耗测试
由于系统硬件电路配置了两线制3.8-21mA 电流环输出，所以，整个系统全速运行时自身消耗的电流要小于3.8mA才能满足实际使用要求，也是变送器系统研制成功的前提。让单片机全速运行，同时配置AD5421芯片工作在输出环路最小电流模式，此时，电流环路上的电流仅包括AD5421及其它硬件电路的工作电流。最后，在电流环路上串入高精度电流表，电流表的读数就是系统自身消耗的电流。系统功耗测试结果如图8所示。系统自身消耗的电流为2.6930mA，远小于3.8mA，满足两线制4~20mA标准电流输出的工作要求，同时，也实现了系统低功耗。
4.2涡街频率测量测试
涡街频率计算流体瞬时流量的公式如式(5)所示：
F o=3600x F/K(5)式中:F为管道内流体的瞬时流量(m3/h)；F为涡街变送器计算出的涡街频率(Hz)；K为仪表系数，由流量计生产厂商或计量部门的标定得出。由此可见，只要变送器测量出的涡街频率是准确的，就可以判定涡街流量变送器的性能是良好的。
由于测试条件的限制，故采用测量涡街频率的方法来判断研发的涡街流量变送器的测量性能。将研制的涡街流量变送器匹配DN50(口径为50mm)的涡街流量计一次仪表并安装在管道上，用鼓风机向管道内提供气流流量。然后，把送入单片机ADC 的信号通过示波器以相同的采样频率进行采集，同时，记录涡街流量变送器的LCD显示的涡街频率。通过调整鼓风机输出档位改变管道内气体流量的大小。每采集一个流量点的数据时，保持所有测试设备位置不变动，保证采集数据时管道内的流量大小不发生变化。最后，利用Matlab软件对示波器采集到的数据采用变送器内部相同的处理方法计算涡街频率,Matlab的计算结果如图9所示。
图8功耗测试结果示意图
颍率/Hz
频率
/Hz

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