低功耗智能涡街流量变送器的设计与研制

摘要

作为测量精度较高、压力损失较小的新型流量仪表，涡街流量计已广泛应用于液体、气体和蒸汽的流量测量。近年来对涡街流量计的研究显示，信号频率越高，强度越大，噪声越小，而低频段的信号，噪声干扰较为严重，所以对信号低频段的分析是重要的。而在实际应用中仪表将长期工作在无外界电源的环境下，所以对功耗要求比较高。本论文从这两方面着手，设计了一款低功耗智能涡街流量计。 软件算法采用变采样点数的FFT算法，由于单片机计算FFT耗时较多，故对于不同频率的信号作不同点数的FFT运算，以达到精度和实时性的较好结合。所以针对涡街流量信号的特点，在测定的频率范围内采用变换采样点数的FFT运算，并由实时测定和计算出的频率区域确定下次的采样点数。通过数据验证和误差分析，证明了变换采样点数的FFT运算可行，加强了流量计的抑制噪声能力，同时最大限度满足了实时性的要求，从而增加了流量计的性价比。 功耗是仪表设计的重要参数，论文采用TI公司生产的超低功耗的16位单片机MSP430F149作为主控制器，单片机对各传感器(涡街传感器、温度传感器、压力传感器)的信号进行采集、分析、计算，并进行补偿。硬件中各部分均采用低功耗设计，各模块的芯片均选用功耗最低的。并且采用EEPROM和日历时钟芯片，将日历时钟和流体的流量结合在一起，便于流量数据的查询。流量计运算结果存入EEPROM，并通过串口输出，也可选择通过液晶显示。

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致谢

第一章绪论

1.1涡街流量计简介

1.2涡街流量计目前国内外研究状况

1.3本课题的研究内容

1.3.1低功耗技术

1.3.2数字信号处理技术

1.3.3外围模块

第二章系统概述

2.1涡街流量计的原理

2.2涡街流量计结构

2.2.1涡街传感器

2.2.2模拟信号的放大

2.2.3数字信号处理电路

2.2.4屏蔽和接地抗干扰技术

2.2.5仪表常数K的确定

第三章智能涡街流量计硬件开发

3.1信号调理电路

3.1.1前置放大电路

3.1.2低通滤波

3.1.3工频陷波器

3.2基于MSP430F149混合信号微处理器的MCU模块

3.2.1 MSP430F149单片机介绍

3.2.2单片机电路

3.3电源部分

3.4人机接口按键输入模块

3.5人机接口之点阵式液晶显示模块

3.6实时时钟模块

3.7外接存储器模块

3.8 RS232/485通信模块

第四章算法介绍及系统软件设计

4.1键盘的软件消抖

4.2 PCF8563的I2C的模拟程序

4.3 93C46的SPI模拟程序

4.4液晶显示程序

4.4.1应用层软件编程

4.4.2 LCM硬件层编程

4.4.3显示主代码

4.5 RS232/RS485通信

4.6 FIR低通滤波器

4.6.1 FIR滤波器的原理

4.6.2 FIR滤波器的设计

4.6.3定点程序实现

4.7变点数的FFT运算

4.7.1直接计算DFT的问题和改进的途径

4.7.2按时间抽选(DIT)的基-2 FFT算法

4.7.3 FFT的软件实现

第五章总结与展望

参考文献

硕士阶段撰写的论文