摘要:論述用超低功耗單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低功耗智能流量計(jì)量調(diào)節(jié)儀的實(shí)現(xiàn)方法,重點(diǎn)介紹了該儀表的硬件模塊電路設(shè)計(jì)。儀表以超低功耗單片機(jī)MSP430F147為主處理器,集壓力測(cè)量、流量計(jì)量控制、無(wú)線傳輸于一體,在電池供電時(shí)具有極低功耗。該系統(tǒng)已在青海油田使用,運(yùn)行狀態(tài)表明參數(shù)設(shè)置方便,工作穩(wěn)定可靠,測(cè)量控制精度高。
1 系統(tǒng)組成及總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量、壓力的測(cè)量、閥門(mén)的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)的無(wú)線和有線傳輸。考慮到流量計(jì)量不能間斷,系統(tǒng)采用220V交流和電池兩種方式供電,電池供電時(shí),對(duì)系統(tǒng)功耗嚴(yán)格進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。
單片機(jī)MSP430FE425主要完成壓力的測(cè)量和電池電壓的檢測(cè),并通過(guò)串口將壓力數(shù)據(jù)和電池電壓傳送給MSP430F147單片機(jī)。MSP430F147主要完成電機(jī)的控制、流量的計(jì)量、壓力數(shù)據(jù)的處理、壓力的校準(zhǔn)、壓力流量的顯示、參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 流量計(jì)量單元電路
流量計(jì)量單元電路主要由超低功耗運(yùn)算放大器TLV27L2構(gòu)成,如圖2所示。SIGNAL-IN為渦輪傳感器輸出的脈動(dòng)信號(hào)。
當(dāng)流體沿管道軸線方向流動(dòng)并沖擊渦輪葉片時(shí),便推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí),葉片周期地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線線改變線圈的磁通量,從而在線圈內(nèi)感應(yīng)出脈動(dòng)的電動(dòng)勢(shì)信號(hào),此脈動(dòng)信號(hào)的頻率與被測(cè)流體的流量成正比。隨著渦輪轉(zhuǎn)速的變化,輸出的脈動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度從幾毫伏到幾百毫伏變化。通過(guò)測(cè)量脈動(dòng)信號(hào)的頻率大小便能計(jì)算出對(duì)應(yīng)的流量大小。對(duì)應(yīng)計(jì)算公式為:瞬時(shí)流量累計(jì)流量Q1=其中,F為脈動(dòng)信號(hào)的頻率,K為儀表常數(shù),n為脈沖數(shù)。
考慮到在渦輪轉(zhuǎn)速較慢時(shí),脈動(dòng)信號(hào)幅度較小,干擾信號(hào)較大,單元電路采用內(nèi)部集成2路超低功耗運(yùn)算放大器TLV27L2完成信號(hào)的調(diào)理。前一級(jí)運(yùn)算放大器主要將小信號(hào)放大后一級(jí)運(yùn)放將放大信號(hào)進(jìn)行遲滯比較,輸出方波信號(hào)。為了增強(qiáng)抗干擾能力,在比較輸出后再加一級(jí)與非門(mén),使輸出的方波信號(hào)更加完整,便于單片機(jī)測(cè)量。
2.2 壓力測(cè)量單元電路
壓力測(cè)量單元主要由MSP430FE425單片機(jī)和內(nèi)部集成4路超低功耗運(yùn)算放大器TLV2254構(gòu)成,如圖3所示。
VB_DRV為單片機(jī)給測(cè)量電路供電信號(hào)。當(dāng)需要測(cè)量壓力時(shí),MSP430FE425將VB_DRV置為高電平,74HC573便輸出驅(qū)動(dòng)電流可高達(dá)80mA的3.3V電壓給測(cè)量電路提供電源;測(cè)量完成后,MSP430FE425將VB_DRV置為低電平,切斷測(cè)量電路的電源,從而保證測(cè)量電路處于零功耗狀態(tài)。穩(wěn)壓源LM385-1.2產(chǎn)生的高穩(wěn)定度1.2V電壓信號(hào)經(jīng)由TLV2254的一路運(yùn)算放大器跟隨后,給單片機(jī)內(nèi)部16位AD提供參考電壓。TLV2254的另一路運(yùn)算放大器配合幾只電阻構(gòu)成恒流源,其恒定電流為:
恒流源產(chǎn)生的電流流過(guò)壓力傳感器的電阻橋臂,便產(chǎn)生與壓力成正比的電壓信號(hào)。壓力傳感器選用麥克公司的高穩(wěn)定隔離壓阻式OEM壓力敏感元件MPM281。壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)由TLV2254的另兩路運(yùn)算放大器構(gòu)成的差分放大器放大倍,最后進(jìn)入MSP430FE425的一路16位AD通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,最后系統(tǒng)選用以下參數(shù):RB1=10kΩ、RA1=43kΩ、RC1=560Ω,RFA=10kΩ,RG=3.6kΩ。因此,產(chǎn)生的恒定電流I≈400μA,差分放大器放大倍數(shù)G≈6.56倍。
2.3 通信單元電路
系統(tǒng)具備無(wú)線通信和485有線通信功能,無(wú)線通信功能采用達(dá)泰公司生產(chǎn)的無(wú)線數(shù)傳模塊DTA465A完成, 485通信由美信公司的MAX485實(shí)現(xiàn)。DTA465A支持3.3~5.5V供電,發(fā)送電流小于40mA,接收電流小于35mA,休眠電流小于20μA,傳輸距離大于200m。經(jīng)實(shí)際調(diào)試,供電電壓在2.8V時(shí),DTA465A仍能正常工作,但休眠功能必須在3.0V供電才有效,因此系統(tǒng)在電池供電時(shí),電壓低電門(mén)限設(shè)置為3.0V。
2.4 LCD顯示單元
系統(tǒng)選用北京青云公司的低功耗14位8段液晶LCM141C顯示測(cè)量結(jié)果。LCM141C分兩行顯示,上行顯示6位數(shù)據(jù),下行顯示8數(shù)據(jù)。考慮到系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)較多,實(shí)際在工作狀態(tài)下,液晶上行分時(shí)顯示壓力和瞬時(shí)流量,液晶下行顯示累計(jì)流量;在菜單設(shè)置下,液晶上行顯示菜單提示符,液晶下行顯示當(dāng)前參數(shù)設(shè)置值。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想,主要由壓力測(cè)量模塊、流量計(jì)量模塊、流量控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
3.1 壓力測(cè)量
在沒(méi)有測(cè)量任務(wù)時(shí),MSP430FE425休眠在低功耗模式3下,收到測(cè)量壓力命令后,首先從低功耗模式3回到活動(dòng)模式,然后開(kāi)啟測(cè)量電路的供電電壓和AD模塊SD16,待轉(zhuǎn)換完成后,立即關(guān)閉測(cè)量電路的供電電壓和SD16,接著通過(guò)串口向MS0430F147發(fā)送采集到的數(shù)據(jù),待發(fā)送完成后繼續(xù)休眠,等待下一次測(cè)量任務(wù)到來(lái)。在設(shè)定的壓力測(cè)量時(shí)間到達(dá)時(shí),MSP430F147單片機(jī)通過(guò)串口向MSP430FE425發(fā)送測(cè)量壓力命令;MS0430F147接收到采樣數(shù)據(jù)后進(jìn)行計(jì)算處理和顯示。
3.2 流量計(jì)量
考慮到實(shí)際中渦輪傳感器輸出的脈動(dòng)信號(hào)的頻率一般在10~2000Hz內(nèi),變化范圍較大,因此采用等精度法測(cè)量信號(hào)的頻率,測(cè)頻范圍為0.5~3000Hz,測(cè)頻精度1‰。限于篇幅,此處不再給出軟件流程圖。
3.3 流量控制
結(jié)合PID技術(shù),采用PD思想控制流量。本算法的思想是利用兩次控制的差值預(yù)測(cè)出下一次控制所需要的時(shí)間。設(shè)DesFlow為控制的目標(biāo)流量,Flow為當(dāng)前流量,Erro0為當(dāng)前瞬時(shí)流量與目標(biāo)流量的差值,Erro1為上一次控制時(shí)瞬時(shí)流量與目標(biāo)流量的差值,T0為當(dāng)前控制所需時(shí)間,T1為上次控制的時(shí)間,利用線性關(guān)系可得出當(dāng)前控制所需時(shí)間T1。流量控制軟件流程圖如圖5所示。
3.4 數(shù)據(jù)通信
系統(tǒng)使用兩套數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,很好的解決了在電池供電時(shí)無(wú)線模塊功耗過(guò)大的問(wèn)題。在220V供電時(shí),無(wú)線模塊工作于活動(dòng)模式,采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議傳輸數(shù)據(jù);電池供電時(shí),無(wú)線模塊工作于省電模式,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間到達(dá)時(shí)喚醒無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送完成后無(wú)線模塊繼續(xù)休眠。為了解決數(shù)據(jù)擁塞問(wèn)題,儀表在設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生發(fā)送時(shí)間,發(fā)送時(shí)間到達(dá)時(shí)偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò),待網(wǎng)絡(luò)空閑發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)議間切換方面,在由電池供電轉(zhuǎn)為220V交流供電時(shí),儀表主動(dòng)發(fā)送一次數(shù)據(jù),告知轉(zhuǎn)發(fā)器目前為交流供電,下一次使用MODBUS協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。在由220V交流供電轉(zhuǎn)為電池供電時(shí),儀表主動(dòng)發(fā)送一次數(shù)據(jù),告知轉(zhuǎn)發(fā)器目前為電池供電,下一次使用主動(dòng)傳輸協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。
4 系統(tǒng)性能測(cè)試
經(jīng)測(cè)試,系統(tǒng)在電池供電時(shí)工作電流僅為400μA。表1為在20MPa壓力校驗(yàn)臺(tái)上得到的壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
表2為在西安閻良試飛院內(nèi)燃機(jī)部滿量程為6m3/h的標(biāo)定臺(tái)上測(cè)得的數(shù)據(jù),儀表設(shè)置的控制誤差為1%。
由以上兩表數(shù)據(jù)可看出,此系統(tǒng)壓力測(cè)量精度均達(dá)到1‰,流量測(cè)量均達(dá)到5‰,流量控制精度達(dá)到1%。該系統(tǒng)已經(jīng)在青海油田使用,目前運(yùn)行穩(wěn)定,效果良好。