1.微處理器
信號(hào)處理模塊采用MSP430FR5724芯片為主控MCU,該芯片是基于16位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)架構(gòu)的微控制器,正常工作頻率為8MHz。在此基礎(chǔ)上,該MCU還具有22個(gè)I/O口,1個(gè)10位ADC,3個(gè)16位定時(shí)器,SPI/I2C接口,1KBSRAM和8KBFRAM,基本滿足旋進(jìn)旋渦流量計(jì)信號(hào)處理的需求。
2．分段濾波電路
針對(duì)DN50,流量范圍為8~120m3/h的旋進(jìn)旋渦流量計(jì),其流量信號(hào)頻率在800Hz以內(nèi),可以通過低通濾波電路去除高頻噪聲。而瞬態(tài)沖擊振動(dòng)的原始頻率在60Hz以內(nèi),與有效信號(hào)的頻段重疊,針對(duì)該情況,本文采用分級(jí)濾波的方法處理,即在前級(jí)的低通濾波后再增加一級(jí)低通濾波電路,對(duì)低頻段的信號(hào)進(jìn)行特征提取。
為了保證濾波電路的穩(wěn)定性,本文選用無限增益多路反饋型電路,此類型電路屬于二階濾波電路,其低通濾波電路原理圖如圖5所示。其中,電容C1的主要作用為去除輸入信號(hào)中的直流分量;另外,由于運(yùn)算放大器為單電源供電,為了保證輸入的正弦信號(hào)在其工作電壓范圍內(nèi),在運(yùn)算放大器的同向端輸入正向的參考電壓,大小為電源電壓的1/2。
分段濾波的主要目的是根據(jù)信號(hào)的幅值判定其所屬的頻段,選擇對(duì)應(yīng)的頻率輸出,由此可得,針對(duì)幅值的測(cè)量不需要較高的精度,而應(yīng)盡可能保持過渡帶較快的衰減速度。因此,切比雪夫?yàn)V波器為最佳選擇。根據(jù)實(shí)際的幅值和頻率有效范圍,設(shè)定兩級(jí)低通濾波電路的截止頻率分別為fC1=800Hz和fC2=60Hz,兩級(jí)電路的增益Kp均為-2。查表確定電容C3的范圍并選擇合適的電容值;再結(jié)合公式K=100/(fC×C3)計(jì)算對(duì)應(yīng)電阻換標(biāo)系數(shù)K,根據(jù)歸一化電阻值及對(duì)應(yīng)的C2/C3得到實(shí)際電容值和電阻值;最后,以元器件標(biāo)稱值與實(shí)際值的誤差不超過5%為原則,選擇具體應(yīng)用的元器件。
3.有效值檢測(cè)電路
通過有效值檢測(cè)電路將交流轉(zhuǎn)化為直流,可以減少微控制器中的運(yùn)算,降低電路功耗。有效值檢測(cè)芯片選用LTC1966。LTC1966是一款真RMS到DC的轉(zhuǎn)換器,其內(nèi)部的Δ⁃Σ電路使其比傳統(tǒng)對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)RMS到DC轉(zhuǎn)換器實(shí)用性更強(qiáng)、準(zhǔn)確度更高、功耗更低。芯片的有效值轉(zhuǎn)換公式如下所示:
式中:VOUT為輸出電壓;OUTRTN為輸出返回,是輸出電壓對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn);IN1、IN2分別為差分輸入。將前級(jí)濾波放大后的信號(hào)VF1X接入LTC1966,通過電容去除其中的直流信號(hào),另一點(diǎn)接地,保證差分輸入為正弦交流信號(hào)。最終LTC1966輸出有效值,參考點(diǎn)接地,得到輸入交流信號(hào)的有效值,再對(duì)輸出后的信號(hào)經(jīng)LT1782濾波平滑處理,輸入至MSP430的ADC通道中。
4．峰值檢測(cè)電路
峰值檢測(cè)電路在脈沖處理電路中應(yīng)用較多,也廣泛用于通信電路中的自動(dòng)增益控制環(huán)路。峰值檢測(cè)電路的作用是提取峰值信號(hào),使輸出電壓等于峰值電壓。為了達(dá)到這一目標(biāo),即在下一個(gè)峰值到來之前,需要采樣并保持電路的峰值,如圖6所示。圖6中:Vi表示輸入信號(hào);Vo表示輸出信號(hào)。
本文選用的峰值電路為正向峰值檢波器,具體電路如圖7所示。
圖7中,前后級(jí)的運(yùn)算放大器保證消除了二極管壓降的影響,無需使輸入電壓與基準(zhǔn)電壓存在一定的差值。當(dāng)一個(gè)新的峰值到達(dá)時(shí),即短時(shí)間內(nèi)VF2>VF1X時(shí),電路處于跟蹤模式,D5截止,D6導(dǎo)通,Q1單向?qū)?span lang="EN-US">,C27充電,使其跟隨輸入電壓;當(dāng)輸入電壓下降時(shí),即短時(shí)間內(nèi)VF2<VF1X時(shí),D5導(dǎo)通,D6截止,U8A的輸出比VF1X減少了一個(gè)二極管的壓降大小,R29將Q1柵極拉起,R26給D5提供電流通路,使VF2保持峰值電壓。同時(shí),將CLK與MSP430的I/O的PJ.0相連,當(dāng)CLK為高電平時(shí),三極管可以使C27放電,等待下一次峰值的到來。
5．信號(hào)輸出電路
由于最后僅有一路脈沖信號(hào)可以輸出,需要設(shè)計(jì)控制信號(hào)輸出的電路,具體電路如圖8所示。
將A1、A2分別與MSP430的P2.2和P2.6口相連,S1X和S2X分別為施密特電路處理得到的高頻段與低頻段脈沖信號(hào),U3C主要作用為保證輸出信號(hào)的相位與S1X或S2X相同。利用4093與非門,當(dāng)A1與A2為低電平時(shí),S1、S2均為高電平輸出,此時(shí)OUT輸出為高電平,即無信號(hào);若A1為低電平,A2為高電平,S1為高電平,S2與S2X相同,經(jīng)U3D得到反向的脈沖輸出,經(jīng)U3C得到S2X,即低頻段信號(hào)輸出。同理,可得A1為低電平,A2為高電平的輸出情況,即為S1X輸出。不同的輸出情況如表1所示。表1中,“1”表示高電平,“0”表示低電平。因此,可以根據(jù)MSP430內(nèi)部的ADC測(cè)得的有效值大小,選擇合適的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)信號(hào)頻段輸出。
