摘要:论述用超低功耗单片机实现低功耗智能流量计量调节仪的实现方法,重点介绍了该仪表的硬件模块电路设计。仪表以超低功耗单片机MSP430F147为主处理器,集压力测量、流量计量控制、无线传输于一体,在电池供电时具有极低功耗。该系统已在青海油田使用,运行状态表明参数设置方便,工作稳定可靠,测量控制精度高。
1 系统组成及总体设计
系统设计目的是实现流量的计量、压力的测量、阀门的自动控制、数据的无线和有线传输。考虑到流量计量不能间断,系统采用220V交流和电池两种方式供电,电池供电时,对系统功耗严格进行控制。整个系统构成框图如图1所示。
单片机MSP430FE425主要完成压力的测量和电池电压的检测,并通过串口将压力数据和电池电压传送给MSP430F147单片机。MSP430F147主要完成电机的控制、流量的计量、压力数据的处理、压力的校准、压力流量的显示、参数的设置和数据传输。
2 系统硬件电路设计
2.1 流量计量单元电路
流量计量单元电路主要由超低功耗运算放大器TLV27L2构成,如图2所示。SIGNAL-IN为涡轮传感器输出的脉动信号。
当流体沿管道轴线方向流动并冲击涡轮叶片时,便推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时,叶片周期地切割电磁铁产生的磁力线线改变线圈的磁通量,从而在线圈内感应出脉动的电动势信号,此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。随着涡轮转速的变化,输出的脉动信号强度从几毫伏到几百毫伏变化。通过测量脉动信号的频率大小便能计算出对应的流量大小。对应计算公式为:瞬时流量累计流量Q1=其中,F为脉动信号的频率,K为仪表常数,n为脉冲数。
考虑到在涡轮转速较慢时,脉动信号幅度较小,干扰信号较大,单元电路采用内部集成2路超低功耗运算放大器TLV27L2完成信号的调理。前一级运算放大器主要将小信号放大后一级运放将放大信号进行迟滞比较,输出方波信号。为了增强抗干扰能力,在比较输出后再加一级与非门,使输出的方波信号更加完整,便于单片机测量。
2.2 压力测量单元电路
压力测量单元主要由MSP430FE425单片机和内部集成4路超低功耗运算放大器TLV2254构成,如图3所示。
VB_DRV为单片机给测量电路供电信号。当需要测量压力时,MSP430FE425将VB_DRV置为高电平,74HC573便输出驱动电流可高达80mA的3.3V电压给测量电路提供电源;测量完成后,MSP430FE425将VB_DRV置为低电平,切断测量电路的电源,从而保证测量电路处于零功耗状态。稳压源LM385-1.2产生的高稳定度1.2V电压信号经由TLV2254的一路运算放大器跟随后,给单片机内部16位AD提供参考电压。TLV2254的另一路运算放大器配合几只电阻构成恒流源,其恒定电流为:
恒流源产生的电流流过压力传感器的电阻桥臂,便产生与压力成正比的电压信号。压力传感器选用麦克公司的高稳定隔离压阻式OEM压力敏感元件MPM281。压力传感器输出的电压信号经由TLV2254的另两路运算放大器构成的差分放大器放大倍,最后进入MSP430FE425的一路16位AD通道转换为数字信号。经过实际测试,最后系统选用以下参数:RB1=10kΩ、RA1=43kΩ、RC1=560Ω,RFA=10kΩ,RG=3.6kΩ。因此,产生的恒定电流I≈400μA,差分放大器放大倍数G≈6.56倍。
2.3 通信单元电路
系统具备无线通信和485有线通信功能,无线通信功能采用达泰公司生产的无线数传模块DTA465A完成, 485通信由美信公司的MAX485实现。DTA465A支持3.3~5.5V供电,发送电流小于40mA,接收电流小于35mA,休眠电流小于20μA,传输距离大于200m。经实际调试,供电电压在2.8V时,DTA465A仍能正常工作,但休眠功能必须在3.0V供电才有效,因此系统在电池供电时,电压低电门限设置为3.0V。
2.4 LCD显示单元
系统选用北京青云公司的低功耗14位8段液晶LCM141C显示测量结果。LCM141C分两行显示,上行显示6位数据,下行显示8数据。考虑到系统显示数据较多,实际在工作状态下,液晶上行分时显示压力和瞬时流量,液晶下行显示累计流量;在菜单设置下,液晶上行显示菜单提示符,液晶下行显示当前参数设置值。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化设计思想,主要由压力测量模块、流量计量模块、流量控制模块、数据通信模块和液晶显示模块构成。整个系统软件流程图如图4所示。
3.1 压力测量
在没有测量任务时,MSP430FE425休眠在低功耗模式3下,收到测量压力命令后,首先从低功耗模式3回到活动模式,然后开启测量电路的供电电压和AD模块SD16,待转换完成后,立即关闭测量电路的供电电压和SD16,接着通过串口向MS0430F147发送采集到的数据,待发送完成后继续休眠,等待下一次测量任务到来。在设定的压力测量时间到达时,MSP430F147单片机通过串口向MSP430FE425发送测量压力命令;MS0430F147接收到采样数据后进行计算处理和显示。
3.2 流量计量
考虑到实际中涡轮传感器输出的脉动信号的频率一般在10~2000Hz内,变化范围较大,因此采用等精度法测量信号的频率,测频范围为0.5~3000Hz,测频精度1‰。限于篇幅,此处不再给出软件流程图。
3.3 流量控制
结合PID技术,采用PD思想控制流量。本算法的思想是利用两次控制的差值预测出下一次控制所需要的时间。设DesFlow为控制的目标流量,Flow为当前流量,Erro0为当前瞬时流量与目标流量的差值,Erro1为上一次控制时瞬时流量与目标流量的差值,T0为当前控制所需时间,T1为上次控制的时间,利用线性关系可得出当前控制所需时间T1。流量控制软件流程图如图5所示。
3.4 数据通信
系统使用两套数据传输协议,很好的解决了在电池供电时无线模块功耗过大的问题。在220V供电时,无线模块工作于活动模式,采用标准MODBUS协议传输数据;电池供电时,无线模块工作于省电模式,发送数据时间到达时唤醒无线模块发送数据,发送完成后无线模块继续休眠。为了解决数据拥塞问题,仪表在设定的数据发送时间内随机产生发送时间,发送时间到达时侦听网络,待网络空闲发送数据。协议间切换方面,在由电池供电转为220V交流供电时,仪表主动发送一次数据,告知转发器目前为交流供电,下一次使用MODBUS协议传输数据。在由220V交流供电转为电池供电时,仪表主动发送一次数据,告知转发器目前为电池供电,下一次使用主动传输协议传输数据。
4 系统性能测试
经测试,系统在电池供电时工作电流仅为400μA。表1为在20MPa压力校验台上得到的压力实测数据。
表2为在西安阎良试飞院内燃机部满量程为6m3/h的标定台上测得的数据,仪表设置的控制误差为1%。
由以上两表数据可看出,此系统压力测量精度均达到1‰,流量测量均达到5‰,流量控制精度达到1%。该系统已经在青海油田使用,目前运行稳定,效果良好。