摘要:論述用超低功耗單片機實現(xiàn)低功耗智能流量計量調(diào)節(jié)儀的實現(xiàn)方法,重點介紹了該儀表的硬件模塊電路設(shè)計。儀表以超低功耗單片機MSP430F147為主處理器,集壓力測量、流量計量控制、無線傳輸于一體,在電池供電時具有極低功耗。該系統(tǒng)已在青海油田使用,運行狀態(tài)表明參數(shù)設(shè)置方便,工作穩(wěn)定可靠,測量控制精度高。
1 系統(tǒng)組成及總體設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計目的是實現(xiàn)流量的計量、壓力的測量、閥門的自動控制、數(shù)據(jù)的無線和有線傳輸?？紤]到流量計量不能間斷,系統(tǒng)采用220V交流和電池兩種方式供電,電池供電時,對系統(tǒng)功耗嚴格進行控制。整個系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。
單片機MSP430FE425主要完成壓力的測量和電池電壓的檢測,并通過串口將壓力數(shù)據(jù)和電池電壓傳送給MSP430F147單片機。MSP430F147主要完成電機的控制、流量的計量、壓力數(shù)據(jù)的處理、壓力的校準、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
2.1 流量計量單元電路
流量計量單元電路主要由超低功耗運算放大器TLV27L2構(gòu)成,如圖2所示。SIGNAL-IN為渦輪傳感器輸出的脈動信號。
當流體沿管道軸線方向流動并沖擊渦輪葉片時,便推動渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時,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)出脈動的電動勢信號,此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比。隨著渦輪轉(zhuǎn)速的變化,輸出的脈動信號強度從幾毫伏到幾百毫伏變化。通過測量脈動信號的頻率大小便能計算出對應(yīng)的流量大小。對應(yīng)計算公式為:瞬時流量累計流量Q1=其中,F為脈動信號的頻率,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,脈動信號幅度較小,干擾信號較大,單元電路采用內(nèi)部集成2路超低功耗運算放大器TLV27L2完成信號的調(diào)理。前一級運算放大器主要將小信號放大后一級運放將放大信號進行遲滯比較,輸出方波信號。為了增強抗干擾能力,在比較輸出后再加一級與非門,使輸出的方波信號更加完整,便于單片機測量。
2.2 壓力測量單元電路
壓力測量單元主要由MSP430FE425單片機和內(nèi)部集成4路超低功耗運算放大器TLV2254構(gòu)成,如圖3所示。
VB_DRV為單片機給測量電路供電信號。當需要測量壓力時,MSP430FE425將VB_DRV置為高電平,74HC573便輸出驅(qū)動電流可高達80mA的3.3V電壓給測量電路提供電源;測量完成后,MSP430FE425將VB_DRV置為低電平,切斷測量電路的電源,從而保證測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電壓信號經(jīng)由TLV2254的一路運算放大器跟隨后,給單片機內(nèi)部16位AD提供參考電壓。TLV2254的另一路運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。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經(jīng)由TLV2254的另兩路運算放大器構(gòu)成的差分放大器放大倍,最后進入MSP430FE425的一路16位AD通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。經(jīng)過實際測試,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)具備無線通信和485有線通信功能,無線通信功能采用達泰公司生產(chǎn)的無線數(shù)傳模塊DTA465A完成, 485通信由美信公司的MAX485實現(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)實際調(diào)試,供電電壓在2.8V時,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,電壓低電門限設(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)?？紤]到系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)較多,實際在工作狀態(tài)下,液晶上行分時顯示壓力和瞬時流量,液晶下行顯示累計流量;在菜單設(shè)置下,液晶上行顯示菜單提示符,液晶下行顯示當前參數(shù)設(shè)置值。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想,主要由壓力測量模塊、流量計量模塊、流量控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和液晶顯示模塊構(gòu)成。整個系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。
3.1 壓力測量
在沒有測量任務(wù)時,MSP430FE425休眠在低功耗模式3下,收到測量壓力命令后,首先從低功耗模式3回到活動模式,然后開啟測量電路的供電電壓和AD模塊SD16,待轉(zhuǎn)換完成后,立即關(guān)閉測量電路的供電電壓和SD16,接著通過串口向MS0430F147發(fā)送采集到的數(shù)據(jù),待發(fā)送完成后繼續(xù)休眠,等待下一次測量任務(wù)到來。在設(shè)定的壓力測量時間到達時,MSP430F147單片機通過串口向MSP430FE425發(fā)送測量壓力命令;MS0430F147接收到采樣數(shù)據(jù)后進行計算處理和顯示。
3.2 流量計量
考慮到實際中渦輪傳感器輸出的脈動信號的頻率一般在10~2000Hz內(nèi),變化范圍較大,因此采用等精度法測量信號的頻率,測頻范圍為0.5~3000Hz,測頻精度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)測出下一次控制所需要的時間。設(shè)DesFlow為控制的目標流量,Flow為當前流量,Erro0為當前瞬時流量與目標流量的差值,Erro1為上一次控制時瞬時流量與目標流量的差值,T0為當前控制所需時間,T1為上次控制的時間,利用線性關(guān)系可得出當前控制所需時間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無線模塊功耗過大的問題。在220V供電時,無線模塊工作于活動模式,采用標準MODBUS協(xié)議傳輸數(shù)據(jù);電池供電時,無線模塊工作于省電模式,發(fā)送數(shù)據(jù)時間到達時喚醒無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送完成后無線模塊繼續(xù)休眠。為了解決數(shù)據(jù)擁塞問題,儀表在設(shè)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時間內(nèi)隨機產(chǎn)生發(fā)送時間,發(fā)送時間到達時偵聽網(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,儀表主動發(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,儀表主動發(fā)送一次數(shù)據(jù),告知轉(zhuǎn)發(fā)器目前為電池供電,下一次使用主動傳輸協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。
4 系統(tǒng)性能測試
經(jīng)測試,系統(tǒng)在電池供電時工作電流僅為400μA。表1為在20MPa壓力校驗臺上得到的壓力實測數(shù)據(jù)。
表2為在西安閻良試飛院內(nèi)燃機部滿量程為6m3/h的標定臺上測得的數(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)壓力測量精度均達到1‰,流量測量均達到5‰,流量控制精度達到1%。該系統(tǒng)已經(jīng)在青海油田使用,目前運行穩(wěn)定,效果良好。