1.微处理器
信号处理模块采用MSP430FR5724芯片为主控MCU,该芯片是基于16位精简指令集计算机架构的微控制器,正常工作频率为8MHz。在此基础上,该MCU还具有22个I/O口,1个10位ADC,3个16位定时器,SPI/I2C接口,1KBSRAM和8KBFRAM,基本满足旋进旋涡流量计信号处理的需求。
2．分段滤波电路
针对DN50,流量范围为8~120m3/h的旋进旋涡流量计,其流量信号频率在800Hz以内,可以通过低通滤波电路去除高频噪声。而瞬态冲击振动的原始频率在60Hz以内,与有效信号的频段重叠,针对该情况,本文采用分级滤波的方法处理,即在前级的低通滤波后再增加一级低通滤波电路,对低频段的信号进行特征提取。
为了保证滤波电路的稳定性,本文选用无限增益多路反馈型电路,此类型电路属于二阶滤波电路,其低通滤波电路原理图如图5所示。其中,电容C1的主要作用为去除输入信号中的直流分量;另外,由于运算放大器为单电源供电,为了保证输入的正弦信号在其工作电压范围内,在运算放大器的同向端输入正向的参考电压,大小为电源电压的1/2。
分段滤波的主要目的是根据信号的幅值判定其所属的频段,选择对应的频率输出,由此可得,针对幅值的测量不需要较高的精度,而应尽可能保持过渡带较快的衰减速度。因此,切比雪夫滤波器为最佳选择。根据实际的幅值和频率有效范围,设定两级低通滤波电路的截止频率分别为fC1=800Hz和fC2=60Hz,两级电路的增益Kp均为-2。查表确定电容C3的范围并选择合适的电容值;再结合公式K=100/(fC×C3)计算对应电阻换标系数K,根据归一化电阻值及对应的C2/C3得到实际电容值和电阻值;最后,以元器件标称值与实际值的误差不超过5%为原则,选择具体应用的元器件。
3.有效值检测电路
通过有效值检测电路将交流转化为直流,可以减少微控制器中的运算,降低电路功耗。有效值检测芯片选用LTC1966。LTC1966是一款真RMS到DC的转换器,其内部的Δ⁃Σ电路使其比传统对数反对数RMS到DC转换器实用性更强、准确度更高、功耗更低。芯片的有效值转换公式如下所示:
式中:VOUT为输出电压;OUTRTN为输出返回,是输出电压对应的参考点;IN1、IN2分别为差分输入。将前级滤波放大后的信号VF1X接入LTC1966,通过电容去除其中的直流信号,另一点接地,保证差分输入为正弦交流信号。最终LTC1966输出有效值,参考点接地,得到输入交流信号的有效值,再对输出后的信号经LT1782滤波平滑处理,输入至MSP430的ADC通道中。
4．峰值检测电路
峰值检测电路在脉冲处理电路中应用较多,也广泛用于通信电路中的自动增益控制环路。峰值检测电路的作用是提取峰值信号,使输出电压等于峰值电压。为了达到这一目标,即在下一个峰值到来之前,需要采样并保持电路的峰值,如图6所示。图6中:Vi表示输入信号;Vo表示输出信号。
本文选用的峰值电路为正向峰值检波器,具体电路如图7所示。
图7中,前后级的运算放大器保证消除了二极管压降的影响,无需使输入电压与基准电压存在一定的差值。当一个新的峰值到达时,即短时间内VF2>VF1X时,电路处于跟踪模式,D5截止,D6导通,Q1单向导通,C27充电,使其跟随输入电压;当输入电压下降时,即短时间内VF2<VF1X时,D5导通,D6截止,U8A的输出比VF1X减少了一个二极管的压降大小,R29将Q1栅极拉起,R26给D5提供电流通路,使VF2保持峰值电压。同时,将CLK与MSP430的I/O的PJ.0相连,当CLK为高电平时,三极管可以使C27放电,等待下一次峰值的到来。
5．信号输出电路
由于最后仅有一路脉冲信号可以输出,需要设计控制信号输出的电路,具体电路如图8所示。
将A1、A2分别与MSP430的P2.2和P2.6口相连,S1X和S2X分别为施密特电路处理得到的高频段与低频段脉冲信号,U3C主要作用为保证输出信号的相位与S1X或S2X相同。利用4093与非门,当A1与A2为低电平时,S1、S2均为高电平输出,此时OUT输出为高电平,即无信号;若A1为低电平,A2为高电平,S1为高电平,S2与S2X相同,经U3D得到反向的脉冲输出,经U3C得到S2X,即低频段信号输出。同理,可得A1为低电平,A2为高电平的输出情况,即为S1X输出。不同的输出情况如表1所示。表1中,“1”表示高电平,“0”表示低电平。因此,可以根据MSP430内部的ADC测得的有效值大小,选择合适的旋进旋涡流量计信号频段输出。
