1 前言
涡街流量计广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，涡街流量计与其他形式的流量计相比，具有使用寿命长、测量精度相对较高等优点，但在涡街流量计测量流体过程中仍存在一些问题：它在测量过程中受流体本身的稳定性和均匀性影响较大，易受噪声影响，并且小流量检测能力有限。以上这些因素严重影响了涡街流量计流量使用。传统的信号处理过程是放大、滤波、整形和计数，这种处理过程易于受噪声影响，无法较高精度地提取信号频率信息。而涡街流量计硬件电路设计是基于MSP430单片机核心的数字信号处理技术，与传统信号处理不同，数字信号处理采取针对性的特殊算法，对流量计的输出信号进行细致的分析处理，将有用信号从含有噪声的输出信号中提取出来，以较高的精度估计信号特征参数。
设计的要求是完成对涡街流量计信号处理系统硬件部分，它的功能是将涡街流量计所测得并输出的电荷信号经过放大，滤波，整形后得到近似方波的脉冲，然后送到MSP430中进行计数，根据对计数的结果的分析将流量的相关信息显示或者转换为模拟信号输出。由于系统要求低功耗，所以本系统使用了MSP430系列单片机。
2 涡街流量计的工作原理
涡街流量计由于其介质适应性强、内部结构无可动部件、磨损小、使用寿命长等特点在许多行业中得到广泛的应用。涡街流量计是利用流体振动的原理来进行测量的器件。在流动的流体中放置一个挡块，就会在挡块的下游两侧产生两列有规律的旋涡。在满足一定条件时，产生的旋涡是稳定的，称之为卡门涡街。伴随旋涡的产生，在挡块周围和下游的流体将产生有规律的振动，其振动频率与流量存在对应关系。约束的旋流在通过扩大管时，会产生涡流进动现象，流体发生振动，其振动频率f与流体的流速v及柱体的宽度d有关，且满足式：
式中，v是流体平均流速（m/s），D是管道直径（m），d是柱体流速面的宽度（m），St是斯特罗哈系数。
利用这个原理，在柱体表面安装压电晶体，在漩涡产生的交变压力作用下，由于压电效应，压电晶体产生交变的电荷信号，经电荷—电压转换及滤波整形电路后可以得到频率与涡街频率相同的电压脉冲信号，将其转换为具有工程单位的脉冲并送入计数器可以得到瞬时流量及累计流量。
3 数字信号处理（DSP）
数字信号处理（DSP）系统由于受运算速度的限制，其实在相当的时间内远不如模拟信号处理系统。从80年代至今的十多年中，DSP芯片在运算速度、运算精度、制造工艺、芯片成本、体积、工作电压、重量和功耗方面取得了划时代的发展，开发工具和手段不断完善，已渗透到科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的各个领域，取得了丰硕的成果。数字信号处理系统的优越性表现为：灵活性好、精度高、可靠性好、可大规模集成。
基于这些优越性，许多基于DSP芯片的实时数字信号处理系统得以实现。它的典型应用有：
（1）通用信号处理：卷积，相关，FFT，Hilbert变换，自适应滤波，谱分析，波形生成等。
（2）通信：高速调制/解调器，编/译码器，自适应均衡器，仿真，蜂房网移动电话，回声/噪声对消，传真，电话会议，扩频通信，数据加密和压缩等。
（3）语音信号处理：语音识别，语音合成，文字变声音，语音矢量编码等。
（4）图形图像信号处理：二、三维图形变换及处理，机器人视觉，电子地图，图像增强与识别，图像压缩和传输，动画，桌面出版系统等。
（5）自动控制：机器人控制，发动机控制，自动驾驶，声控等。
（6）仪器仪表：函数发生，数据采集，航空风洞测试等。
（7）消费电子：数字电视，数字应答机等。
数字信号处理可以采取针对性的特殊算法，对信号在时域及变换域的特性进行分析、处理，能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和理解，得到我们需要的信号形式，提高信息的利用程度，进而在更广和更深层次上获取信息。
4 MSP430单片机设计
4.1 系统功能概述
本系统的主要功能是将从涡街流量计的压电传感器出来的微弱电荷信号转变为电压信号，经放大滤波后由430单片机自带的A/D转换器变成数字量，整形输出后得到规则的方波通过定时器进行记数，根据记数的结果计算出频率和流量的相关信息。
系统的显示输出采用液晶显示器（LCD），这是因为LCD具有以下优点：工作电压低，功耗小；驱动电路简单，器件体积小；属于防爆型；可安装在任何地方；光线强显示清晰，可加背光源以适应夜间工作。系统选用的是LCM141型的液晶显示模块。它内含驱动与控制电路以及串行通信接口。可与单片机方便接口.还可外接蜂鸣器液晶显示器，专用于流量、温度、压力等仪表，可双排显示14位8段式字符，并具有字母提示符显示。该显示器件功耗极低，工作电压为3V时消耗的最大电流仅为60μA，满足本系统的低功耗要求。
由于工业现场需要对仪表进行远程监控和远程测量，因此需要仪表有标准的模拟量输出，通常采用的是4～20mA的电流信号。测量仪表根据涡街信号频率的大小产生相应的编码送入单片机自带的DAC，MSP430F1611自带12位的DAC，足以满足系统精度的需要。经数模转换后成为模拟量，再通过V/I转换电路将模拟电压量转换为电流量。
4.2 组成和框图
涡街流量计信号处理系统的硬件部分主要由电荷放大器、程控放大器、低通滤波器、峰值检测电路等模拟通道和MSP430F1611单片机系统、键盘输入电路，输出电路组成。系统硬件框图如图1所示。
4.3 低功耗MSP430
随着时代的发展，系统对功耗的要求也在提高，低功耗的优势逐渐体现。而选用具有低功耗特性的单片机则是重点所在。单片机的低功耗特性表现在以下几个方面：
（1）简单的CPU内核；
（2）低电压供电；
（3）带有低功耗模式；
（4）有合适的时钟方案。
TI公司的MSP430系列是一个超低功耗类型的单片机。它能够实现在1.8~3.6V电压，1MHz的时钟条件下运行，待机模式耗电电流仅为1.1μA，活动模式耗电电流为280μA，因工作模式不同而不同。满足本系统对低功耗的要求。
4.4 MSP430单片机的特点
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。它针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
作为系统的运算和控制核心，单片机的选择对系统功能实现及性能优劣起着至关重要的作用。由于本系统要做到超低功耗，所以MSP430系列单片机最符合本系统的要求，同时系统在信号处理时用到FFT（快速傅立叶变换）运算，需要大容量的SRAM，但外扩会大大增加系统功耗，所以最终选择了MSP430系列的F1611单片机。它是此系列单片机中的高端产品，主要特点有：
（1）超低功耗
（2）强大的处理能力
F1611单片机采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令。而且采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。
（3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
F1611结合TI的高性能模拟技术，集成了丰富的片内外设。包括了看门狗（WDT），模拟比较器，定时器，硬件乘法器，12位的ADC与DAC，直接数据存取（DMA）等。这些丰富的片内外设，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
（4）系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。
（5）方便高效的开发环境
F1611采用了48KB+256BFLASH存储器和10KB的RAM，高于其他型号的产品，有着十分方便的开发调试环境。
4.5 MSP430F161x单片机结构
单片机可以应用到人类生活的各个领域中去。它特别适用于各种控制系统，即既可以作单机控制器，又可作为多级控制的前沿处理机用于控制系统；应用在智能化仪器仪表中，可以使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高；还可以用于各种智能通信设备、日常生活中的电器产品等等。而MSP430系列单片机不仅可以应用于以上的领域，更适合用于一些电池供电的低功耗产品，如能量表（三表：水表、电表、气表等）、手持式设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。
MSP430F161x单片机结构如图2所示。
5 结论
本设计的内容是基于MSP430的涡街流量计信号处理系统硬件设计。本文从涡街流量计原理、数字信号处理（DSP）、低功耗MSP430、MSP430单片机设计等几个方面进行了分析。
此系列的单片机具有低功耗的特点，非常适合用于手持设备，能量表和智能传感器等领域，而且集成了丰富的外围模块，不需要再扩展其他芯片，能做到真正的“单机”。更少的芯片可以使硬件电路做的更小，从而减少了整个系统的成本和制成仪表的体积。低功耗的优势使得本系统比基于DSP的系统有着更广泛的应用场合，更受用户的欢迎。
虽然完成了基本要求的设计，但是理论和实际之间总是存在差别，实际中还存在很多干扰因素，需要根据实际情况进行调整、优化，才能应用与生产。
参考文献
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