[導讀] 摘要 本文討論了一種基于MSP430單片機的天然氣標準孔板智能流量積算儀的軟、硬件設計，并論述了儀表的低功耗設訓思路。在設計巾小僅滿足了計量精度的要求，同時也具有功耗低、功能齊全、人機界面友好的優點。
孔板流量計是一種基于伯努利原理的差壓式流量計，它是通過測量孔板兩側的差壓而達到測量流量的日的。在天然氣的生產中通常采用孔板流量計作為測量用流量計。一般的孔板流量計是由標準節流裝置(孔板)、導壓管、差壓計(差壓傳感器)和二次儀表(流量積算儀)所組成。木文所要討論的就是一種適用于天然氣計量、包含各種傳感器的低功耗智能孔板流量積算儀的設計。
1系統設計及構成簡述
1.1系統的組成及原理
整個儀表的系統構成可以由圖1所示。
系統控制器選用美國TI公司生產的低功耗單片機MSP430F149 0由傳感器檢測到的孔板上游側氣流絕對靜壓.w流流經孔板產生的差壓和氣流溫度值經模擬開關選擇放人后，由單片掃L自帶的12位A/D轉換器進行轉換。轉換結果由CPU按一定的數學模型m進行實時運算和補償，得到瞬時流量值和氣體總量。計算結果進行保存，并通過液晶屏顯示，也可通過外囚電路按其他方式輸出。木積算儀還可通過485接II與上位機z間進行通訊，作為一個較人范囚內的流量計量管理系統的一個節點。
系統設計成兩種供電方式，即內部3.6V的鏗電池和外部24V電源。在正常計量時采用內部電池供電;當用戶需要輸出標準信弓時，采用24V的外電源供電。
1.2硬件設計
硬件的設計包括如卜幾個方面:
1)單片機及其外囚電路設計。M SP430F149單片機是64腳QFP封裝的超低功耗的微控制器，具有五種小同的省電模式;16位RISC指令結構，豐富的尋址方式和強人的運算處理能力;集成了較多的片上外ICI資源，比如」2位的A/D,精密模擬比較器，硬件乘法器,2組頻率可達8MHz的時鐘模塊，2個帶有人量捕獲/比較寄存器的16位定時器,2個可實現異步、同步及多址訪問的串行通訊接口，數十個可實現方向設置及中斷功能的并行輸入、輸出端口;該型單片機還有2KB的RAM;具有60KB+256字節的FLASH存儲器，可利用J丁AG接口或片內BOOT ROM下載、調試程序[2]。外圍電路主要是時鐘晶振的選擇。在本設計中，選用2個外接的低頻晶振C 32.768KHz)和局頻晶振(SMHz)，會同內部集成的DCO振蕩器，由軟件選擇作為3種時鐘信寫ACLK.MCLK.SMCLK的時鐘源。
2)人機交互設計。包括按鍵輸入和液晶顯示電路。利用一鍵多用、雙鍵復用技術，依靠4個按鍵，結合LCD顯示，可以完成參數設置、實時測量、在線標定等功能。表頭采用多段式液晶顯示，選用動態的4時分割液晶驅動器驅動顯示。
3)輸入輸出電路。輸入電路包括溫度、壓力和差壓信寫的采樣、放人和A/D電路。各個傳感器信寫通過模擬開關，由CPU控制在小同的時刻進行采樣。采樣得到的信寫經運放放人后，輸入到單片機自帶的A/D轉換器。輸出電路包括脈沖放人電路和初準模擬信寫輸出電路。前者用于輸出對應于小同瞬時流量的頻率信寫或脈沖數，后者通過D/A將流量值轉換成電壓信寫，再由V/I轉換電路變換為4~20mA的標準模擬信寫。
4)存貯與通訊接口。用EEPROM作為存貯介質，用來存貯一些為防止掉電而去失的數據。串行通訊采用RS485接口,即可通過該串口與上位機通訊，也可與專用MODEM配套，利用電話網絡構成自動讀表與管理系統。
1.3軟件設計
系統的軟件設計可以根據所要實現的功能，按照模塊化的思路，分成如下若干個功能模塊:
1)初始化模塊:在系統啟動時，需要對時鐘源進行分配;對輸入輸出端II進行定義;對定時器、模數轉換器等一些控制寄存器進行初始化;對內部和外部的存貯單元進行清零;對一些中斷的允許寄存器和標志寄存器進行初始化;選擇CPU的低功耗模式。
2)按鍵按鍵和顯示模塊:顯示模塊包括正常情況下的顯示程序和配合按鍵功能的顯示程序。前者可以用來顯示瞬時流量值、累積值或其他一些參數，后者和按鍵子程序一道作為中斷服務子程序。通過軟硬件的結合，可以實現數字和字符的設定、移動光標、狀態切換、參數保存。通過按鍵，可以設置一些流量計算所需的參數值，如天然氣組分、孔板和測量管的材料和直徑，以及其他一些參數值。
3)信寫采集和流量計算模塊:程序定時打開模擬開關和運算放人器，采樣壓力、溫度和差壓值，并進行A/D轉換。轉換值和其他設定的參數值一同參與天然氣的流量計算。流量每2秒計算一次。流量計算模型必須符合文獻[1]中標準的規定，并引入了相關參數的實時溫壓補償。由于涉及的中間變量多，公式復雜，故計算量較人，需對計算過程進行優化。考慮到MSP430單片機具有較人的內存單兀和程序存儲區，因此為了提局計算的精確度，對參與運算的變量全部采用多字節浮點數的編碼方式。
4)流量輸出模塊:對應與小同的輸出方式，程序可產生對應于流量的頻率信寫、脈沖數或一定數字量。
5)通訊模塊:用來定義串口之間的通訊接口協議，例如，儀表與上位機乙間傳送的數據格式、數據內容、數據包的形式。
2低功耗設計
孔板流量計用于天然氣的計量多應用于一些沒有市電供應或是無人值守的環境，因此低功耗對于智能流量積算儀的設計，顯得尤為重要。下面說明木儀表的低功耗設計。
2.1 硬件電路的低功耗設計
要降低電路的運行功耗，可以從單片機系統和外圍電路兩個方面入手，下面分別進行討論:
(1)單片機的低功耗運行
M SP430F149是TI公司生產的低功耗單片機的一種，它的低功耗體現在以下幾個方面:一是工作電壓低:我們采用3.3V的電源電壓。降低電源電壓是降低功耗的最直接、最有效的方泛;二是工作電流低:單片機在工作頻率為32kHz、電壓為2.2V時，工作電流僅為78A;在工作頻率為1MHz、電壓為2.2V時，工作電流為2508 A;由此也可見，降低工作頻率也是降低功耗的途徑乙一;因此，第三點是工作頻率可選:主程序運行時，盡量選用單片機自帶的數控DCO振蕩器;對于需精確定時的，可以采用外接的低頻晶振，如32768Hz;外接的局頻晶振一般只有在外電源供電時才被選用;四有多種省電模式可供使用:單片機共提供了五種低功耗運行模式，在小同的工作模式卜，單片機分別關斷CPU.主系統時鐘、子系統時鐘、內部數字振蕩器(DCO).輔助系統時鐘。每一種模式均比前一種要減少功耗。在木設計中，根據系統實際運行的需要，可以選擇單片機在沒有外中斷請求時，工作在低功耗模式匕PM3。五是由于單片機集成了A/D轉換器、定時器、人容量的FLASH存貯器、以及多個I/O口，這樣可以省略許多外囚器件，從而實現降低功耗的日的。
(2)外圍電路的低功耗設計
在設計外圍電路時，可以從兩個方面考慮:一是盡量選擇一些低功耗的器件和芯片。由于CMOS電路的靜態功耗極小，可達μA級，而動態功耗與電路邏輯改變的頻率和速度有關網，因此在芯片的選擇上，多選用低速的CMOS芯片。對于其他一些器件，如顯示器件，也是選用的低電壓驅動、具有CMOS結構的低功耗液晶顯示驅動器。二是降低系統中非工作狀態器件的功耗。例如，在信寫采集電路中，如圖2所示，由于溫度、壓力和差壓信寫是定時采樣，因此單片機是定時打開信寫通道采樣信寫，而在其余時間則關閉采樣通道;同理，運放電路也受單片機的控制定時開斷，定時時間與采樣時間同，這樣便能減少采樣、放人電路的在空閑時間的功率消耗，從而降低整機的功耗。
2.2軟件的低功耗設計
軟件的低功耗設計也可從以下兩個方面進行論述:
1)配合硬件的程序設計。比如，時鐘頻率的選擇，定時采樣和運放的開斷，以及在空閑狀態下選擇單片機的低功耗模式。另外，對鍵盤輸入、數據采集輸入均采用信寫中斷方式而小是查詢方式，從而減少CPU的工作時間，降低消耗;在顯示上也采用靜態顯示而小是動態掃描顯示的方式。
2)在流量的計算程序中盡量考慮低功耗的要求。在根據文獻[1]標準中所規定的數學模型計算流量時，可知在整個計算過程時會涉及到許多變量的運算，這些變量都是一維或二維的復雜函數，如冪函數，并且有的變量還涉及解嵌套循環計算過程，因此整個計算的步驟多、過程復雜。考慮到MSP430單片機具有較人的內存單元(2KB的RAM)和程序存儲區(60KB的FLASH)，在計算程序的編寫時盡量采用表格的方式來運算復雜公式，并運用合理的插值法使運算結果逼近于真值，從而可以人人減輕CPU的負荷，降低功耗。
3結束語
按上述思路設計的低功耗智能孔板流量積算儀己運用到實際生產過程中，其功能齊全，運算結果可靠，特別是具有低功耗的特性:整機最人工作電流小于380μA，基木保證了當使用1節3.6V鏗電池(5Ah)供電時，儀表能持續正常工作1.5~2年。