基于多處理器技術(shù)的渦街流量計(jì)

　　渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、無可動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)渦街流量計(jì)采用模擬信號(hào)處理方法，抗干擾能力差，且一般采用4～20mA的模擬量輸出，因此不能滿足當(dāng)今現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展和分布式控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性的要求。

　　針對(duì)渦街流量計(jì)在低流速測量和信號(hào)輸出方面存在的問題，開發(fā)了基于多處理器技術(shù)的帶PROFIBUS-DP接口的渦街流量計(jì)。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)從抗干擾、低功耗和帶總線接口三個(gè)角度出發(fā)，主要分為四大部分：模擬信號(hào)預(yù)處理電路、控制及傳輸電路、數(shù)字信號(hào)處理電路和PROFIBUS-DP接口電路。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于單片機(jī)和DSP相結(jié)合的雙核技術(shù)，可以充分發(fā)揮 MSP430強(qiáng)大的控制功能和DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，來解決渦街流量計(jì)的抗干擾問題，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。選用同類產(chǎn)品中超低功耗型號(hào)的DSP 和單片機(jī)，低功耗的系統(tǒng)外圍芯片；充分利用MSP430單片機(jī)的高集成度和DSP的HPI接口的強(qiáng)大功能，省去需要外接的12位A／D和用于存放DSP程序的Flash ROM，降低系統(tǒng)的功耗。SPC3集成了PROFIBUS-DP物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的完整協(xié)議，為渦街流量計(jì)的總線接口提供了廉價(jià)的配置方案。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、方便，既節(jié)約了成本，又縮小了體積。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 模擬信號(hào)預(yù)處理電路

　　模擬信號(hào)預(yù)處理電路包括電荷放大器、差動(dòng)放大器和抗混迭濾波器。模擬信號(hào)預(yù)處理電路通過以運(yùn)算放大器為主體的模擬電路對(duì)采集到的電荷信號(hào)進(jìn)行三方面的處理：通過輸入級(jí)的電荷放大器將渦街傳感器壓電檢測元件輸出的交變電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；通過差動(dòng)放大器和其它級(jí)電路的放大功能實(shí)現(xiàn)交變信號(hào)的幅值放大；通過抗混迭濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)之前的抗混迭濾波。

　　2．2 控制及傳輸電路

　　控制及傳輸電路以超低功耗的MSP430F149單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、顯示等功能。MSP430F149內(nèi)部集成的12位A／D實(shí)現(xiàn)了高精度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，豐富的外部接口實(shí)現(xiàn)了鍵盤的操作、HPI模擬時(shí)序、LCD顯示及對(duì)外通信的功能。這種強(qiáng)大的控制功能是DSF嘸法替代的。

　　2．3 數(shù)字信號(hào)處理電路

　　數(shù)字信號(hào)處理電路以DSP為核心，MSP430為輔助的電路，DSP選用 TMS320C5416(簡稱5416)，它是一個(gè)工作靈活、高速、低功耗的16位定點(diǎn)通用DSP芯片，操作速率可達(dá)160MIPS，能夠完全滿足系統(tǒng)大計(jì)算量和實(shí)時(shí)性的要求。DSP的數(shù)據(jù)來源于單片機(jī)的12位A／D采集到的數(shù)據(jù)，DSP與單片機(jī)之間通過主機(jī)接口(HPI)進(jìn)行高速通信，當(dāng)DSP接收到了渦街信號(hào)的數(shù)據(jù)后，采用基于DFT的頻率估計(jì)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，處理后的結(jié)果再傳回單片機(jī)。DSP與單片機(jī)的HPI接口電路的連接示意圖如圖2所示。

　　將HPI接口應(yīng)用到DSP的Bootloader中，即把DSP的程序存放在單片機(jī)的Flash里(DSP中沒有程序存儲(chǔ)器)，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，將程序通過 HPI口以Bootloader的方式從單片機(jī)寫到DSP的RAM中去，啟動(dòng)DSP，使DSP開始正常的信號(hào)處理，這樣節(jié)省了一片用于為DSP存放程序的 FlashROM；DSP通過單片機(jī)的12位A／D采集數(shù)據(jù)，即單片機(jī)用自身的12位A／D采集數(shù)據(jù)，然后通過HPI接口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP的RAM中， DSP再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的結(jié)果再傳回到單片機(jī)，從而節(jié)省了一片A／D，也降低了功耗。