摘  要：渦輪流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于過(guò)程測(cè)量和控制儀表。但是，渦輪流量計(jì)容易受被測(cè)流體粘度的干擾，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度不高、量程比受限。針對(duì)渦輪流量傳感器的非線性特性，本文研制了基于 ＭＳＰ４３０的渦輪流量計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，將傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)線性插值法處理，然后存儲(chǔ)在帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦輪傳感器的非線性校正，從而渦輪流量計(jì)的測(cè)量范圍明顯地得到擴(kuò)大。同時(shí)該儀表還具有４～２０ｍＡ 電流輸出、頻率輸出以及ＲＳ４８５通信功能，便于和工業(yè)儀表兼容。

圖２ 各模式轉(zhuǎn)換框圖

  由圖２可知，ＭＳＰ４３０在不同模式下的功耗相差很大，較低功耗０．１_μＡ，在活動(dòng)模式下的功耗取決于系統(tǒng)的工作頻率與供電電壓，特別是系統(tǒng)頻率。當(dāng)系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為１ＭＨｚ時(shí)，工作電壓為３Ｖ，電流消耗為３７０_μＡ，根據(jù)式（４）和（５）可計(jì)算出，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為４ＭＨｚ，工作電壓３．３Ｖ，電流消耗相當(dāng)于１．６９ｍＡ。因此，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)渦輪信號(hào)的變換率，選擇不同的工作模式，以降低系統(tǒng)的功耗。


  ３．２ ４～２０ｍＡ輸出和電源供電模塊功耗問(wèn)題一直是４～２０ｍＡ 輸出電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。解決這一問(wèn)題的主要方法是信號(hào)線與電源線復(fù)用。這樣功耗問(wèn)題得以保證，并且為儀表兩線制工作提供足夠的電流。但經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)單片機(jī)處于高頻時(shí)鐘工作，并且所有外設(shè)全部工作，其電流消耗超過(guò)４ｍＡ。為了解決這樣的問(wèn)題，通過(guò)ＤＣ／ＤＣ對(duì)復(fù)用線進(jìn)行分流，還解決了數(shù)字部分的供電問(wèn)題^{［１３－１４］}。此外，流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)均采用低功耗的器件，這也是降低整體功耗的方法之一。
   電流環(huán)輸出部分的核心是 ＴＩ公司的ＸＴＲ１１５電流環(huán)芯片，電路如圖３所示。引腳３被看作模擬地，輸入端電阻Ｒ_ｉｎ為１０ｋ_Ω，Ｃ 為降噪電容，晶體管的選型主要考慮 ＮＰＮ型，沖擊電壓，電流以及功耗，鑒于會(huì)有溫度傳導(dǎo)效應(yīng)，***好不使用貼片的封裝，外接晶體三極管 Ｑ１ 只要選用Ｖｃｅｏ＞３６Ｖ^，Ｉｃｍａｘ＞３２ｍＡ^，Ｐｏｕｔｍａｘ＞１．２Ｗ^的 ＮＰＮ^三極管即可，可以考慮下面的一些型號(hào)：ＴＩＰ２９Ｃ，２ＳＣ１８４６。
   該電路的工作原理是當(dāng)ＡＤ７３９１數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的６腳輸出電壓 信 號(hào) 經(jīng) 過(guò) Ｒ２ 轉(zhuǎn) 換 成 ４０～２００_μＡ 的 輸 入 電 流^，ＸＴＲ１１５內(nèi)部有一個(gè)１００增益的運(yùn)放，將輸入電流放大為４～２０ｍＡ^{的電流。}
  外部晶體管 Ｑ１主要作為一個(gè)電流輸出源，如果使用２４Ｖ和２０ｍＡ 的電流輸出，此晶體管的功耗為０．４８Ｗ，ＸＴＲ１１５通過(guò)采用外部的晶體管來(lái)避免產(chǎn)生溫飄，所以在安裝晶體管的時(shí)候應(yīng)該避免和模擬部分的電路離的太近，包括ＸＴＲ１１５。在實(shí)際電路中，還需給功率管裝上合適的散熱器。

圖

３

電流環(huán)輸出電路

ＸＴＲ１１５

允許各種電壓保護(hù)方法，圖

３

顯示了一個(gè)二

證明，即使電源電壓高達(dá)

，也損壞不了

。

５０Ｖ

ＸＴＲ１１５

極管電橋電路，四個(gè)

１Ｎ４１４８

型開關(guān)二極管構(gòu)成這樣的保

鑒于整個(gè)系統(tǒng)自身的電流消耗不能超過(guò)

，所以

４ｍＡ

護(hù)電路，電路可以正常運(yùn)行，甚至當(dāng)電壓連接線是接反的，  通過(guò)

／

對(duì)復(fù)用線進(jìn)行分流， ／

的

輸入電壓為

ＤＣＤＣ

ＤＣＤＣ

它也能防止負(fù)電壓流入

Ｖ＋

端。因?yàn)闃蚴诫娐分袩o(wú)論何

，輸出電壓為

，所以，當(dāng)

／

效率為

８０％

以上

２４Ｖ

５Ｖ

ＤＣＤＣ

時(shí)都會(huì)導(dǎo)通兩只二極管，于是，在計(jì)算環(huán)路電壓時(shí)，去掉兩

時(shí)，從電流環(huán)上取

１ｍＡ

電流，由公式（）計(jì)算出提供給數(shù)

６

只硅二極管的正向壓降

（約為

）是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，由?/td>

字電路的電流為

，這樣不僅解決了電流環(huán)上的電

１．４Ｖ

３．８４ｍＡ

（）確定。

流大于

４ｍＡ

的問(wèn)題，而且解決了電路中芯片的供電問(wèn)題。

５

ＶＬＯＯＰ ＝２４－Ｉ０ＲＬ －１．４

（）

· ·

·

（）

５

Ｖｉ  Ｉｉ

η＝Ｖ０  Ｉ０

６

為了 防 止 瞬 態(tài) 電 壓 過(guò) 高，

公 司 生 產(chǎn) 的

由于流量?jī)x表采用二線制

２４Ｖ

環(huán)

路供電，單片機(jī)

Ｍｏｔｏｒｏｌａ

Ｐ６ＫＥ３９Ａ

型抑制器的各項(xiàng)參數(shù)都符合要求，其閾值電壓

供電，信號(hào)調(diào)理電路中運(yùn)放

ＬＭ２５８

需要

５Ｖ

電源供

３．３Ｖ

為

，鉗位時(shí)間僅為

，其性能是齊納穩(wěn)壓管所不及

電。為了降低電路功耗，使用

ＴＩ

公司的電壓轉(zhuǎn)換芯片

３９Ｖ

１ｎｓ

的。只要環(huán)路電壓高于

３９Ｖ

就會(huì)被鉗位。

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)

，將

２４Ｖ

轉(zhuǎn)換為

，用芯片

ＴＰＳ７９７３３

將

５Ｖ

轉(zhuǎn)

ＬＭ３１０３

５Ｖ

換為

，***后用芯片

ＲＥＦ３０２０

將

３．３Ｖ

轉(zhuǎn)換為

２．０４８

（

）／（

＋Ｒ１０

）

（）

３．３Ｖ

Ｖｏｕｔ ＝０．６×

Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０

Ｒ９

７

，作為

／

轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓。

芯片輸出電

Ｖｏｕｔ

為

，

、

分別選為

１０ｋΩ

和

，根據(jù)式

Ｖ

ＤＡ

ＬＭ３１０３

５ＶＲ８ Ｒ９

１．３ｋΩ

壓由外部電阻

Ｒ８

、

和

Ｒ１２

決定。調(diào)整輸出電壓公式為：

（）計(jì)算出

Ｒ１０

約為

。

轉(zhuǎn)

５Ｖ

電路如圖

４

所示。

Ｒ９

７

６９Ω ２４Ｖ

換為

，***后用芯片

ＲＥＦ３０２０

將

３．３Ｖ

轉(zhuǎn)換為

２．０４８

（

）／（

＋Ｒ１０

）

（）

３．３Ｖ

Ｖｏｕｔ ＝０．６×

Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０

Ｒ９

７

，作為

／

轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓。

芯片輸出電

Ｖｏｕｔ

為

，

、

分別選為

１０ｋΩ

和

，根據(jù)式

Ｖ

ＤＡ

ＬＭ３１０３

５ＶＲ８ Ｒ９

１．３ｋΩ

壓由外部電阻

Ｒ８

、

和

Ｒ１２

決定。調(diào)整輸出電壓公式為：

（）計(jì)算出

Ｒ１０

約為

。

轉(zhuǎn)

５Ｖ

電路如圖

４

所示。

Ｒ９

７

６９Ω ２４Ｖ