0 引言
涡街流量计以其压力损失小、测量精度高、量程范围宽、运行可靠、维护简单以及性价比高等特点，越来越多的被广大用户所认可和使用[1]。然而，人们在使用中发现虽然它有很多优点，但流速较低时存在测量不稳定的局限性，限制它的使用范围。针对涡街传感器在流量较低时存在较大非线性特性问题，微处理器根据其输出特性曲线进行非线性校正，扩展了流量计的测量下限，扩大了涡街流量计的使用范围。
1 其所长系统工作原理与总体设计
1.1 工作原理
涡街流量计是基于卡门涡街原理设计的一种流体振动式流量计，即在流动的流体中垂直放置一个非流线型的对称形状的物体，流体绕过漩涡发生体时，出现附面层分离，在漩涡发生体的左右两侧后方会交替产生两列有规律的漩涡，即卡门涡街，当两漩涡列之间的距离和同列的两个漩涡之间的距离L满足公式h/L=0.281时，其漩涡频率正比于来流速度：
（1）
式中，f为涡街频率；u为来流速度；d为漩涡发生体宽度；st为斯特劳哈尔数。st与漩涡发生体宽度d及雷诺数Re有关，当Re在2×104～7×106的范围内，St基本保持不变。
式（1）表明，当d与St为定值时，漩涡产生的频率f与流体的平均流速u成正比，涡街流量计就是根据上述原理进行流量测量的。由于涡街传感器所测的并不是平均流速，而大约是漩涡发生体两侧的流速。对于湍流状态，不同的雷诺数下，流速分布规律是不同的，即不同的流速下具有不同的流速分布，进而说明涡街流量传感器检测到的主要反映漩涡发生体两侧的流速与管道平均流速的关系不是唯一确定的。这说明涡街流量传感器的非线性误差是由其检测机理所决定的[2]。在实际使用时，先测出传感器的仪表系数k与频率f的试验曲线F（f）：
（2）
式中，G（f）为同一口径的涡街传感器具有的相同特性曲线，对该曲线进行分段线性处理，并固化在流量计中，实现涡街传感器的非线性修正。
1.2 系统总体设计分析
系统主要由如下模块组成：涡街传感器信号调理模块，人机交互模块，RS485通信模块、4mA-20mA电流环模块、频率输出模块以及电源与掉电检测模块，系统框图如图1所示。
图1 智能涡街流量计系统框图
涡街传感器信号调理模块是将传感器输出的微弱信号进行滤波与放大，再经过由运放和电阻组成的比较器电路进行整形，转换为MSP430F435可以测量的方波信号。
人机交互模块主要由液晶显示屏和键盘组成，主要用于涡街流量计菜单设置，完成累积流量和瞬时流量的实时显示，并通过该模块实现了对仪表系数等参数的校正和修改。
RS485通信模块主要用于将累积流量和瞬时流量等重要的参数传递给远程计算机，方便用户即时了解流量计的信息。
4-20mA电流环模块主要用于将瞬时流量的数值转换成与之对应的电流信号，方便了瞬时流量信号的远传，提高了仪表的兼容性。
频率输出模块主要是将累积流量的数值转换成与之对应的频率信号，方便了对累积流量的测量，提高了仪表的兼容性。
电源模块将仪表安装现场提供的24V直流电压转换为合适的电压提供给其他电路模块。掉电检测模块能对外部电源电压进行监测，在系统掉电瞬间产生中断，并在中断程序中完成对累积流量等重要数据的保存。电源切换电路主要功能是实现电池和24V直流电源之间的自动切换。当外接有24V直流电源时，电池供电回路不会接通，可以延长电池的寿命；当没有外接24V直流电源时，电池供电回路自动接通，避免了数据的丢失。
2 系统硬件设计
系统采用16位嵌入式微处理器MSP430F435为控制核心，MSP430F435是TI公司面向低功耗仪表领域的推出的16位微处理器，工作电压范围为1.8～3.6V[3]，微处理器内部具有两个通用定时器、一个看门狗定时器、一个12位的A/D转换器、内部用户可编程Flash存储器以及两个UART通用串行接口等先进外设，刚好满足本流量计的要求。
2.1 信号调理模块设计
涡街传感器输出频率信号的变化范围为5～600Hz，信号的最小幅度为0.2mV左右。
图2 传感器信号调理模块结构图
由于提取的是频率信号，如图2所示，传感器输出的微弱信号经前置放大电路、低通滤波电路、后置限幅放大电路、比较器整形电路转换为微处理器可以识别的TTL方波信号，送入MSP430F435的定时器捕捉端口进行频率测量。
2.2 掉电检测模块设计
电源掉电模块设计采用MAXIM公司的MAX9017电压比较器，芯片自带1.236V高精度电压基准源。电源电压经电阻分压后与高精度基准电压比较，分压后的电压低于基准电压源时，MAX9017输出端产生正跳变，从而引起中断，在中断程序中，微处理器将累积流量等重要数据保存在MSP430F435内部的FLASH存储器中。
2.3 4-20mA电流环模块设计
4-20mA电流环模块采用美国ADI公司的AD421芯片。该芯片是一款高性能的数模转换器。它由电流环路供电，可以将串行输入的16位数字信号转换成4—20mA电流信号。它内部含有电压调整器，可以提供+5V、+3.3V或+3V输出电压，可为其自身或其它电路选用。AD421采用ΣΔDAC结构，保证16位的分辨率和单调性，其积分线性误差为±0.01%，增益误差为±0.2%，其标准的三线串行接口可以在10Mbit/s下运行，便于与微处理器相连。基于以上优点AD421被广泛应用在智能变送器的设计中[4]。
4-20mA电流环模块如图3所示。为了提高系统的可靠，AD421经光耦隔离后与微处理器MSP430F435相连。耗尽型场效应2SK30A的作用是为电路提供电源电压VCC，该电压的大小由LV引脚的连接情况决定。图中LV经一个0.01uF的电容与VCC相连，保证芯片的电源电压输出为+3.3V。该电源电压不仅可以用于AD421自身，还可以为系统的其它模块供电。晶体管9014的作用是减小场效应管2SK30A的负载，为流经BST引脚的电流提供一条回路。
图3 4mA—20mA电流环模块结构图
2.4 RS485通信模块的设计
RS通信模块采用MAXIM公司的MAX487芯片。该芯片通过快速光耦6N137与微处理器MSP430F435相连，可以防止通信模块中的干扰进入微处理器电路，提高系统的可靠性。在系统中，MSP430F435的供电电压为+3.3V，而MAX487的工作电压为+5V，因此快速光耦6N137还起到了电平转换的功能。通过RS485通信模块，远程计算机可以方便、及时的了解流量计的流量参数。
2.5 频率输出模块设计
频率输出模块主要由微处理器的定时器B和晶体管9014组成。定时器B工作在PWM方式，用来产生需要的频率信号。该信号输出到晶体管9014的基极，用来控制晶体管的导通与截止，从而实现频率的输出。
3 系统软件设计
系统软件主要以下部分组成：1）测频子程序：负责传感器信号频率的测量；2）“心跳”程序：实现非线性校正、累积计算、4-20mA电流输出和频率信号输出；3）RS485通信子程序：远程计算机通过RS485可以随时读取流量计的参数；4）掉电保护子程序；5）菜单设置程序：当有按键按下时，可以对流量计进行本地参数设置和修改。
系统上电复位后，MSP430F435首先完成各模块初始化，之后便进入低功耗模式LPM3。通过中断唤醒MCU方式执行相应功能模块，中断完成后恢复低功耗模式。系统软件流程图如图4所示。
图4 软件流程图
3.1 非线性校正算法设计
采用分段线性化的非线性校正方法，首先通过试验的方法获取传感器输出频率与仪表系数的对应关系，然后对该曲线进行合适的分段，每一段曲线可近似看成是一直线段，曲线分段后，各段端点对应被测频率信号分别为F0，F1，F2，⋯Fm，传感器对应的仪表系数为K0，K1，K2⋯Km，其中F0、Fm分别对应被测频率最小值与最大值。显然曲线上任一点P（f，k）可由分段直线段上的点近似表示，则有：
（3）
式（3）就是得到的两点式分段直线校正方程。系统上电初始化时先依次把端点数据（Fi，Ki）（其中i=0，1，2，⋯，m）读入内存，在校准时，先要判断当前测得频率f位于哪一个直线段，再根据相应的直线段校正参数，由插值法求出相应的仪表系数。
涡街传感器非线性校正与流量计算在看门狗定时“心跳”中断程序中实现，具体软件流程图如图5所示。
图5 非线性校正算法流程图
4 结束语
该智能涡街流量计充分利用微处理器MSP430F435内部模块，减少了外围模块的数量，降低了系统设计的难度，提高了系统的可靠性；采用智能非线性校正，扩展了流量计的量程比；具有频率输出、4-20mA电流输出和RS485数据通讯功能，提高了系统的兼容性。
参考文献
[1]苏彦勋，梁伟国等.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，2007.
[2]王超.高精度智能化涡街流量变送器的研究[J].仪器仪表学报，2000，（8）：20222.
[3]谢敏.基于MSP430的低功耗仪表系统设计[J].微计算机信息，2007，23（821）：1422144.
[4]汪献忠等.AD421在智能变送器中的应用[J].仪表技术与传感器，2006，（3）
[5]沈建华，杨艳琴，瞿骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
