摘 要：以往的旋转计数器在原理和应用中存在着各种难以克服的问题, 如抗干扰性、稳定性等。将无磁流量扫描测量技术应用到旋转计数器中, 不仅具有良好的抗干扰性和稳定性, 而且在精度上有很大的提高。从应用角度详细地介 绍了MSP430FW427 在旋转计数器中的设计应用。
无磁流量扫描测量技术早期的旋转计数器多是采用干簧管、霍尔、韦根传感器。面对市场发展的需要, TI 公司专门针对旋转测量问题设计了一款MSP430FW42X系列 MCU, 其性价比低, 稳定性好, 旋转测量采集部分只需要一个转盘和若干个电感电容, 通过 MCU 内部检测波形衰减的幅度, 就可以判断电感的状态, 从而达到计数的效果。
1 旋转计数器原理
旋转计数器转数的测量采用的是无磁流量扫描测量技术。两个电感位于涂有导电层( 阴影部分) 的旋转叶轮上方, 当叶轮以一定的速度进行旋转时, 两个 LC 电路便会产生周期性的衰振荡波。当电感位于导电层上方时, 产生的振荡波衰减幅度很
大; 当电感没有位于导电层的上方时, 产生的振荡波衰减幅度较小。如果在相应的引脚上接上必要的元器件( 电感、电容) , 再通过一定的算法进行编程, 对其相应的寄存器进行操作, 就能够对LC 电路产生的振荡波衰减幅度的几种状态进行分析, 从而判断出电感的位置, 计算出旋转叶轮转过的圈数以及旋转的速度, 最终达到测量的目的。
转盘的一半涂有具有阻尼特性的金属膜( 如锡、铝) , 电感是成 120°角分布在转盘的表面, 而转盘是固定在叶轮表面, 其原理是, 当流体流动时带动转盘转动, 随着转盘的转动, 电感在转盘表面的位置交替变化, 同时 CPU 定时给 LC 回路激励信号,电感就会产生阻尼振荡, 这样, 电感在处于有金属膜的位置时,衰减幅度大; 反之, 衰减幅度较小。通过 MCU 内部检测波形衰减的幅度, 就可以判断电感的状态, 从而达到计量的效果。
2 旋转计数器的设计
在本次设计中选用 TI 公司的 MSP430FW427 作为主控芯片, 充分利用 Scan IF 模块的无磁流量测量功能, 同时对传感器部分、液晶显示部分、键盘部分以及电源管理部分进行合理的软、硬件设计, 使得系统能够稳定、可靠的工作, 并实现高精度的测量和计数。旋转计数器系统的整体结构框图如图 1 所示。
2.1 硬件
MSP430FW427 是 TI 新近推出的一款专门针对水表、热表、气表以及其它应用领域的超低功耗 Flash 单片机。片内有32K+256 字节的 Flash 存储器、1K 字节的 RAM, 以及 48 个 I/O 口, P6.0 和 P6.1 口作为传感器检测通道, P1.0 和 P1.X 口连接电源管理模块 ( 打开或关闭单片机外围电路的电源) , P3、P4和 P5 口与液晶显示模块相连。
芯片内的 SCAN IF 模块能够在低功耗下自动检测线形或旋转的运动, 该模块由三部分组成: 模拟前端(AFE) , 信号处理状态机(PSM) , 定时状态机(TSM) 。其中, 模拟前端由激励电路,VCC /2 发生器, 采样保持器、比较器和 DAC 几部分元器件组成, 用来激励 LC 传感器, 检测信号电平并把信号转换为数字形式; 这些数字信号进入 PSM 状态机, 它根据时序状态机(TSM)和模拟前端(AFE)的输入信号, 通过分析存储在 MSP430FW427存储器中的状态表, 来计算出旋转运动和它的方向, 并控制中断信号的产生; TSM 是一系列的状态机, 不需要 CPU 干预就能够控制模拟前端, 传感器自动激励以及信号处理状态机。
2.2 软件
整个软件设计采用“自顶向下”的独立式模块化设计方法,以保证系统的实时处理能力以及整个系统的可靠性和稳定性。程序设计主要集中在 SCAN IF 模块、液晶显示模块、电源管理模块、I/O 接口等几个方面。其中关键部分就是如何通过一定的算法对 SCAN IF 模块进行编程, 对其相应的寄存器进行操作,使其能够对 LC 电路产生的振荡波衰减幅度的几种状态进行分析, 从而判断出电感的位置, 计算出旋转叶轮转过的圈数以及旋转的速度, 达到测量的目的。
2.2.1 初始化
为了能使 Scan IF 模块可靠地运行, 就必须对该模块的相关控制寄存器进行初始化, 并设置相对应的参数, 如时钟源、LC传感器、计数器的选择等。下面的这段程序对扫描接口的控制寄存器 SIFCTL1～SIFCTL5 进行了初始化。
2.2.2 定时状态机 TSM 时序
TSM 是用来确定测量序列的, 不需要 CPU 干预就能够根据初始化中所设置的运行时间 ( 即 24×16 位存储器 SIFTSM0～SIFTSM23 中设置的状态) 周期性的控制模拟前端(AFE), 传感器自动激励以及信号处理状态机(PSM); 而且每一步所需的时间可以精确调整, 也可根据实际情况调整 SCAN IF 模块的测量序列。通常的测量序列是: 确定空闲状态→激励 LC 传感器→延时→打开 DAC 和比较器→测量→停止。
下面这段程序是 TSM 的初始化程序, 通过设置寄存器SIFTSMX(X=0～11) 的状态, 对所选传感器输入通道 SIFCH.0和 SIFCH.1 进行测量和激励。
MOV #00220h, &SIFTSM11 ;停止
2.2.3 过程状态机 PSM
过程状态机 PSM 是一个可编程的状态机, 它根据时序状态机(TSM)和模拟前端(AFE)的输入信号, 通过分析存储在 MSP430 存储器中的状态表来计算出旋转的速度和方向, 并控制中断信号的产生。这段程序中设置了一个 PSM表格, 定义了旋转过程中所有状态的字节代码, 向量 SIFTPSMV初始指 向 PSM 的 状 态 表 , 即SIFTPSMV=0FA00h。
2.2.4 软件流程设计
旋转计数器的控制软件设计主要包括主程序、中断服务程序以及几 个 功 能 模 块 的 子 程序。其中主程序中主要用于系统初始化, 包括对 MSP430FW427 的堆栈、Scan IF 模块、各端口、中断以及 LCD 控制寄存器的设置; 中断子程序主要是对叶轮旋转过程中达到计数值的时候就会触发中断, 实现脉冲 信 号 实 时计 数, 同时通过相应端口的中断使能寄存器判别中断源并设 置 相 应的标志 , 以在主程序中做出相应的响应; 其它功能子程序主要包括电源监控子程序、液晶显示子程序以及键盘操作子程序。
图 2 所示分别是主程序和系统初始化中设置 SCAN IF 模 块 的 程序流程图。
3 结束语
设计中充分利用了 MSP430FW427 芯片内的 SCAN IF 模块, 从而使其在稳定度和精度上达到了新的高度, 对微小流量测量提供了技术支持。该旋转计数器因其有很高的稳定度和精度,可运用到对流量的测量如水表、热表和气表上。
参考文献
[1]Texas Instruments Incorporated。MSP430x4xx Family User'sGuide,2005
[2] 魏小龙.MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京: 北京航天航空大学出版社, 2002
[3] 蔡萍, 赵辉.现代检测技术与系统[M].北京: 高等教育出版社, 2002
