基于多處理器技術(shù)的渦街流量計

　　渦街流量計因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、無可動部件、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)渦街流量計采用模擬信號處理方法，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)時性、穩(wěn)定性、可靠性的要求。

　　針對渦街流量計在低流速測量和信號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。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計從抗干擾、低功耗和帶總線接口三個角度出發(fā)，主要分為四大部分：模擬信號預(yù)處理電路、控制及傳輸電路、數(shù)字信號處理電路和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，來解決渦街流量計的抗干擾問題，提高系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。選用同類產(chǎn)品中超低功耗型號的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，為渦街流量計的總線接口提供了廉價的配置方案。整個系統(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

　　2．1 模擬信號預(yù)處理電路

　　模擬信號預(yù)處理電路包括電荷放大器、差動放大器和抗混迭濾波器。模擬信號預(yù)處理電路通過以運(yùn)算放大器為主體的模擬電路對采集到的電荷信號進(jìn)行三方面的處理：通過輸入級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轉(zhuǎn)換為電壓信號；通過差動放大器和其它級電路的放大功能實(shí)現(xiàn)交變信號的幅值放大；通過抗混迭濾波器實(shí)現(xiàn)信號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模擬時序、LCD顯示及對外通信的功能。這種強(qiáng)大的控制功能是DSF嘸法替代的。

　　2．3 數(shù)字信號處理電路

　　數(shù)字信號處理電路以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)大計算量和實(shí)時性的要求。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接收到了渦街信號的數(shù)據(jù)后，采用基于DFT的頻率估計法對信號進(jìn)行數(shù)字信號處理，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中沒有程序存儲器)，在系統(tǒng)啟動時，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DSP，使DSP開始正常的信號處理，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。