无磁水表设计

  1 MSP430FW42x单片机介绍

    MSP430FW42x系列单片机是TI公司针对电子式流量与旋转运动检测*新开发的专用MCU芯片，它将超低功耗MCU、旋转扫描接口(SCAN IF)和液晶显示LCD驱动模块完美地结合在一起。该器件的超低功耗结构和流量检测模块不仅延长了电池的寿命，同时还提高了仪表的精度与性能。MSP430FW42x的典型应用包括热量仪表、热水和冷水仪表、气体仪表和工业流量计、风力计以及其他旋转检测应用。

    2 流量测量的原理

    2.1 基本原理

    一个由叶轮或螺旋齿轮构成的机械装置把流体流动转换为转动，这种转换能够实现对流体流量的测量。

    把一个谐振回路中的电感置于叶轮的上方可以检测到叶轮的转动，叶轮的一半敷有铜或其他有阻尼性的金属。由电感在叶轮上方的位置决定谐振回路的阻尼系数，电感位于区域a时，回路的阻尼系数高于电感位于区域b时。通过测量谐振回路的不同阻尼系数，可以实现对转动的测量。图1为测量原理示意图。

    

    2.2 振荡测试法

    图2给出了2个传感器位于不同区域时的振荡波形，MSP430FW42x采用振荡测试法把不同的衰减幅度转换为数字信号进行测量。这种方法把图2中的传感器1的减幅系数表示为L，传感器2的减幅系数表示为H。

     

    2．3 信号处理

    随着叶轮转动，传感器l和传感器2的信号随之不断改变。图3给出了两个传感器的状态变化，如果知道前一个状态和新的状态，则同时可以得出旋转的方向。增计数：由状态d变化到状态a；减计数：由状态b变化到状态a。

    3 采用MSP430FW427设计的无磁水表

     

    采用MSP430FW427设计水表具有非常简单的电路结构，流量测量部分由MSP430FW427内置SCAN IF模块完成。图4为采用MSP430FW427设计的无磁水表系统原理框图。

     

     

    4 SCAN IF模块设计

    SCAN IF模块能够在低功耗下自动检测线性或旋转的运动。SCAN IF模块如图5所示，由3部分组成：模拟前端(AFE)、信号处理状态机(PSM)和定时状态机(TSM)。其中模拟前端激励传感器，检测信号并把信号转换为数字形式；这些数字信号进入信号处理状态机，信号处理状态机根据这些信号分析并计数旋转运动；定时状态机控制模拟前端和信号处理状态机。

    在软件开发过程中有关SCAN IF模块的设置如下：

    (1)SCAN IF的基本设置

    ◇设置SCAN IF的控制寄存器SIFCTLl、SIFCTL2、SIFCTL3、SIFCTL4和SIFCTL5；
    ◇定义P6．x／SIFCH．x引脚为SCANIF模块功能；
    ◇打开“VCC／2”发生器；
    ◇时钟源选择；
    ◇信号状态处理机。

    (2)规划时间状态机

    SCAN IF的时间状态机用来确定测量序列，每一步所需的时问可以精确地调整。通常的测量序列为：确定空闲状态；激励LC传感器；延时一定的时间，此时测量可以进行；打开DAC和比较器；测量；停止。

    (3)定义DAC的磁滞门限

    DAC为每个传感器的阻尼和非阻尼振荡器提供磁滞门限，通过观察每个传感器的振荡曲线和DAC的电压，调整DAC的磁滞门限。

    (4)信号处理状态机

    信号处理状态机足一个可设计的状态机，它通过存储在MSP430存储器中的状态表得出转速和方向，向量SIFTPSMV初始指向PSM的状态表。

    5 SCAN IF模块初始化程序示例

    

    6 结语

    本文介绍了采用LC振荡测试法实现流量测量的工作原理，并根据此原理成功设计了基于MSP430FW427的无磁水表。由于SCAN IF模块的设置非常灵活，设计人员**可以根据自己的实际情况，对其进行合理的设置。MSP430FW427单片机所具有的其他集成外设以及超低功耗运行能力也使我们能够开发出功能**的仪表。