基于MSP430FW427的無磁水表設計

1 MSP430FW42x單片機介紹
   
MSP430FW42x系列單片機是TI公司針對電子式流量與旋轉(zhuǎn)運動檢測最新開發(fā)的專用MCU芯片，它將超低功耗MCU、旋轉(zhuǎn)掃描接口(SCAN IF)和液晶顯示LCD驅(qū)動模塊完美地結(jié)合在一起。該器件的超低功耗結(jié)構(gòu)和流量檢測模塊不僅延長了電池的壽命，同時還提高了儀表的精度與性能。MSP430FW42x的典型應用包括熱量儀表、熱水和冷水儀表、氣體儀表和工業(yè)流量計、風力計以及其他旋轉(zhuǎn)檢測應用。

2 流量測量的原理

2.1 基本原理
  
一個由葉輪或螺旋齒輪構(gòu)成的機械裝置把流體流動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)對流體流量的測量。

把一個諧振回路中的電感置于葉輪的上方可以檢測到葉輪的轉(zhuǎn)動，葉輪的一半敷有銅或其他有阻尼性的金屬。由電感在葉輪上方的位置決定諧振回路的阻尼系數(shù)，電感位于區(qū)域a時，回路的阻尼系數(shù)高于電感位于區(qū)域b時。通過測量諧振回路的不同阻尼系數(shù)，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動的測量。圖1為測量原理示意圖。

2.2 振蕩測試法

圖2給出了2個傳感器位于不同區(qū)域時的振蕩波形，MSP430FW42x采用振蕩測試法把不同的衰減幅度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行測量。這種方法把圖2中的傳感器1的減幅系數(shù)表示為L，傳感器2的減幅系數(shù)表示為H。

2．3 信號處理
  
隨著葉輪轉(zhuǎn)動，傳感器l和傳感器2的信號隨之不斷改變。圖3給出了兩個傳感器的狀態(tài)變化，如果知道前一個狀態(tài)和新的狀態(tài)，則同時可以得出旋轉(zhuǎn)的方向。增計數(shù)：由狀態(tài)d變化到狀態(tài)a；減計數(shù)：由狀態(tài)b變化到狀態(tài)a。

3 采用MSP430FW427設計的無磁水表
   
采用MSP430FW427設計水表具有非常簡單的電路結(jié)構(gòu)，流量測量部分由MSP430FW427內(nèi)置SCAN IF模塊完成。圖4為采用MSP430FW427設計的無磁水表系統(tǒng)原理框圖。

4 SCAN IF模塊設計
   
SCAN IF模塊能夠在低功耗下自動檢測線性或旋轉(zhuǎn)的運動。SCAN IF模塊如圖5所示，由3部分組成：模擬前端(AFE)、信號處理狀態(tài)機(PSM)和定時狀態(tài)機(TSM)。其中模擬前端激勵傳感器，檢測信號并把信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；這些數(shù)字信號進入信號處理狀態(tài)機，信號處理狀態(tài)機根據(jù)這些信號分析并計數(shù)旋轉(zhuǎn)運動；定時狀態(tài)機控制模擬前端和信號處理狀態(tài)機。

在軟件開發(fā)過程中有關(guān)SCAN IF模塊的設置如下：

(1)SCAN IF的基本設置
    
 ◇設置SCAN IF的控制寄存器SIFCTLl、SIFCTL2、SIFCTL3、SIFCTL4和SIFCTL5；
    
 ◇定義P6．x／SIFCH．x引腳為SCANIF模塊功能；
    
◇打開“VCC／2”發(fā)生器；
    
◇時鐘源選擇；
    
◇信號狀態(tài)處理機。

(2)規(guī)劃時間狀態(tài)機
  
SCAN IF的時間狀態(tài)機用來確定測量序列，每一步所需的時問可以精確地調(diào)整。通常的測量序列為：確定空閑狀態(tài)；激勵LC傳感器；延時一定的時間，此時測量可以進行；打開DAC和比較器；測量；停止。

(3)定義DAC的磁滯門限
  
DAC為每個傳感器的阻尼和非阻尼振蕩器提供磁滯門限，通過觀察每個傳感器的振蕩曲線和DAC的電壓，調(diào)整DAC的磁滯門限。

(4)信號處理狀態(tài)機
  
信號處理狀態(tài)機足一個可設計的狀態(tài)機，它通過存儲在MSP430存儲器中的狀態(tài)表得出轉(zhuǎn)速和方向，向量SIFTPSMV初始指向PSM的狀態(tài)表。

5 SCAN IF模塊初始化程序示例

6 結(jié)語
   
本文介紹了采用LC振蕩測試法實現(xiàn)流量測量的工作原理，并根據(jù)此原理成功設計了基于MSP430FW427的無磁水表。由于SCAN IF模塊的設置非常靈活，設計人員完全可以根據(jù)自己的實際情況，對其進行合理的設置。MSP430FW427單片機所具有的其他集成外設以及超低功耗運行能力也使我們能夠開發(fā)出功能先進的儀表。