摘 要：設計了一種基于MSP430系列超低功耗系列單片機的渦輪流量計，通過無線模塊實現主從控制器之間的數據和命令傳送，通信時采用了“主－從”的方案。從控制器將傳感器采集到的流量信號傳送給主控制器，主控制器發送命令控制從控制器的測量、閥門的開、關等動作，主控制器通過CDMA網絡傳送數據給控制室。流量計結構簡單、輕巧、反應靈敏、安裝維修方便，不需要鋪設通信電纜。

關鍵字：渦輪流量計 CDMA 超低功耗 無線數傳

0 引言

  流量測量在工業生產中有非常重要的地位，流量測量儀表的研究和開發應用有著深遠的意義。渦輪流量計是流量測量儀表中重要的儀表之一，該流量計具有測量范圍寬、重復性好、壓力損失小等特點，應用于污水、化工、醫藥、造紙、食品等各個行業。

  本文設計的渦輪流量計以超低功耗單片機MSP430為核心，利用MSP430單片機的片內定時器，捕捉渦輪傳感器由于液體流過時葉片轉動產生的脈沖信號，對傳感器的數據進行處理，完成了對流量信號的測量，并且能夠通過設定閥門開關的上下限后，系統通過對電機的控制驅動閥門的動作。同時，通過無線模塊實現主從控制器之間的數據和命令傳送，通信采用“主－從”方案，從控制器將傳感器采集到的流量信號傳送給主控制器，主控制器發送命令控制從控制器的測量、閥門的開、關等動作，使控制系統更加智能。

1 系統介紹

  該渦輪流量計不僅可以實現對瞬時流量、累積流量的測量，而且還可以通過設定一定數值的流量來控制閥門的動作。在設計中，采用了主控制板和從控制板，主處理器的主要工作是發送命令控制從處理器中閥門的動作，另一方面也通過CDMA網絡將數據傳送給遠距離的控制室進行進一步的數據處理，同時也可以接收來自控制室的命令。而從處理器主要是控制傳感器模塊定時檢測流量，在液晶上顯示并返回流量值給主處理器。只有主、從處理器結合起來，才可以協調地控制傳感器檢測，閥門的開或關，無線模塊之間通信以及與控制室的上位機的通信。系統的通信原理框圖如圖1所示。

  在選用微處理器時，考慮到流量計應用在工作現場的管道中，取換電池不方便，采用MSP430低功耗單片機作為其核心微處理器。充分應用單片機的低功耗特性，采用休眠模式，降低用電量，可以減少換電池的次數。由于主控制器需要兩個外接通信模塊，需要較大的數據存儲空間，選用了F149；從處理器需要的存儲空間相對要小一些，選用的是F147。

  傳感器選用LWGY型防爆傳感器，可在有爆炸危險的環境中使用。流體流經儀表時，推動表內葉輪旋轉，然后通過葉輪與信號檢測器之間的磁耦合，將流體的流速轉換為電脈沖信號輸出，通過信號調理電路放大整形后輸出給單片機，由定時器計數。流量和脈沖信號頻率的換算部分，均由軟件處理。

  顯示部分選用的液晶型號是12232。它是一種圖形點陣液晶顯示器，帶中文字庫驅動，背光可通過電位器調節。LCD的*行顯示的是4位瞬時流量，第二行顯示的是8位累積流量。

  主從控制器的菜單部分都由3個按鍵組成，以實現閥門的上下限，流量計各功能的設置及轉換。

2 系統硬件設計

2.1 主控制器部分

  系統采用TI公司的MSP430F149單片機。該單片機有60KBFLASH，2KBRAM，具有強大的數據處理能力，具有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器A，具有7個捕獲/比較寄存器的位數可設置的定時器B，USRT以及ADC等片內外設。

2.2 無線通信模塊

  無線收發模塊使用的是西安達泰電子的DTD462。考慮到由于流量計的工作場所，系統中考慮增加無線收發模塊。一般而言，渦輪流量計都是安裝在位于一些危險的無人看守的工作現場的密封管中。從控制器將在管道中測得的流量數據通過無線模塊傳送給主控制器，再通過CDMA模塊發給遠距離的控制室。避免了只使用一個控制器，傳送給控制室時由于CDMA網絡覆蓋不到而沒有信號的現象發生。調試時，通信距離在500m以內，可以保持很穩定的數據傳輸。

  無線模塊的波特率設置為9600b/s，則兩個相鄰字節之間的時間只有1ms左右。因此數據幀接收過程要求較高的實時響應。一般通信規約都要求請求幀發出后0.1s內返回數據幀，所以數據幀處理對實時性要求并不高。這種情況可以利用串口中斷將數據存入FIFO內，在數據幀接收完畢后置相應的標志位。在主循環內查詢到請求幀標志位后解析并返回數據。這要求主循環周期小于0.1s。通信接收過程依靠中斷，相鄰兩次中斷僅隔1ms的時間。在中斷內將接收到數據壓入FIFO中僅需數十微秒，因此1ms時間足夠，保證不會漏掉數據。按10個字節計算數據發送過程若利用FIFO，僅需數百微秒，若采用查詢等待方法依次發送數據，需要10ms時間。消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。在程序中設置一個幀計時器，當線路上有數據時就刷新該計時器，線路空閑時則停止刷新，計時時間達到3.5幀時計時器被軟件清除。

3 系統的軟件設計

  系統的整體流程圖如圖4所示，CPU休眠在LPM3模式下，每隔62.5ms被Basic Timer喚醒一次處理主循環內的任務，以滿足服務周期的要求。串口接收采用中斷加緩沖區機制，當收完一個有效的請求幀后，中斷內置標志。當該標志被主循環內的通信任務函數查詢到后，清除標志并返回流量數據。

  在實現將傳感器測得的數據返回給主控制板的功能時，采用了ModBus通信協議，將流量傳感器模塊看作是從控制器（下位機），將另外一塊看作是主控制器（上位機），上位機與下位機通過查詢－回復方式進行，實現兩者之間的通信。    

  依據該方式，將渦輪流量傳感器模塊加入RS485通信接口，并連接一個無線收發模塊，與主控制板的收發模塊對應，通過ModBus通信協議，將發送、查詢、回應、處理等多環節編寫為程序，實現軟硬件結合，完成無線數據傳輸任務。

  通信只能由上位機發起，下位機模塊接收到查詢指令后根據的格式返回對應的數據。下位機模塊在沒有收到查詢指令時處于休眠狀態，收到查詢數據后，啟動數據采集，完成將數據進行封裝發往上位機。

4 結語

  本文采用的流量計增加了CDMA無線通信功能，通過CDMA數據業務功能實現了流量計的數據遠程抄取、參數設置以及遠程控制等功能。通過CDMA把流量計內的數據匯集到服務器，系統管理軟件根據收到的實時數據，能快速生成流量計工礦的統計分析，實現流量計工況的實時遠程監控。并且系統由于包括主控制板和從控制板，避免了只使用一個控制器，傳送給控制室時由于CDMA網絡覆蓋不到而沒有信號的現象發生。

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