摘  要：渦輪流量計被廣泛應用于過程測量和控制儀表。但是，渦輪流量計容易受被測流體粘度的干擾，導致現(xiàn)場測量精度不高、量程比受限。針對渦輪流量傳感器的非線性特性，本文研制了基于 ＭＳＰ４３０的渦輪流量計實時數字信號處理系統(tǒng)，將傳感器測量到的數據經過線性插值法處理，然后存儲在帶電可擦可編程只讀存儲器中，實現(xiàn)了對渦輪傳感器的非線性校正，從而渦輪流量計的測量范圍明顯地得到擴大。同時該儀表還具有４～２０ｍＡ 電流輸出、頻率輸出以及ＲＳ４８５通信功能，便于和工業(yè)儀表兼容。

圖２ 各模式轉換框圖

  由圖２可知，ＭＳＰ４３０在不同模式下的功耗相差很大，較低功耗０．１_μＡ，在活動模式下的功耗取決于系統(tǒng)的工作頻率與供電電壓，特別是系統(tǒng)頻率。當系統(tǒng)主時鐘頻率為１ＭＨｚ時，工作電壓為３Ｖ，電流消耗為３７０_μＡ，根據式（４）和（５）可計算出，當系統(tǒng)工作頻率為４ＭＨｚ，工作電壓３．３Ｖ，電流消耗相當于１．６９ｍＡ。因此，系統(tǒng)在運行時，根據渦輪信號的變換率，選擇不同的工作模式，以降低系統(tǒng)的功耗。


  ３．２ ４～２０ｍＡ輸出和電源供電模塊功耗問題一直是４～２０ｍＡ 輸出電路設計的難點之一。解決這一問題的主要方法是信號線與電源線復用。這樣功耗問題得以保證，并且為儀表兩線制工作提供足夠的電流。但經過實際測試，當單片機處于高頻時鐘工作，并且所有外設全部工作，其電流消耗超過４ｍＡ。為了解決這樣的問題，通過ＤＣ／ＤＣ對復用線進行分流，還解決了數字部分的供電問題^{［１３－１４］}。此外，流量計的硬件電路設計均采用低功耗的器件，這也是降低整體功耗的方法之一。
   電流環(huán)輸出部分的核心是 ＴＩ公司的ＸＴＲ１１５電流環(huán)芯片，電路如圖３所示。引腳３被看作模擬地，輸入端電阻Ｒ_ｉｎ為１０ｋ_Ω，Ｃ 為降噪電容，晶體管的選型主要考慮 ＮＰＮ型，沖擊電壓，電流以及功耗，鑒于會有溫度傳導效應，***好不使用貼片的封裝，外接晶體三極管 Ｑ１ 只要選用Ｖｃｅｏ＞３６Ｖ^，Ｉｃｍａｘ＞３２ｍＡ^，Ｐｏｕｔｍａｘ＞１．２Ｗ^的 ＮＰＮ^三極管即可，可以考慮下面的一些型號：ＴＩＰ２９Ｃ，２ＳＣ１８４６。
   該電路的工作原理是當ＡＤ７３９１數模轉換芯片的６腳輸出電壓 信 號 經 過 Ｒ２ 轉 換 成 ４０～２００_μＡ 的 輸 入 電 流^，ＸＴＲ１１５內部有一個１００增益的運放，將輸入電流放大為４～２０ｍＡ^的電流。
  外部晶體管 Ｑ１主要作為一個電流輸出源，如果使用２４Ｖ和２０ｍＡ 的電流輸出，此晶體管的功耗為０．４８Ｗ，ＸＴＲ１１５通過采用外部的晶體管來避免產生溫飄，所以在安裝晶體管的時候應該避免和模擬部分的電路離的太近，包括ＸＴＲ１１５。在實際電路中，還需給功率管裝上合適的散熱器。

圖

３

電流環(huán)輸出電路

ＸＴＲ１１５

允許各種電壓保護方法，圖

３

顯示了一個二

證明，即使電源電壓高達

，也損壞不了

。

５０Ｖ

ＸＴＲ１１５

極管電橋電路，四個

１Ｎ４１４８

型開關二極管構成這樣的保

鑒于整個系統(tǒng)自身的電流消耗不能超過

，所以

４ｍＡ

護電路，電路可以正常運行，甚至當電壓連接線是接反的，  通過

／

對復用線進行分流， ／

的

輸入電壓為

ＤＣＤＣ

ＤＣＤＣ

它也能防止負電壓流入

Ｖ＋

端。因為橋式電路中無論何

，輸出電壓為

，所以，當

／

效率為

８０％

以上

２４Ｖ

５Ｖ

ＤＣＤＣ

時都會導通兩只二極管，于是，在計算環(huán)路電壓時，去掉兩

時，從電流環(huán)上取

１ｍＡ

電流，由公式（）計算出提供給數

６

只硅二極管的正向壓降

（約為

）是理所應當的，由式

字電路的電流為

，這樣不僅解決了電流環(huán)上的電

１．４Ｖ

３．８４ｍＡ

（）確定。

流大于

４ｍＡ

的問題，而且解決了電路中芯片的供電問題。

５

ＶＬＯＯＰ ＝２４－Ｉ０ＲＬ －１．４

（）

· ·

·

（）

５

Ｖｉ  Ｉｉ

η＝Ｖ０  Ｉ０

６

為了 防 止 瞬 態(tài) 電 壓 過 高，

公 司 生 產 的

由于流量儀表采用二線制

２４Ｖ

環(huán)

路供電，單片機

Ｍｏｔｏｒｏｌａ

Ｐ６ＫＥ３９Ａ

型抑制器的各項參數都符合要求，其閾值電壓

供電，信號調理電路中運放

ＬＭ２５８

需要

５Ｖ

電源供

３．３Ｖ

為

，鉗位時間僅為

，其性能是齊納穩(wěn)壓管所不及

電。為了降低電路功耗，使用

ＴＩ

公司的電壓轉換芯片

３９Ｖ

１ｎｓ

的。只要環(huán)路電壓高于

３９Ｖ

就會被鉗位。

通過測試數據

，將

２４Ｖ

轉換為

，用芯片

ＴＰＳ７９７３３

將

５Ｖ

轉

ＬＭ３１０３

５Ｖ

換為

，***后用芯片

ＲＥＦ３０２０

將

３．３Ｖ

轉換為

２．０４８

（

）／（

＋Ｒ１０

）

（）

３．３Ｖ

Ｖｏｕｔ ＝０．６×

Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０

Ｒ９

７

，作為

／

轉換芯片的參考電壓。

芯片輸出電

Ｖｏｕｔ

為

，

、

分別選為

１０ｋΩ

和

，根據式

Ｖ

ＤＡ

ＬＭ３１０３

５ＶＲ８ Ｒ９

１．３ｋΩ

壓由外部電阻

Ｒ８

、

和

Ｒ１２

決定。調整輸出電壓公式為：

（）計算出

Ｒ１０

約為

。

轉

５Ｖ

電路如圖

４

所示。

Ｒ９

７

６９Ω ２４Ｖ

換為

，***后用芯片

ＲＥＦ３０２０

將

３．３Ｖ

轉換為

２．０４８

（

）／（

＋Ｒ１０

）

（）

３．３Ｖ

Ｖｏｕｔ ＝０．６×

Ｒ８ ＋Ｒ９ ＋Ｒ１０

Ｒ９

７

，作為

／

轉換芯片的參考電壓。

芯片輸出電

Ｖｏｕｔ

為

，

、

分別選為

１０ｋΩ

和

，根據式

Ｖ

ＤＡ

ＬＭ３１０３

５ＶＲ８ Ｒ９

１．３ｋΩ

壓由外部電阻

Ｒ８

、

和

Ｒ１２

決定。調整輸出電壓公式為：

（）計算出

Ｒ１０

約為

。

轉

５Ｖ

電路如圖

４

所示。

Ｒ９

７

６９Ω ２４Ｖ