一种电池供电的数字涡街/旋进旋涡流量计

摘要

一种电池供电的数字涡街/旋进旋涡流量计包括压电传感器、单运放差动电荷放大器、电压放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、整形电路、单片机、人机接口电路、两级电压转换电路、可控恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和16位模数转换器。系统的电源设计为两级转换。采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换，实现周期图谱分析，确定涡街/旋进旋涡信号的频率值；设计一组硬件带通滤波器，根据频谱分析结果来选择具体的带通滤波器，进行最佳滤波；未选通的带通滤波器中的运算放大器处于未使能状态。温度和压力补偿，设置为间歇采样模式。在采样的间隙，利用单刀双掷开关切断恒流源的上位端电压供给。

主权项

一种电池供电的数字涡街/旋进旋涡流量计包括压电传感器、单运放差动电荷放大器、限幅电压放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、整形电路、单片机、人机接口电路、两级电压转换电路、可控恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和单片机自带的模数转换器；其特征在于：从压电传感器输出的微弱电荷信号，首先经过单运放差动电荷放大器将其转变为电压信号，在经过一级无源低通滤波后，又经过一级限幅电压放大器；放大后的信号经过低通滤波器，滤除信号中的高频干扰，然后由电压跟随器输出2路信号；第1路信号经过分压、跟随电路后，被单片机自带的模数转换器采样和转换，变成数字量；单片机对信号进行少点数的快速傅里叶变换，做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道，使能相应通道的运算放大器；第2路信号送至带通滤波器组，进行滤波；由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号；把经过带通滤波器组的输出信号送至由比较器组成的整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，采用捕获方式，利用多周期等精度方法进行频率计数；根据计数结果，单片机将流量信息显示在液晶显示器上；系统的电源设计为两级电压转换电路，在第一级转换过程中，依据降压型直流‑直流变换器与低压线性稳压器在不同情况下转换效率各有优劣，设计逻辑判断选择电路；当电源电压高于3.3V或者单片机完全运行时，降压型直流‑直流变换器的转换效率要高于低压线性稳压器，选用降压型直流‑直流变换器进行转换；反之，则选用低压线性稳压器进行转换；在第二级转换过程中，利用低压线性稳压器降低模拟部分的供电电压，节省功耗；其中，单片机采用MSP430F5418型号，使用单片机的LPM3低功耗模式，通过设置单片机周期性地进入休眠模式，每次休眠3秒，从而降低系统功耗；因为计算快速傅里叶变换时单片机功耗最大，考虑到快速傅里叶变换计算只是对流量信号的频率估算，并不需要一直计算，因此不是每次循环都进行快速傅里叶变换计算，而是30s计算一次；具体过程是，系统上电初始化以后，立即进行第一次快速傅里叶变换计算，选择相应的带通滤波器，然后设置单片机进入LPM3低功耗模式，定时3秒以后，单片机退出LPM3低功耗模式，重新回到正常工作模式，继续执行以下程序，一次循环结束以后，通过判断是否休眠了10次，如果休眠次数没有达到10次，那么单片机不进行快速傅里叶变换计算，直接进入LPM3低功耗模式，如果休眠达到了10次，设置标志，单片机进行快速傅里叶变换计算，重新选择带通滤波器；考虑到温度、压力随时间的变化比较缓慢，并不是每次循环都进行温度和压力补偿，而是定时进行温度和压力补偿，即系统的温度和压力补偿模块，采用间歇采样模式，在采样的间隙，利用单刀双掷开关从电压上位端切断可控恒流源供给，从而降低系统功耗。