LC振蕩無磁流量表的實驗?zāi)K設(shè)計

王小利， 陳 凱， 李家寶， 王福安， 郭春生

（山東大學(xué)機電與信息工程學(xué)院，山東威海 264209）

0 引 言

嵌入式開發(fā)是電子信息專業(yè)的一個重要領(lǐng)域。隨著現(xiàn)如今我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國對于資源的消耗量也隨之大大增加。但是在地球上不可再生資源是有限的，節(jié)約能源工作也越來越受到了人們的重視［1］，對流量的測量技術(shù)以及測量精度的要求也在逐步提高。水表、氣表是各家各戶必備儀表，其性能高低對能否準(zhǔn)確測量水和天然氣等重要資源有很大的影響［2］。而傳統(tǒng)的流量表多為機械流量表和有磁流量表，其中機械流量表有著抄表不方便且計量不準(zhǔn)確的缺點；而有磁流量表容易因外界的干擾而導(dǎo)致測量精度下降。這些狀況都容易造成國家水利資源的浪費以及經(jīng)濟損失［3］。為彌補以上不足，本文設(shè)計并搭建了無磁流量表實驗?zāi)K，采用無磁傳輸克服了磁干擾等問題，以提高測量的精度和可靠性，滿足了人們對流量測量的要求［4］。

1 流量測量原理

1.1 無磁流量表實驗?zāi)K結(jié)構(gòu)原理

通過機械裝置將流體的流動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對流體流量的測量［5］。設(shè)計的無磁流量表實驗?zāi)K的基礎(chǔ)原理是LC 振蕩時電感遇到導(dǎo)體會產(chǎn)生電渦流從而加速振蕩的衰減過程。在葉輪的軸承上固定一個轉(zhuǎn)子盤，該轉(zhuǎn)子盤一半為金屬一半為空（即非金屬），如圖1 所示。由圖可知，將2 個LC 傳感器固定在表殼上并且讓其成90 度置于轉(zhuǎn)子盤上方，當(dāng)無磁流量表實驗?zāi)K的通道有流體流過時，將會帶動葉輪以及葉輪上方的轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)動，電感就會在轉(zhuǎn)子盤表面的位置發(fā)生交替變化。由電感在轉(zhuǎn)子盤上方的位置決定了諧振回路的阻尼系數(shù)，當(dāng)電感位于區(qū)域a時，回路的阻尼系數(shù)是要高于電感位于b區(qū)域時回路的阻尼系數(shù)。通過測量諧振回路不同的阻尼系數(shù)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)動的測量，進而實現(xiàn)了對流體流量的測量。

圖1 測量旋轉(zhuǎn)運動原理示意圖

1.2 LC振蕩電路工作原理

LC傳感器是由1 個電感及1 個電容所組成的LC諧振電路［6］，使用LC傳感器可檢測LC振蕩電路發(fā)生振蕩時，其電感中磁通量的變化情況，如圖2 所示。由圖可知，當(dāng)LC電路發(fā)生振蕩時，電感線圈中將會產(chǎn)生1 個具有時變特性的磁場，這個磁場通常不會受到外部因素的影響。但當(dāng)轉(zhuǎn)子盤的金屬部分靠近振蕩的電感時，其金屬導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生渦流，同時還產(chǎn)生了磁滯損耗。這兩種效應(yīng)都會造成交變磁場的能量損耗，進而加速了輸出正弦曲線的衰減過程［7］。

圖2 轉(zhuǎn)子盤金屬和非金屬檢測的振蕩信號

無磁流量表實驗?zāi)K中的2 個LC 傳感器通過諧振頻率的變化可用于檢測順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)水龍頭突然關(guān)閉時，會出現(xiàn)水流反彈現(xiàn)象，進而使得無磁流量表實驗?zāi)K中的轉(zhuǎn)子盤在水管中水流速度降到0之前反復(fù)地順時針逆時針轉(zhuǎn)動［8］，如圖3 所示。由圖可知，當(dāng)LC傳感器檢測到金屬部分時，會輸出一個邏輯低電平；當(dāng)LC傳感器檢測到非金屬部分時，會輸出一個邏輯高電平。2 個LC 傳感器相隔90°，因此2 個傳感器輸出信號也總是相差90°，這種設(shè)置會使得傳感器有4 個狀態(tài)：00、01、11 和10，通過這4 個狀態(tài)的順序便可知道旋轉(zhuǎn)方向［9-10］。

圖3 2個LC傳感器的狀態(tài)變化

2 無磁流量表實驗?zāi)K硬件設(shè)計

本文設(shè)計的無磁流量表實驗?zāi)K的系統(tǒng)構(gòu)成框架如圖4 所示。

圖4 無磁流量表實驗?zāi)K系統(tǒng)構(gòu)成框架

2.1 MCU模塊

由于低功耗元器件是改善嵌入式硬件系統(tǒng)的最直接的手段，通過選擇功耗低且性能良好的元器件，將硬件電量的耗電性能做到改善是實現(xiàn)低功耗的第一步［11］。本文采用MSP430FR6989 芯片為16 bit 微控制器，其有著1.8 ～3.6 V 的寬電源電壓范圍，且工作電流為100 μA、待機電流僅為0.4 μA，提供了高達128 KB的非易失性存儲器，高達16 MHz的CPU時鐘頻率，具有內(nèi)部振蕩器、看門狗和斷電復(fù)位的高系統(tǒng)集成水平。

2.2 電源模塊

無磁流量表實驗?zāi)K采用電池供電，并通過系統(tǒng)電源模塊轉(zhuǎn)化成需要的電壓對芯片以及其他模塊進行供電，電源模塊如圖5 所示。

圖5 無磁流量表電源模塊

2.3 通信模塊及紅外接收模塊

為實驗無接觸遠程抄表，本設(shè)計采用了一個待機功耗僅為2.3 uA 并且可以遠程通信的CC1120 模塊［12］，如圖6 所示。并采用二進制脈沖碼形式來表示信號傳輸?shù)募t外接收模塊［13］，以便當(dāng)無磁流量表實驗?zāi)K發(fā)生故障時，維修人員可使用紅外手持設(shè)備與無磁流量表實驗?zāi)K進行紅外通信進而對其進行檢查與維修［14］，紅外接收模塊原理如圖7 所示。

圖6 CC1120模塊端口

圖7 紅外接收模塊電路原理

2.4 LC振蕩模塊

圖8 所示為設(shè)計的2 個LC 振蕩電路組成的LC振蕩模塊，是無磁流量表實驗?zāi)K最核心也是最關(guān)鍵的模塊。

圖8 LC振蕩模塊電路圖

2.5 磁性傳感器模塊

為了檢測內(nèi)部無磁環(huán)境，本設(shè)計采用了磁性傳感器模塊，以此來檢測是否有磁性物質(zhì)靠近，無磁流量表中的磁性傳感器模塊原理如圖9 所示。

圖9 磁性傳感器模塊結(jié)構(gòu)

圖10 所示為無磁流量表實驗?zāi)K的印制電路板，用于直觀展示無磁流量表實驗?zāi)K的電路組成結(jié)構(gòu)。

圖10 無磁流量表實驗?zāi)K印制電路板

3 無磁流量表實驗?zāi)K軟件設(shè)計

無磁流量表實驗?zāi)K的軟件設(shè)計流程如圖11 所示。其主要任務(wù)如下：

圖11 無磁流量表實驗?zāi)K軟件設(shè)計流程

（1）首先進行初始化設(shè)置，然后對無磁流量表實驗?zāi)K是否進行過出廠校準(zhǔn)進行判斷，若已進行出廠校準(zhǔn)，繼而運行RTOS 任務(wù)，RTOS 任務(wù)包含了Wmbus通信任務(wù)、紅外命令任務(wù)、電壓采集任務(wù)、報警任務(wù)以及看門狗任務(wù)。

（2）當(dāng)執(zhí)行Wmbus通信任務(wù)時，首先對其是否需要發(fā)送數(shù)據(jù)進行判斷，若需要，則進行長短幀方式的判定以及發(fā)送，直到任務(wù)結(jié)束時為止，若不需要，則任務(wù)結(jié)束。

（3）當(dāng)執(zhí)行紅外命令任務(wù)時，需要先接收紅外命令，然后對格式的正確性進行判斷，若正確，則執(zhí)行命令，直到任務(wù)結(jié)束時為止，若不正確，則任務(wù)結(jié)束。

（4）當(dāng)執(zhí)行電壓采集任務(wù)時，首先啟動ADC 采集，然后濾波計算電壓值，直到任務(wù)結(jié)束時為止。

（5）當(dāng)執(zhí)行校準(zhǔn)任務(wù)時，首先判斷是否到達校準(zhǔn)時間，若已到達，則進行ESI 校準(zhǔn)，直到任務(wù)結(jié)束時為止，若未到達，則任務(wù)結(jié)束。

（6）當(dāng)執(zhí)行報警任務(wù)時，首先判斷是否到達報警閾值，若已到達，則進行報警廣播，直到任務(wù)結(jié)束時為止，若未到達，則任務(wù)結(jié)束。

（7）當(dāng)執(zhí)行看門狗任務(wù)時，首先進行是否喂狗的判斷，若未喂狗，則程序重新開始執(zhí)行，若已喂狗，則任務(wù)結(jié)束。

4 測試以及數(shù)據(jù)分析

本文使用風(fēng)扇勻速吹管路和風(fēng)扇非勻速吹管路這兩種方法來分別模擬水管中勻速流水和水管中水流不穩(wěn)定（如水龍頭急停、倒吸）的這兩種情況以測試該無磁流量表實驗?zāi)K的性能，3 次實驗測試數(shù)據(jù)如表1所示，測試過程如圖12 所示。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖12 測試過程

由表1 可見，所設(shè)計的無磁流量表實驗?zāi)K通過W-mbus無線抄表［15］通信方式所獲取的差值轉(zhuǎn)數(shù)與機械碼表的差值轉(zhuǎn)數(shù)一致，且數(shù)據(jù)精度達到了0.001 m3，證明了所設(shè)計的無磁流量表實驗?zāi)K測量精度高，可滿足人們對流量測量精度的要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計并搭建了基于LC 振蕩進行流量測量的無磁流量表實驗?zāi)K。通過測試表明：該模塊具有高精度、低功耗、無磁性、無雜質(zhì)吸附等優(yōu)點，同時設(shè)計的水表、熱表以及天然氣表的流量具有遠程采集功能。本文所設(shè)計的無磁流量表實驗?zāi)K不但對于嵌入式系統(tǒng)的綜合實驗設(shè)計具有重要教學(xué)意義，還可廣泛應(yīng)用于居民用水量監(jiān)測以及其他流體的流量測量領(lǐng)域，更對國家智能水利的建設(shè)以及水利部所提出的加強水資源管理信息化的政策具有十分重要的意義。