基于輪換瞬時驅動的光電式低功耗流量測量方法

王選擇，劉武平，程 斌，楊練根，翟中生

(1.湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北武漢 430068； 2.湖北省現(xiàn)代制造質量工程重點實驗室，湖北武漢 430068)

0 引言

準確的流量測量是醫(yī)療、能源、石油化工等許多工業(yè)領域的重要前提[1]。渦輪流量計具有精度高、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已成為流量測量儀器的重要組成部分[2-3]。

渦輪流量計主要由殼體、前導向架組件、葉輪組件、后導向架組件、壓緊圈和帶信號放大器的磁電感應轉換器組成[4]。被測流體產(chǎn)生的沖擊力使得渦輪葉片獲得轉動力矩[5]，理論和實驗己證明，在一定條件下(適當流量范圍、適當被測流體黏度)葉輪旋轉角速度正比于流體流速，因此可通過測量葉輪的轉速間接得知被測流體體積流量[6]。根據(jù)渦輪傳感器的類型，渦輪流量計主要分為電磁式渦輪流量計和光纖渦輪流量計。電磁式傳感器不僅易受強電磁的干擾，無法在惡劣工況下使用，而且當渦輪轉子轉速較低時，葉片會產(chǎn)生磁阻，導致電磁式流量傳感器的量程比不會太大[7]。光電式傳感器靈敏度高，抗電磁干擾能力強，信號處理電路簡單，具有較高的可靠性和精度[8]。光纖渦輪流量計屬于反射脈沖式流量計[9]，通過拋光處理后的渦輪葉片或涂抹粘貼在渦輪葉片表面的反光涂層及反光鏡片的反射，實現(xiàn)光電信號的接收。由于光纖渦輪流量計在傳遞光電信號過程中，信號的傳播介質為所測流體，所以光纖渦輪流量計只能測量透明度高的氣體或者液體的流量。

采用光電式的測量方法可以消除空間磁場干擾對流量測量的影響[10]。傳統(tǒng)的光電式測量采用持續(xù)驅動發(fā)光二極管[11]，并利用2個光電管接收光電信號的方式實現(xiàn)轉角的測量。這種持續(xù)驅動發(fā)光二極管供電的方式，導致整個測量系統(tǒng)功耗過大，難以滿足低功耗的設計要求。

基于以上不足，本文在將傳統(tǒng)電磁式的傳感器改成了光電式的基礎上，采用雙發(fā)光二極管與單光電管接收方式，并設計輪換瞬時驅動發(fā)光方法，降低系統(tǒng)測量功耗。本文從瞬時光電信號處理與低功耗節(jié)能角度，描述了以MSP430單片機為主控芯片的光電式流量測量系統(tǒng)的原理、結構及實現(xiàn)方法。

1 光電式流量測量系統(tǒng)

1.1 測量系統(tǒng)結構

根據(jù)紅外光線在空氣中的傳播特性，采用反射式的反光轉盤，設計光電式流量測量系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊和反光轉盤構成。紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光線經(jīng)反光轉盤反射后被紅外接收管接收。采用2個紅外發(fā)射管、1個接收管的發(fā)光模式，2個發(fā)射管中心與接收管中心的夾角為90°，且光電管與反光轉盤具有合適的間隙。反光轉盤設計為半白半黑的模式，其中白板和黑板的反光材質不同，使得紅外光線只能通過白板反射到接收管，反光轉盤和渦輪主軸相連隨渦輪主軸同步轉動，通過測量轉盤的轉速即可得到渦輪的轉速。由于光電管的位置是固定不變的，所以紅外光線照射路徑及其對應的反射區(qū)域也是固定不變的，轉盤在旋轉過程中，反射區(qū)域內轉盤表面狀態(tài)是周期性變化的，因此只要得到反射區(qū)域對應轉盤表面狀態(tài)的改變量，就能求得轉盤的轉速，其中反射區(qū)域1和反射區(qū)域2對應的轉盤狀態(tài)分別通過接收到的發(fā)射管1和發(fā)射管2處的信號得到。

當轉盤轉到圖1位置時，反射區(qū)域1處轉盤的狀態(tài)為黑板，反射區(qū)域2處轉盤的狀態(tài)為白板。當轉盤由圖1位置順時針旋轉90°后，反射區(qū)域1和反射區(qū)域2處轉盤的狀態(tài)都為黑板，依次類推，轉盤每旋轉90°時，反射區(qū)域1和反射區(qū)域2對應轉盤狀態(tài)的組合就會改變一次，所以此光電式測量原理是可行的。

1.2 輪流瞬時紅外發(fā)射電路的設計及分析

由于采用的是雙紅外發(fā)射管、單接收管的發(fā)光模式，接收管在任意時刻只能接收到一個發(fā)射管處的信號，因此紅外發(fā)射管需要采取輪流發(fā)光的模式?？紤]到整個光電式流量測量系統(tǒng)的主要功耗為紅外發(fā)射管的發(fā)光功耗，傳統(tǒng)持續(xù)驅動紅外發(fā)射管供電的方式，導致整個測量系統(tǒng)功耗過大，難以滿足低功耗的設計要求，需要將紅外發(fā)射管的激勵方式改為瞬時激勵。

紅外發(fā)射管為電流型驅動元器件，所以需要得到瞬時電流激勵。輪流瞬時紅外發(fā)射電路如圖2所示，MSP430單片機輸出PWM脈沖信號，該信號經(jīng)過LRC環(huán)節(jié)后在電感上形成如圖3所示的周期性正負瞬時電流激勵，激勵的寬度和幅值由電阻電容的乘積RC以及電感L決定，發(fā)射管D1和D2分別在激勵的上升沿和下降沿發(fā)射紅外光。由于發(fā)射管D1和D2通過反射區(qū)域1和反射區(qū)域2將信號傳遞給接收管，所以在激勵的上升沿和下降沿光電管分別接收到反射區(qū)域1和反射區(qū)域2處轉盤狀態(tài)的信息，通過記錄轉盤狀態(tài)信息的改變量即可求出轉盤的轉數(shù)和方向。

圖2 紅外發(fā)射電路

圖3 輪流瞬時電流激勵

1.3 紅外接收電路的設計及分析

紅外信號經(jīng)反射區(qū)域對應的白板反射到接收管后，實現(xiàn)了將紅外光信號轉化為電信號，接收管接收到的信號強度與反射區(qū)域內白板的面積成正比。轉盤在旋轉過程中反射區(qū)域對應白板的面積是周期性單調變化的，所以接收管處接收到的信號強弱也是周期性單調變化的。將接收信號濾波放大處理后接入到MSP430單片機內部的比較器模塊，使得輸出信號只有Vcc和0 V 2種情況，實現(xiàn)了將模擬信號數(shù)字化，便于信號的編碼以及單片機的處理。

紅外接收電路如圖4所示，電阻R1、R2都是MΩ數(shù)量級，所以接收管兩端的電流只有μA數(shù)量級，滿足低功耗的設計要求。接收信號經(jīng)電容C1、C2濾波后傳遞給MOS管的柵極p進行放大，其中MOS管放大電路的靜態(tài)工作點由R3、R4和R5共同決定。接收信號被放大后由MOS管的漏極q輸出給單片機內部的比較器模塊。

圖4 紅外接收電路

2 光電信號特點及程序設計

2.1 脈沖式光電信號的特點

2.1.1 單光電信號的特點

接收管在信號的上升沿或下降沿接收紅外信號，由于接收信號的幅值與反射區(qū)域對應白板的面積成正比，轉盤從圖1位置順時針旋轉90°過程中反射區(qū)域1對應白板的面積始終為零，反射區(qū)域2對應白板的面積單調減少，所以接收管接收到的上升沿信號始終為0，接收到的下降沿信號單調減少。接收信號經(jīng)放大電路放大后如圖5所示，采樣點的間隔由轉盤的轉速和脈沖激勵的頻率共同決定，轉盤轉速越慢及激勵信號頻率越高時采樣點的間隔越小。采樣點的間隔越小測量的精度越高、功耗越大，所以在保證測量精度的前提下，采樣點的間隔越大越好。

對斷路器合閘彈簧壓縮量調節(jié)后，再次進行機械特性測試時，發(fā)現(xiàn)斷路器合閘時間及合閘不同期時間皆滿足廠家技術標準要求，測試數(shù)據(jù)如表2所示。斷路器機械特性曲線也無異常，如圖2所示。但是，斷路器三相合閘速度卻始終低于廠家技術標準要求的2.9～3.6 m/s。

圖5 接收信號放大圖

將放大后的接收信號輸入到MSP430單片機的比較器模塊，此輸入信號和比較器內部的Vcc/2信號進行比較，當輸入信號大于Vcc/2時輸出高電平，反之輸出低電平。轉盤從圖1位置順時針旋轉90°過程中輸入的上升沿信號始終為0,下升沿信號由Vcc單調減小為0，所以比較器輸出的上升沿信號始終為低電平，輸出的下降沿信號前半部分為高電平，后半部分為低電平，比較器輸出信號如圖6所示。

圖6 比較器輸出信號圖

2.1.2 光電數(shù)字信號的變化特征

以二位二進制數(shù)對單個周期內上升沿和下降沿信號進行編碼，高電平和低電平分別編碼為1和0，則比較器輸出信號只有4種編碼狀態(tài)。由于轉盤從圖1位置每旋轉90°，信號的編碼就會改變一次，所以轉盤每旋轉1圈編碼就會改變4次，通過記錄編碼改變的次數(shù)及方向即可求得轉盤的轉數(shù)和旋轉方向。在保證激勵信號的頻率足夠大時，轉盤從圖1位置旋轉1圈過程中信號編碼如表1所示，當編碼正向(反向)改變1次時計數(shù)器加1(減1)，通過計數(shù)器的值和符號即可求得轉盤的轉速和方向。

表1 反光轉盤旋轉1圈過程中對應的信號編碼

2.2 脈沖式流量測量程序設計

程序設計既要滿足對光電信號處理的要求，也需要滿足低功耗的要求。MSP430單片機的各模塊都可以在CPU休眠的狀態(tài)下獨立工作，若需要主CPU工作，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒 CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運行。測量系統(tǒng)需要用到定時器模塊和比較器模塊，選擇的定時器時鐘源為ACLK，至少需要選擇LPM3功耗模式，比較器使用期間單片機必須工作在Active模式。為了降低流量測量系統(tǒng)的功耗，應該使單片機只在激勵邊沿附近開啟比較器，其他時間使系統(tǒng)進入低功耗LPM3模式。流量測量系統(tǒng)程序由主程序和中斷子程序組成。

2.2.1 主程序的設計

主程序主要用來初始化外設和指示變量以及開啟單片機的LPM3省電模式，其流程如圖7所示。此流量測量系統(tǒng)用到了3個定時器，定時器0用來產(chǎn)生PWM信號、定時器1用來產(chǎn)生打開比較器的中斷、定時器2用來產(chǎn)生關閉比較器的中斷，通過調節(jié)定時器的占空比來控制比較器的開啟和關閉時刻。

圖7 主程序流程圖

2.2.2 中斷子程序的設計

圖8 中斷子程序整體流程圖

圖9 中斷子程序局部流程圖

3 測量系統(tǒng)功耗分析

3.1 測量系統(tǒng)硬件功耗分析

光電式流量測量系統(tǒng)的硬件功耗主要由紅外發(fā)射電路、紅外接收電路和顯示模塊構成。通過將尖峰電流轉化為平均電流求得紅外發(fā)射和紅外接收電路的功率。

紅外發(fā)射電路激勵信號為圖3所示的輪流瞬時電流激勵，其邊沿局部放大如圖10所示，發(fā)射電路的功率Ph1如式(1)所示，算得紅外發(fā)射電路的功耗大致為13.8 μW。

圖10 瞬時電流激勵邊沿局部放大圖

Ph1=I1Vt1/T

(1)

式中：t1為瞬時電流激勵尖峰持續(xù)時間， s；T為兩個邊沿的時間間隔，s；I1為紅外發(fā)射管的工作電流，A；V為單片機工作電壓，V。

紅外接收電路的功耗主要由電阻R1、R2的靜態(tài)損耗和電阻R4的動態(tài)損耗組成，由于R1和R2的阻值都是MΩ級別，且其在脈沖激勵邊沿之外的地方處于斷路狀態(tài)，所以紅外接收電路的靜態(tài)損耗可以忽略不計。紅外接收電路MOS管漏極電流邊沿放大如圖11所示，接收電路的功耗Ph2如式(2)所示，算得紅外接收電路的功耗大致為9.0 μW。

圖11 MOS管漏極瞬時電流局部放大圖

Ph2=(I2t2/T)2R6

(2)

式中：t2為MOS管漏極尖峰電流持續(xù)時間，s；I2為電阻R6的電流，A。

顯示模塊采用YR1216型號5 μA功耗的段式液晶屏，其驅動芯片型號為HT621，顯示模塊的功耗Ph3為20 μW。

整個流量測量系統(tǒng)的硬件功耗Ph如式(3)所示，求得Ph近似為42.8 μW。

Ph=Ph1+Ph2+Ph3

(3)

3.2 單片機運行功耗分析

為了減小單片機的功耗，通過定時器中斷的方法在需要比較數(shù)據(jù)的時候提前打開比較器，數(shù)據(jù)比較完成之后關閉比較器，這樣就可以使整個測量系統(tǒng)主要工作在LPM3低功耗模式。比較器開啟和關閉時間控制如圖12所示，a點表示打開比較器的時刻，b點表示關閉比較器的時刻，td表示比較器開啟的時間。比較器的采樣保持時間Tau為

圖12 比較器開啟和關閉時刻控制圖

Tau=(RI+RS)CS

(4)

其中RI+RS為2～10 kΩ，CS大約為100 pF。為了確保比較器能夠穩(wěn)定工作，比較器開啟的時間≥10個采樣保持時間，算得比較器開啟的時間td大約為10 μs。定時器時鐘源為32.768 kHz的ACLK，只需一個時鐘周期就能滿足比較器開啟的時間。設定定時器1的占空比為1%，定時器2的占空比為99.5%，由于是雙邊沿發(fā)光，于是比較器開啟時間的占空比η為2%。查閱MSP430G2553單片機數(shù)據(jù)手冊可知LPM3功耗模式的電流Il為0.9 μA，Active功耗模式的電流Ia為300 μA，于是軟件功耗Ps如式(5)所示，算得軟件功耗為24.5 μW。

Ps=[Iaη+Il(1-η)]V

(5)

3.3 流量測量系統(tǒng)總功耗分析

整個流量測量系統(tǒng)的總功耗P為

P=Ph+Ps

(6)

求得P大致為67.3 μW。當不采取輪流瞬時激勵時，傳統(tǒng)光電系統(tǒng)紅外發(fā)射管上的功耗為

Pt=VI

(7)

算得傳統(tǒng)光電系統(tǒng)的功耗大概為12.9 mW。

采用輪流瞬時激勵方式以及讓單片機在不需要處理數(shù)據(jù)時進入低功耗模式，相較于傳統(tǒng)的光電測量原理，其功耗只有原來的0.52%，達到了低功耗的設計要求。

4 結論

針對渦輪式的流量計量結構，設計了基于光電反射式的數(shù)顯省電式流量測量方法。利用雙發(fā)光二極管單紅外接收管模式，將流量驅動的半黑半白圓盤反光板的轉角信號，轉化為單片機處理的光電信號。利用單片機內部比較器處理輸出數(shù)字信號進行編碼并根據(jù)轉盤旋轉過程中編碼變化特點，設計相應的邏輯處理程序計算渦輪轉數(shù)。

采用輪流瞬時脈沖激勵方式，發(fā)光二極管在脈沖邊沿瞬時發(fā)光，以及利用MSP430單片機各模塊獨立工作的特點，在不需要處理數(shù)據(jù)的時候進入低功耗模式，極大地降低測量系統(tǒng)的功耗，僅為傳統(tǒng)的光電方法的0.52%。