基于轮换瞬时驱动的光电式低功耗流量测量方法

王选择，刘武平，程 斌，杨练根，翟中生

(1.湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430068； 2.湖北省现代制造质量工程重点实验室，湖北武汉 430068)

0 引言

准确的流量测量是医疗、能源、石油化工等许多工业领域的重要前提[1]。涡轮流量计具有精度高、重现性好、稳定性好等优点，已成为流量测量仪器的重要组成部分[2-3]。

涡轮流量计主要由壳体、前导向架组件、叶轮组件、后导向架组件、压紧圈和带信号放大器的磁电感应转换器组成[4]。被测流体产生的冲击力使得涡轮叶片获得转动力矩[5]，理论和实验己证明，在一定条件下(适当流量范围、适当被测流体黏度)叶轮旋转角速度正比于流体流速，因此可通过测量叶轮的转速间接得知被测流体体积流量[6]。根据涡轮传感器的类型，涡轮流量计主要分为电磁式涡轮流量计和光纤涡轮流量计。电磁式传感器不仅易受强电磁的干扰，无法在恶劣工况下使用，而且当涡轮转子转速较低时，叶片会产生磁阻，导致电磁式流量传感器的量程比不会太大[7]。光电式传感器灵敏度高，抗电磁干扰能力强，信号处理电路简单，具有较高的可靠性和精度[8]。光纤涡轮流量计属于反射脉冲式流量计[9]，通过抛光处理后的涡轮叶片或涂抹粘贴在涡轮叶片表面的反光涂层及反光镜片的反射，实现光电信号的接收。由于光纤涡轮流量计在传递光电信号过程中，信号的传播介质为所测流体，所以光纤涡轮流量计只能测量透明度高的气体或者液体的流量。

采用光电式的测量方法可以消除空间磁场干扰对流量测量的影响[10]。传统的光电式测量采用持续驱动发光二极管[11]，并利用2个光电管接收光电信号的方式实现转角的测量。这种持续驱动发光二极管供电的方式，导致整个测量系统功耗过大，难以满足低功耗的设计要求。

基于以上不足，本文在将传统电磁式的传感器改成了光电式的基础上，采用双发光二极管与单光电管接收方式，并设计轮换瞬时驱动发光方法，降低系统测量功耗。本文从瞬时光电信号处理与低功耗节能角度，描述了以MSP430单片机为主控芯片的光电式流量测量系统的原理、结构及实现方法。

1 光电式流量测量系统

1.1 测量系统结构

根据红外光线在空气中的传播特性，采用反射式的反光转盘，设计光电式流量测量系统，系统框图如图1所示。

图1 测量系统结构图

系统主要由红外发射模块、红外接收模块和反光转盘构成。红外发射管发射的红外光线经反光转盘反射后被红外接收管接收。采用2个红外发射管、1个接收管的发光模式，2个发射管中心与接收管中心的夹角为90°，且光电管与反光转盘具有合适的间隙。反光转盘设计为半白半黑的模式，其中白板和黑板的反光材质不同，使得红外光线只能通过白板反射到接收管，反光转盘和涡轮主轴相连随涡轮主轴同步转动，通过测量转盘的转速即可得到涡轮的转速。由于光电管的位置是固定不变的，所以红外光线照射路径及其对应的反射区域也是固定不变的，转盘在旋转过程中，反射区域内转盘表面状态是周期性变化的，因此只要得到反射区域对应转盘表面状态的改变量，就能求得转盘的转速，其中反射区域1和反射区域2对应的转盘状态分别通过接收到的发射管1和发射管2处的信号得到。

当转盘转到图1位置时，反射区域1处转盘的状态为黑板，反射区域2处转盘的状态为白板。当转盘由图1位置顺时针旋转90°后，反射区域1和反射区域2处转盘的状态都为黑板，依次类推，转盘每旋转90°时，反射区域1和反射区域2对应转盘状态的组合就会改变一次，所以此光电式测量原理是可行的。

1.2 轮流瞬时红外发射电路的设计及分析

由于采用的是双红外发射管、单接收管的发光模式，接收管在任意时刻只能接收到一个发射管处的信号，因此红外发射管需要采取轮流发光的模式。考虑到整个光电式流量测量系统的主要功耗为红外发射管的发光功耗，传统持续驱动红外发射管供电的方式，导致整个测量系统功耗过大，难以满足低功耗的设计要求，需要将红外发射管的激励方式改为瞬时激励。

红外发射管为电流型驱动元器件，所以需要得到瞬时电流激励。轮流瞬时红外发射电路如图2所示，MSP430单片机输出PWM脉冲信号，该信号经过LRC环节后在电感上形成如图3所示的周期性正负瞬时电流激励，激励的宽度和幅值由电阻电容的乘积RC以及电感L决定，发射管D1和D2分别在激励的上升沿和下降沿发射红外光。由于发射管D1和D2通过反射区域1和反射区域2将信号传递给接收管，所以在激励的上升沿和下降沿光电管分别接收到反射区域1和反射区域2处转盘状态的信息，通过记录转盘状态信息的改变量即可求出转盘的转数和方向。

图2 红外发射电路

图3 轮流瞬时电流激励

1.3 红外接收电路的设计及分析

红外信号经反射区域对应的白板反射到接收管后，实现了将红外光信号转化为电信号，接收管接收到的信号强度与反射区域内白板的面积成正比。转盘在旋转过程中反射区域对应白板的面积是周期性单调变化的，所以接收管处接收到的信号强弱也是周期性单调变化的。将接收信号滤波放大处理后接入到MSP430单片机内部的比较器模块，使得输出信号只有Vcc和0 V 2种情况，实现了将模拟信号数字化，便于信号的编码以及单片机的处理。

红外接收电路如图4所示，电阻R1、R2都是MΩ数量级，所以接收管两端的电流只有μA数量级，满足低功耗的设计要求。接收信号经电容C1、C2滤波后传递给MOS管的栅极p进行放大，其中MOS管放大电路的静态工作点由R3、R4和R5共同决定。接收信号被放大后由MOS管的漏极q输出给单片机内部的比较器模块。

图4 红外接收电路

2 光电信号特点及程序设计

2.1 脉冲式光电信号的特点

2.1.1 单光电信号的特点

接收管在信号的上升沿或下降沿接收红外信号，由于接收信号的幅值与反射区域对应白板的面积成正比，转盘从图1位置顺时针旋转90°过程中反射区域1对应白板的面积始终为零，反射区域2对应白板的面积单调减少，所以接收管接收到的上升沿信号始终为0，接收到的下降沿信号单调减少。接收信号经放大电路放大后如图5所示，采样点的间隔由转盘的转速和脉冲激励的频率共同决定，转盘转速越慢及激励信号频率越高时采样点的间隔越小。采样点的间隔越小测量的精度越高、功耗越大，所以在保证测量精度的前提下，采样点的间隔越大越好。

对断路器合闸弹簧压缩量调节后，再次进行机械特性测试时，发现断路器合闸时间及合闸不同期时间皆满足厂家技术标准要求，测试数据如表2所示。断路器机械特性曲线也无异常，如图2所示。但是，断路器三相合闸速度却始终低于厂家技术标准要求的2.9～3.6 m/s。

图5 接收信号放大图

将放大后的接收信号输入到MSP430单片机的比较器模块，此输入信号和比较器内部的Vcc/2信号进行比较，当输入信号大于Vcc/2时输出高电平，反之输出低电平。转盘从图1位置顺时针旋转90°过程中输入的上升沿信号始终为0,下升沿信号由Vcc单调减小为0，所以比较器输出的上升沿信号始终为低电平，输出的下降沿信号前半部分为高电平，后半部分为低电平，比较器输出信号如图6所示。

图6 比较器输出信号图

2.1.2 光电数字信号的变化特征

以二位二进制数对单个周期内上升沿和下降沿信号进行编码，高电平和低电平分别编码为1和0，则比较器输出信号只有4种编码状态。由于转盘从图1位置每旋转90°，信号的编码就会改变一次，所以转盘每旋转1圈编码就会改变4次，通过记录编码改变的次数及方向即可求得转盘的转数和旋转方向。在保证激励信号的频率足够大时，转盘从图1位置旋转1圈过程中信号编码如表1所示，当编码正向(反向)改变1次时计数器加1(减1)，通过计数器的值和符号即可求得转盘的转速和方向。

表1 反光转盘旋转1圈过程中对应的信号编码

2.2 脉冲式流量测量程序设计

程序设计既要满足对光电信号处理的要求，也需要满足低功耗的要求。MSP430单片机的各模块都可以在CPU休眠的状态下独立工作，若需要主CPU工作，任何一个模块都可以通过中断唤醒 CPU，从而使系统以最低功耗运行。测量系统需要用到定时器模块和比较器模块，选择的定时器时钟源为ACLK，至少需要选择LPM3功耗模式，比较器使用期间单片机必须工作在Active模式。为了降低流量测量系统的功耗，应该使单片机只在激励边沿附近开启比较器，其他时间使系统进入低功耗LPM3模式。流量测量系统程序由主程序和中断子程序组成。

2.2.1 主程序的设计

主程序主要用来初始化外设和指示变量以及开启单片机的LPM3省电模式，其流程如图7所示。此流量测量系统用到了3个定时器，定时器0用来产生PWM信号、定时器1用来产生打开比较器的中断、定时器2用来产生关闭比较器的中断，通过调节定时器的占空比来控制比较器的开启和关闭时刻。

图7 主程序流程图

2.2.2 中断子程序的设计

图8 中断子程序整体流程图

图9 中断子程序局部流程图

3 测量系统功耗分析

3.1 测量系统硬件功耗分析

光电式流量测量系统的硬件功耗主要由红外发射电路、红外接收电路和显示模块构成。通过将尖峰电流转化为平均电流求得红外发射和红外接收电路的功率。

红外发射电路激励信号为图3所示的轮流瞬时电流激励，其边沿局部放大如图10所示，发射电路的功率Ph1如式(1)所示，算得红外发射电路的功耗大致为13.8 μW。

图10 瞬时电流激励边沿局部放大图

Ph1=I1Vt1/T

(1)

式中：t1为瞬时电流激励尖峰持续时间， s；T为两个边沿的时间间隔，s；I1为红外发射管的工作电流，A；V为单片机工作电压，V。

红外接收电路的功耗主要由电阻R1、R2的静态损耗和电阻R4的动态损耗组成，由于R1和R2的阻值都是MΩ级别，且其在脉冲激励边沿之外的地方处于断路状态，所以红外接收电路的静态损耗可以忽略不计。红外接收电路MOS管漏极电流边沿放大如图11所示，接收电路的功耗Ph2如式(2)所示，算得红外接收电路的功耗大致为9.0 μW。

图11 MOS管漏极瞬时电流局部放大图

Ph2=(I2t2/T)2R6

(2)

式中：t2为MOS管漏极尖峰电流持续时间，s；I2为电阻R6的电流，A。

显示模块采用YR1216型号5 μA功耗的段式液晶屏，其驱动芯片型号为HT621，显示模块的功耗Ph3为20 μW。

整个流量测量系统的硬件功耗Ph如式(3)所示，求得Ph近似为42.8 μW。

Ph=Ph1+Ph2+Ph3

(3)

3.2 单片机运行功耗分析

为了减小单片机的功耗，通过定时器中断的方法在需要比较数据的时候提前打开比较器，数据比较完成之后关闭比较器，这样就可以使整个测量系统主要工作在LPM3低功耗模式。比较器开启和关闭时间控制如图12所示，a点表示打开比较器的时刻，b点表示关闭比较器的时刻，td表示比较器开启的时间。比较器的采样保持时间Tau为

图12 比较器开启和关闭时刻控制图

Tau=(RI+RS)CS

(4)

其中RI+RS为2～10 kΩ，CS大约为100 pF。为了确保比较器能够稳定工作，比较器开启的时间≥10个采样保持时间，算得比较器开启的时间td大约为10 μs。定时器时钟源为32.768 kHz的ACLK，只需一个时钟周期就能满足比较器开启的时间。设定定时器1的占空比为1%，定时器2的占空比为99.5%，由于是双边沿发光，于是比较器开启时间的占空比η为2%。查阅MSP430G2553单片机数据手册可知LPM3功耗模式的电流Il为0.9 μA，Active功耗模式的电流Ia为300 μA，于是软件功耗Ps如式(5)所示，算得软件功耗为24.5 μW。

Ps=[Iaη+Il(1-η)]V

(5)

3.3 流量测量系统总功耗分析

整个流量测量系统的总功耗P为

P=Ph+Ps

(6)

求得P大致为67.3 μW。当不采取轮流瞬时激励时，传统光电系统红外发射管上的功耗为

Pt=VI

(7)

算得传统光电系统的功耗大概为12.9 mW。

采用轮流瞬时激励方式以及让单片机在不需要处理数据时进入低功耗模式，相较于传统的光电测量原理，其功耗只有原来的0.52%，达到了低功耗的设计要求。

4 结论

针对涡轮式的流量计量结构，设计了基于光电反射式的数显省电式流量测量方法。利用双发光二极管单红外接收管模式，将流量驱动的半黑半白圆盘反光板的转角信号，转化为单片机处理的光电信号。利用单片机内部比较器处理输出数字信号进行编码并根据转盘旋转过程中编码变化特点，设计相应的逻辑处理程序计算涡轮转数。

采用轮流瞬时脉冲激励方式，发光二极管在脉冲边沿瞬时发光，以及利用MSP430单片机各模块独立工作的特点，在不需要处理数据的时候进入低功耗模式，极大地降低测量系统的功耗，仅为传统的光电方法的0.52%。