LC振荡无磁流量表的实验模块设计

王小利， 陈 凯， 李家宝， 王福安， 郭春生

（山东大学机电与信息工程学院，山东威海 264209）

0 引 言

嵌入式开发是电子信息专业的一个重要领域。随着现如今我国社会经济的飞速发展，我国对于资源的消耗量也随之大大增加。但是在地球上不可再生资源是有限的，节约能源工作也越来越受到了人们的重视［1］，对流量的测量技术以及测量精度的要求也在逐步提高。水表、气表是各家各户必备仪表，其性能高低对能否准确测量水和天然气等重要资源有很大的影响［2］。而传统的流量表多为机械流量表和有磁流量表，其中机械流量表有着抄表不方便且计量不准确的缺点；而有磁流量表容易因外界的干扰而导致测量精度下降。这些状况都容易造成国家水利资源的浪费以及经济损失［3］。为弥补以上不足，本文设计并搭建了无磁流量表实验模块，采用无磁传输克服了磁干扰等问题，以提高测量的精度和可靠性，满足了人们对流量测量的要求［4］。

1 流量测量原理

1.1 无磁流量表实验模块结构原理

通过机械装置将流体的流动转化为旋转体的转动，从而实现对流体流量的测量［5］。设计的无磁流量表实验模块的基础原理是LC 振荡时电感遇到导体会产生电涡流从而加速振荡的衰减过程。在叶轮的轴承上固定一个转子盘，该转子盘一半为金属一半为空（即非金属），如图1 所示。由图可知，将2 个LC 传感器固定在表壳上并且让其成90 度置于转子盘上方，当无磁流量表实验模块的通道有流体流过时，将会带动叶轮以及叶轮上方的转子盘转动，电感就会在转子盘表面的位置发生交替变化。由电感在转子盘上方的位置决定了谐振回路的阻尼系数，当电感位于区域a时，回路的阻尼系数是要高于电感位于b区域时回路的阻尼系数。通过测量谐振回路不同的阻尼系数，实现对转子盘转动的测量，进而实现了对流体流量的测量。

图1 测量旋转运动原理示意图

1.2 LC振荡电路工作原理

LC传感器是由1 个电感及1 个电容所组成的LC谐振电路［6］，使用LC传感器可检测LC振荡电路发生振荡时，其电感中磁通量的变化情况，如图2 所示。由图可知，当LC电路发生振荡时，电感线圈中将会产生1 个具有时变特性的磁场，这个磁场通常不会受到外部因素的影响。但当转子盘的金属部分靠近振荡的电感时，其金属导体内就会产生涡流，同时还产生了磁滞损耗。这两种效应都会造成交变磁场的能量损耗，进而加速了输出正弦曲线的衰减过程［7］。

图2 转子盘金属和非金属检测的振荡信号

无磁流量表实验模块中的2 个LC 传感器通过谐振频率的变化可用于检测顺时针和逆时针旋转，当水龙头突然关闭时，会出现水流反弹现象，进而使得无磁流量表实验模块中的转子盘在水管中水流速度降到0之前反复地顺时针逆时针转动［8］，如图3 所示。由图可知，当LC传感器检测到金属部分时，会输出一个逻辑低电平；当LC传感器检测到非金属部分时，会输出一个逻辑高电平。2 个LC 传感器相隔90°，因此2 个传感器输出信号也总是相差90°，这种设置会使得传感器有4 个状态：00、01、11 和10，通过这4 个状态的顺序便可知道旋转方向［9-10］。

图3 2个LC传感器的状态变化

2 无磁流量表实验模块硬件设计

本文设计的无磁流量表实验模块的系统构成框架如图4 所示。

图4 无磁流量表实验模块系统构成框架

2.1 MCU模块

由于低功耗元器件是改善嵌入式硬件系统的最直接的手段，通过选择功耗低且性能良好的元器件，将硬件电量的耗电性能做到改善是实现低功耗的第一步［11］。本文采用MSP430FR6989 芯片为16 bit 微控制器，其有着1.8 ～3.6 V 的宽电源电压范围，且工作电流为100 μA、待机电流仅为0.4 μA，提供了高达128 KB的非易失性存储器，高达16 MHz的CPU时钟频率，具有内部振荡器、看门狗和断电复位的高系统集成水平。

2.2 电源模块

无磁流量表实验模块采用电池供电，并通过系统电源模块转化成需要的电压对芯片以及其他模块进行供电，电源模块如图5 所示。

图5 无磁流量表电源模块

2.3 通信模块及红外接收模块

为实验无接触远程抄表，本设计采用了一个待机功耗仅为2.3 uA 并且可以远程通信的CC1120 模块［12］，如图6 所示。并采用二进制脉冲码形式来表示信号传输的红外接收模块［13］，以便当无磁流量表实验模块发生故障时，维修人员可使用红外手持设备与无磁流量表实验模块进行红外通信进而对其进行检查与维修［14］，红外接收模块原理如图7 所示。

图6 CC1120模块端口

图7 红外接收模块电路原理

2.4 LC振荡模块

图8 所示为设计的2 个LC 振荡电路组成的LC振荡模块，是无磁流量表实验模块最核心也是最关键的模块。

图8 LC振荡模块电路图

2.5 磁性传感器模块

为了检测内部无磁环境，本设计采用了磁性传感器模块，以此来检测是否有磁性物质靠近，无磁流量表中的磁性传感器模块原理如图9 所示。

图9 磁性传感器模块结构

图10 所示为无磁流量表实验模块的印制电路板，用于直观展示无磁流量表实验模块的电路组成结构。

图10 无磁流量表实验模块印制电路板

3 无磁流量表实验模块软件设计

无磁流量表实验模块的软件设计流程如图11 所示。其主要任务如下：

图11 无磁流量表实验模块软件设计流程

（1）首先进行初始化设置，然后对无磁流量表实验模块是否进行过出厂校准进行判断，若已进行出厂校准，继而运行RTOS 任务，RTOS 任务包含了Wmbus通信任务、红外命令任务、电压采集任务、报警任务以及看门狗任务。

（2）当执行Wmbus通信任务时，首先对其是否需要发送数据进行判断，若需要，则进行长短帧方式的判定以及发送，直到任务结束时为止，若不需要，则任务结束。

（3）当执行红外命令任务时，需要先接收红外命令，然后对格式的正确性进行判断，若正确，则执行命令，直到任务结束时为止，若不正确，则任务结束。

（4）当执行电压采集任务时，首先启动ADC 采集，然后滤波计算电压值，直到任务结束时为止。

（5）当执行校准任务时，首先判断是否到达校准时间，若已到达，则进行ESI 校准，直到任务结束时为止，若未到达，则任务结束。

（6）当执行报警任务时，首先判断是否到达报警阈值，若已到达，则进行报警广播，直到任务结束时为止，若未到达，则任务结束。

（7）当执行看门狗任务时，首先进行是否喂狗的判断，若未喂狗，则程序重新开始执行，若已喂狗，则任务结束。

4 测试以及数据分析

本文使用风扇匀速吹管路和风扇非匀速吹管路这两种方法来分别模拟水管中匀速流水和水管中水流不稳定（如水龙头急停、倒吸）的这两种情况以测试该无磁流量表实验模块的性能，3 次实验测试数据如表1所示，测试过程如图12 所示。

表1 测试数据统计分析

图12 测试过程

由表1 可见，所设计的无磁流量表实验模块通过W-mbus无线抄表［15］通信方式所获取的差值转数与机械码表的差值转数一致，且数据精度达到了0.001 m3，证明了所设计的无磁流量表实验模块测量精度高，可满足人们对流量测量精度的要求。

5 结 语

本文设计并搭建了基于LC 振荡进行流量测量的无磁流量表实验模块。通过测试表明：该模块具有高精度、低功耗、无磁性、无杂质吸附等优点，同时设计的水表、热表以及天然气表的流量具有远程采集功能。本文所设计的无磁流量表实验模块不但对于嵌入式系统的综合实验设计具有重要教学意义，还可广泛应用于居民用水量监测以及其他流体的流量测量领域，更对国家智能水利的建设以及水利部所提出的加强水资源管理信息化的政策具有十分重要的意义。