LC振蕩無磁流量表的實驗模塊設計

王小利， 陳 凱， 李家寶， 王福安， 郭春生

（山東大學機電與信息工程學院，山東威海 264209）

0 引 言

嵌入式開發是電子信息專業的一個重要領域。隨著現如今我國社會經濟的飛速發展，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確測量水和天然氣等重要資源有很大的影響［2］。而傳統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確的缺點；而有磁流量表容易因外界的干擾而導致測量精度下降。這些狀況都容易造成國家水利資源的浪費以及經濟損失［3］。為彌補以上不足，本文設計并搭建了無磁流量表實驗模塊，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 無磁流量表實驗模塊結構原理

通過機械裝置將流體的流動轉化為旋轉體的轉動，從而實現對流體流量的測量［5］。設計的無磁流量表實驗模塊的基礎原理是LC 振蕩時電感遇到導體會產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子盤，該轉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 度置于轉子盤上方，當無磁流量表實驗模塊的通道有流體流過時，將會帶動葉輪以及葉輪上方的轉子盤轉動，電感就會在轉子盤表面的位置發生交替變化。由電感在轉子盤上方的位置決定了諧振回路的阻尼系數，當電感位于區域a時，回路的阻尼系數是要高于電感位于b區域時回路的阻尼系數。通過測量諧振回路不同的阻尼系數，實現對轉子盤轉動的測量，進而實現了對流體流量的測量。

圖1 測量旋轉運動原理示意圖

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LC電路發生振蕩時，電感線圈中將會產生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。但當轉子盤的金屬部分靠近振蕩的電感時，其金屬導體內就會產生渦流，同時還產生了磁滯損耗。這兩種效應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 轉子盤金屬和非金屬檢測的振蕩信號

無磁流量表實驗模塊中的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，當水龍頭突然關閉時，會出現水流反彈現象，進而使得無磁流量表實驗模塊中的轉子盤在水管中水流速度降到0之前反復地順時針逆時針轉動［8］，如圖3 所示。由圖可知，當LC傳感器檢測到金屬部分時，會輸出一個邏輯低電平；當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°，這種設置會使得傳感器有4 個狀態：00、01、11 和10，通過這4 個狀態的順序便可知道旋轉方向［9-10］。

圖3 2個LC傳感器的狀態變化

2 無磁流量表實驗模塊硬件設計

本文設計的無磁流量表實驗模塊的系統構成框架如圖4 所示。

圖4 無磁流量表實驗模塊系統構成框架

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，具有內部振蕩器、看門狗和斷電復位的高系統集成水平。

2.2 電源模塊

無磁流量表實驗模塊采用電池供電，并通過系統電源模塊轉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的紅外接收模塊［13］，以便當無磁流量表實驗模塊發生故障時，維修人員可使用紅外手持設備與無磁流量表實驗模塊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，是無磁流量表實驗模塊最核心也是最關鍵的模塊。

圖8 LC振蕩模塊電路圖

2.5 磁性傳感器模塊

為了檢測內部無磁環境，本設計采用了磁性傳感器模塊，以此來檢測是否有磁性物質靠近，無磁流量表中的磁性傳感器模塊原理如圖9 所示。

圖9 磁性傳感器模塊結構

圖10 所示為無磁流量表實驗模塊的印制電路板，用于直觀展示無磁流量表實驗模塊的電路組成結構。

圖10 無磁流量表實驗模塊印制電路板

3 無磁流量表實驗模塊軟件設計

無磁流量表實驗模塊的軟件設計流程如圖11 所示。其主要任務如下：

圖11 無磁流量表實驗模塊軟件設計流程

（1）首先進行初始化設置，然后對無磁流量表實驗模塊是否進行過出廠校準進行判斷，若已進行出廠校準，繼而運行RTOS 任務，RTOS 任務包含了Wmbus通信任務、紅外命令任務、電壓采集任務、報警任務以及看門狗任務。

（2）當執行Wmbus通信任務時，首先對其是否需要發送數據進行判斷，若需要，則進行長短幀方式的判定以及發送，直到任務結束時為止，若不需要，則任務結束。

（3）當執行紅外命令任務時，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，則執行命令，直到任務結束時為止，若不正確，則任務結束。

（4）當執行電壓采集任務時，首先啟動ADC 采集，然后濾波計算電壓值，直到任務結束時為止。

（5）當執行校準任務時，首先判斷是否到達校準時間，若已到達，則進行ESI 校準，直到任務結束時為止，若未到達，則任務結束。

（6）當執行報警任務時，首先判斷是否到達報警閾值，若已到達，則進行報警廣播，直到任務結束時為止，若未到達，則任務結束。

（7）當執行看門狗任務時，首先進行是否喂狗的判斷，若未喂狗，則程序重新開始執行，若已喂狗，則任務結束。

4 測試以及數據分析

本文使用風扇勻速吹管路和風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模塊的性能，3 次實驗測試數據如表1所示，測試過程如圖12 所示。

表1 測試數據統計分析

圖12 測試過程

由表1 可見，所設計的無磁流量表實驗模塊通過W-mbus無線抄表［15］通信方式所獲取的差值轉數與機械碼表的差值轉數一致，且數據精度達到了0.001 m3，證明了所設計的無磁流量表實驗模塊測量精度高，可滿足人們對流量測量精度的要求。

5 結 語

本文設計并搭建了基于LC 振蕩進行流量測量的無磁流量表實驗模塊。通過測試表明：該模塊具有高精度、低功耗、無磁性、無雜質吸附等優點，同時設計的水表、熱表以及天然氣表的流量具有遠程采集功能。本文所設計的無磁流量表實驗模塊不但對于嵌入式系統的綜合實驗設計具有重要教學意義，還可廣泛應用于居民用水量監測以及其他流體的流量測量領域，更對國家智能水利的建設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。