基于渦街流量計的人機(jī)界面設(shè)計與研究

基于渦街流量計的人機(jī)界面設(shè)計與研究，人機(jī)界面介于用戶和產(chǎn)品系統(tǒng)之間，作為人與產(chǎn)品之間傳遞、交換信息的媒介,在整個工業(yè)儀表的設(shè)計里都起到了很大的作用，以渦街流量計為基礎(chǔ),設(shè)計出了一種低功耗、簡便靈活的人機(jī)界面系統(tǒng)，主要涉及液晶數(shù)據(jù)顯示和按鍵操作控制,并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的實用性。

對于渦街流量計，其振動頻率與流體流速之間的關(guān)系為：

f＝（St ×ν） ／ d （1）

其中：St 為斯特勞哈爾數(shù)，f 為振動頻率，v 為流體流速，d 為漩渦發(fā)生體寬度。 渦街流量信號的輸出幅度由渦街流量計的管道直徑、流體密度和流速所決定。 對于應(yīng)力式測量方式，在一定的管徑下，渦街正弦信號的幅值 A、密度 ρ 和平均流速 ν 存在下述關(guān)系：

A∝ρν2 （2）

因此，可以得出結(jié)論，當(dāng)流體密度不變時，信號幅值則正比于流速的平方，即正比于頻率的平方。 渦街流量計的信號處理也常運用此規(guī)律。

1.人機(jī)界面硬件設(shè)計

針對以上信號特點， 人機(jī)界面的設(shè)計需要考慮基于包括功耗問題、處理器接口是否豐富、所選用芯片的相關(guān)性能參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計要求等等。

本文設(shè)計的渦街流量計人機(jī)界面的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示，其中采用了以美國 TI 公司的 MSP430 系列為核心的信號控制處理單元。 考慮到渦街流量計的液晶顯示功能并不十分復(fù)雜， 而且要實現(xiàn)該流量計整體的低功耗， 因此選用段碼顯示的低功耗液晶顯示模塊LCM141。 該液晶顯示模塊集液晶顯示屏，驅(qū)動電路和控制電路于一體，大大簡化了應(yīng)用電路的設(shè)計，節(jié)省硬件資源和空間。 此外，由于其微功耗特性，用于簡單的流量、溫度和壓力等儀表的顯示是十分方便和有效的。 LCM141 使用時只需連接 6 個引腳。在硬件設(shè)計中，MSP430F2272 接 LCM141 模塊的 CS 腳作片選信號，DATA 腳作為數(shù)據(jù)位，WR 腳作為寫入控制信號。

根據(jù)流量計的功能要求， 設(shè)計了由 4 個獨立按鍵組成的鍵盤，分別為：“功能鍵"、“移位鍵"、“增加鍵"和“退出鍵"。 四個按鍵的電路設(shè)計相同，采用一鍵多用使其能完成顯示內(nèi)容選擇、儀表參數(shù)設(shè)置、各界面相關(guān)切換等多種操作。 4 個按鍵分別與具有中斷輸入功能的 I ／ O 口相連，按鍵按下時，相應(yīng)的 I ／ O 口觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中完成按鍵消抖、鍵碼識別、置標(biāo)志位等操作。 這種中斷方式，提高了按鍵的響應(yīng)速度，無需 CPU 查詢，降低功耗。 人機(jī)界面的通訊采用異步串行通信接口模式 UART。 Pin 口接收前端傳送的頻率信號 ，RXD、TXD 負(fù)責(zé)接收和發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)。 如圖 2 所示，其他端口備用。

2.人機(jī)界面軟件設(shè)計

考慮到渦街流量計的人機(jī)界面系統(tǒng)需實現(xiàn)測頻、顯示、按鍵捕捉和通信等功能。 為了充分利用單片機(jī)的性能，提高測頻精度以及考慮系統(tǒng)實時性的要求，需要合理分配單片機(jī)的資源。 頻率測量功能通過定時和捕捉中斷實現(xiàn)，以滿足其精度要求。 按鍵捕捉和通信功能也通過中斷實現(xiàn)，避免反復(fù)查詢消耗單片機(jī)資源。

顯示功能需反復(fù)更新，且實時性要求低，因此在主程序中實現(xiàn)。單片機(jī)各中斷程序負(fù)責(zé)必要的數(shù)據(jù)接收、處理以及標(biāo)志位的置、清位，而主程序則實現(xiàn)較為復(fù)雜的數(shù)值運算和顯示的更新。 采用上述方法可以提高系統(tǒng)的實時性和運行效率。

主程序首*行初始化，然后循環(huán)反復(fù)判斷液晶顯示模式變MODE，根據(jù) MODE 的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的液晶顯示。 當(dāng) MODE1 時，液晶進(jìn)行頻率的計算 、數(shù)值轉(zhuǎn)換和顯示工作 ；當(dāng) MODE2 時，進(jìn)入預(yù)留的 DEBUG 模式；當(dāng) MODE 為 3 時，顯示當(dāng)前口徑值， 當(dāng)相應(yīng)的按鍵按下， 標(biāo)志位置位后， 可修改口徑值；當(dāng)MODE 為 4 時，顯示當(dāng)前介質(zhì)值，當(dāng)相應(yīng)的按鍵按下，標(biāo)志位置位后，可修改介質(zhì)值；當(dāng) MODE 為 5 時，進(jìn)入小流量切除模式。

應(yīng)力式渦街流量計在可測流量段內(nèi)的輸出頻率大體分布在0．1～4000Hz，因此，設(shè)計方案應(yīng)滿足這一頻率范圍。 渦街流量計的一般精度為 0．5％，因此計量所要求的測頻精度需達(dá)到 0．2％，這就對測頻系統(tǒng)提出了很高的要求。 目前常用的數(shù)字測頻方法有 M 法、T 法、M／T 法。 其中 M 法在測量高頻信號時精度較高，T 法在測量低頻信號時精度較高，而 M／T 法綜合了 M 法和 T 法兩種測頻方法的優(yōu)點，在高頻和低頻時都有較高的精度，所以采用 M／T 法測頻。

本文采用片內(nèi)定時器的捕獲模塊和定時功能， 在 4000Hz以下，無論低頻還是高頻均可達(dá)到 0．2％的測量精度。 如圖 4 所示，M ／ T 法測頻一方面檢測 Tc 時間內(nèi)定時器捕獲的脈沖個數(shù)M1， 另一方面也檢測同一時間間隔的定時器產(chǎn)生的高頻時鐘脈沖個數(shù) M2。 測頻公式如下，其中 f0 為高頻時鐘脈沖的頻率。

采用 M ／ T 法測頻時， 被測信號的周期數(shù)可以認(rèn)為是準(zhǔn)確的，而測量周期是通過高頻時鐘脈沖的個數(shù)計算得到，測量周期會存在 1 個高頻時鐘脈沖周期的誤差。 當(dāng)高頻脈沖多計 1 次時，測頻的理論誤差計算如公式（4）；當(dāng)高頻脈沖多計 1 次時，測頻的理論誤差計算如公式（5）。

當(dāng) N 大于 200 時就能滿足測頻 0．2％的精度要求，而采用單片機(jī) 16 位定時器作為高頻時鐘脈沖信號時 N 值約為 65536，因此 M ／ T 法的理論誤差約為 1 ／ 65536。 采用 MSP430 的 16 位Timer＿B 定時器作為高頻時鐘信號， 由于被測頻率范圍為 0．1～4000Hz，測量基準(zhǔn)周期選取 2s。 具體測量方法如圖 5 所示。

啟動測頻后， 捕獲模塊會在時間閥值內(nèi)捕捉每個脈沖的上升沿，并自動將 16 位計數(shù)器 TBR 賦值至 TBCCR0 寄存器供程序使用。 計算時間閥值內(nèi)zui后一個上升沿 TBR 與一個上升沿 TBR 的差值 ，便可得到 N 個脈沖的周期 T。 在程序中 ， 采用Timer＿B 的周期中斷和 TBCCR0 的捕捉中斷實現(xiàn)測頻功能。

Timer＿B 周期中斷服務(wù)程序的流程圖如 6 所示。 進(jìn)入中斷后，首先判斷捕獲脈沖個數(shù)。 如果脈沖個數(shù)小于 2， 則判斷溢出次數(shù)

TB＿OVCOUNT 是否等于 10。 若等于 10，則表示 20s 內(nèi)無信號輸入，清零脈沖計數(shù) PULSE。 否則溢出次數(shù)加 1，繼續(xù)等待并判斷；當(dāng)捕獲脈沖個數(shù)大于等于 2 時，PULSE 首先減 1，并將zui后一個上升沿 TBR 與一個上升沿 TBR 的差值賦給周期值的低位 TIME＿L、TB＿OVCOUNT 賦給 TIME＿H，zui后清周期中斷標(biāo)志并退出中斷。

進(jìn)入 TBCCR0 的捕捉中斷服務(wù)程序中斷后先判斷捕獲脈沖是否為零， 為零則清 TB＿OVCOUNT， 并將此次捕獲值存入CAP＿FIRST，捕獲脈沖加 1；不為零則此次捕獲值存入 CAP＿LAST，

然后捕捉脈沖加 1，zui后清捕捉脈沖中斷標(biāo)志并退出中斷。

頻率值的計算和顯示在主程序中運行。 在液晶顯示模塊的設(shè)計中，我們制定了一套多層次的調(diào)用函數(shù)，便于在使用時根據(jù)不同的要求靈活調(diào)用和擴(kuò)展，做到了分層化、模塊化，提高了代碼重用性和擴(kuò)展性。 為了盡可能提高頻率的顯示精度，根據(jù)渦街流量計的精度要求， 對于不同頻率段， 頻率顯示的小數(shù)位數(shù)不同，采用 0．1～2．5Hz 顯示 4 位小數(shù)，2．5～25Hz 顯示 3 位小數(shù)，25 ～250Hz 顯示 2 位 小 數(shù) ，250～2500Hz 顯示 1 位小數(shù) ，2500Hz 以上不顯示小數(shù) 。 此外， 對于zui后一個有效數(shù)字進(jìn)行了四舍五入修正， 進(jìn)一步提高測頻精度。

按鍵程序設(shè)計遵循以下原則：①采用中斷方式接入，盡量不要將 CPU 從低功耗休眠態(tài)中喚醒來掃描按鍵端口； ②按鍵消抖采用軟件延時方法；③由于按鍵數(shù)量很少， 利用狀態(tài)組合法實現(xiàn)按鍵復(fù)用功能。 因此采用置標(biāo)志位的方法， 使程序簡化。 具體的按鍵中斷程序流程圖如下。 MODE 為界面標(biāo)志，1 為運行狀態(tài)，2 為調(diào)試狀態(tài)，3～5 為設(shè)置狀態(tài)。

四個按鍵分別定義如表 1 功能便于系統(tǒng)操作。

3.實驗結(jié)果分析

在實驗測試中， 主要針對渦街流量計進(jìn)行了人機(jī)界面的軟硬件聯(lián)調(diào)，并對軟、硬件設(shè)計進(jìn)行了驗證。 在頻率精度測試過程中，選取了不同頻率段的共計 18 個頻率測試點。 表 2 為 18 個頻率測試數(shù)據(jù)，并計算了顯示頻率與實際頻率的誤差。

測試結(jié)果表明， 頻率測量模塊達(dá)到原先設(shè)計設(shè)想和0．2％的精度要求，且測頻方案的測頻精度很高，達(dá)到了 0．05％。

4.結(jié)束語

通過實驗驗證了所設(shè)計人機(jī)界面的實用性， 后續(xù)也可以增加新的參數(shù)與功能，使得人機(jī)界面更為多樣化。