基于涡街流量计的人机界面设计与研究

人机界面介于用户和产品系统之间,作为人与产品之间传递、交换信息的媒介,在整个工业仪表的设计里都起到了很大的作用。以涡街流量计为基础,设计出了一种低功耗、简便灵活的人机界面系统,主要涉及液晶数据显示和按键操作控制,并通过实验验证了该系统的实用性。 

对于涡街流量计，其振动频率与流体流速之间的关系为：

f＝（St ×ν） ／ d                                （1）

其中：St 为斯特劳哈尔数，f 为振动频率，v 为流体流速，d 为漩涡发生体宽度。 涡街流量信号的输出幅度由涡街流量计的管道直径、流体密度和流速所决定。 对于应力式测量方式，在一定的管径下，涡街正弦信号的幅值 A、密度 ρ 和平均流速 ν 存在下述关系：

A∝ρν2                                       （2）

因此，可以得出结论，当流体密度不变时，信号幅值则正比于流速的平方，即正比于频率的平方。 涡街流量计的信号处理也常运用此规律。

1.人机界面硬件设计

针对以上信号特点， 人机界面的设计需要考虑基于包括功耗问题、处理器接口是否丰富、所选用芯片的相关性能参数是否达到设计要求等等。

本文设计的涡街流量计人机界面的硬件系统结构如图 1所示，其中采用了以美国 TI 公司的 MSP430 系列为核心的信号控制处理单元。 考虑到涡街流量计的液晶显示功能并不十分复杂， 而且要实现该流量计整体的低功耗， 因此选用段码显示的低功耗液晶显示模块LCM141。 该液晶显示模块集液晶显示屏，驱动电路和控制电路于一体，大大简化了应用电路的设计，节省硬件资源和空间。 此外，由于其微功耗特性，用于简单的流量、温度和压力等仪表的显示是十分方便和有效的。 LCM141 使用时只需连接 6 个引脚。在硬件设计中，MSP430F2272 接 LCM141 模块的 CS 脚作片选信号，DATA 脚作为数据位，WR 脚作为写入控制信号。

根据流量计的功能要求， 设计了由 4 个独立按键组成的键盘，分别为：“功能键”、“移位键”、“增加键”和“退出键”。 四个按键的电路设计相同，采用一键多用使其能完成显示内容选择、仪表参数设置、各界面相关切换等多种操作。 4 个按键分别与具有中断输入功能的 I ／ O 口相连，按键按下时，相应的 I ／ O 口触发中断，在中断服务程序中完成按键消抖、键码识别、置标志位等操作。 这种中断方式，提高了按键的响应速度，无需 CPU 查询，降低功耗。 人机界面的通讯采用异步串行通信接口模式 UART。 Pin 口接收前端传送的频率信号 ，RXD、TXD 负责接收和发送传输数据。 如图 2 所示，其他端口备用。

2.人机界面软件设计

考虑到涡街流量计的人机界面系统需实现测频、显示、按键捕捉和通信等功能。 为了充分利用单片机的性能，提高测频精度以及考虑系统实时性的要求，需要合理分配单片机的资源。 频率测量功能通过定时和捕捉中断实现，以满足其精度要求。 按键捕捉和通信功能也通过中断实现，避免反复查询消耗单片机资源。

显示功能需反复更新，且实时性要求低，因此在主程序中实现。单片机各中断程序负责必要的数据接收、处理以及标志位的置、清位，而主程序则实现较为复杂的数值运算和显示的更新。 采用上述方法可以提高系统的实时性和运行效率。

主程序首先进行初始化，然后循环反复判断液晶显示模式变MODE，根据 MODE 的数值进行相应的液晶显示。 当 MODE1 时，液晶进行频率的计算 、数值转换和显示工作 ；当 MODE2 时，进入预留的 DEBUG 模式；当 MODE 为 3 时，显示当前口径值， 当相应的按键按下， 标志位置位后， 可修改口径值；当MODE 为 4 时，显示当前介质值，当相应的按键按下，标志位置位后，可修改介质值；当 MODE 为 5 时，进入小流量切除模式。

应力式涡街流量计在可测流量段内的输出频率大体分布在0．1～4000Hz，因此，设计方案应满足这一频率范围。 涡街流量计的一般精度为 0．5％，因此计量所要求的测频精度需达到 0．2％，这就对测频系统提出了很高的要求。 目前常用的数字测频方法有 M 法、T 法、M／T 法。 其中 M 法在测量高频信号时精度较高，T 法在测量低频信号时精度较高，而 M／T 法综合了 M 法和 T 法两种测频方法的优点，在高频和低频时都有较高的精度，所以采用 M／T 法测频。

 本文采用片内定时器的捕获模块和定时功能， 在 4000Hz以下，无论低频还是高频均可达到 0．2％的测量精度。 如图 4 所示，M ／ T 法测频一方面检测 Tc 时间内定时器捕获的脉冲个数M1， 另一方面也检测同一时间间隔的定时器产生的高频时钟脉冲个数 M2。 测频公式如下，其中 f0 为高频时钟脉冲的频率。

采用 M ／ T 法测频时， 被测信号的周期数可以认为是准确的，而测量周期是通过高频时钟脉冲的个数计算得到，测量周期会存在 1 个高频时钟脉冲周期的误差。 当高频脉冲多计 1 次时，测频的理论误差计算如公式（4）；当高频脉冲多计 1 次时，测频的理论误差计算如公式（5）。

当 N 大于 200 时就能满足测频 0．2％的精度要求，而采用单片机 16 位定时器作为高频时钟脉冲信号时 N 值约为 65536，因此 M ／ T 法的理论误差约为 1 ／ 65536。 采用 MSP430 的 16 位Timer＿B 定时器作为高频时钟信号， 由于被测频率范围为 0．1～4000Hz，测量基准周期选取 2s。 具体测量方法如图 5 所示。

启动测频后， 捕获模块会在时间阀值内捕捉每个脉冲的上升沿，并自动将 16 位计数器 TBR 赋值至 TBCCR0 寄存器供程序使用。 计算时间阀值内***后一个上升沿 TBR 与个上升沿 TBR 的差值 ，便可得到 N 个脉冲的周期 T。 在程序中 ， 采用Timer＿B 的周期中断和 TBCCR0 的捕捉中断实现测频功能。

Timer＿B 周期中断服务程序的流程图如 6 所示。 进入中断后，首先判断捕获脉冲个数。 如果脉冲个数小于 2， 则判断溢出次数

TB＿OVCOUNT 是否等于 10。 若等于 10，则表示 20s 内无信号输入，清零脉冲计数 PULSE。 否则溢出次数加 1，继续等待并判断；当捕获脉冲个数大于等于 2 时，PULSE 首先减 1，并将***后一个上升沿 TBR 与个上升沿 TBR 的差值赋给周期值的低位 TIME＿L、TB＿OVCOUNT 赋给 TIME＿H，***后清周期中断标志并退出中断。

进入 TBCCR0 的捕捉中断服务程序中断后先判断捕获脉冲是否为零， 为零则清 TB＿OVCOUNT， 并将此次捕获值存入CAP＿FIRST，捕获脉冲加 1；不为零则此次捕获值存入 CAP＿LAST，

然后捕捉脉冲加 1，***后清捕捉脉冲中断标志并退出中断。

频率值的计算和显示在主程序中运行。 在液晶显示模块的设计中，我们制定了一套多层次的调用函数，便于在使用时根据不同的要求灵活调用和扩展，做到了分层化、模块化，提高了代码重用性和扩展性。 为了尽可能提高频率的显示精度，根据涡街流量计的精度要求， 对于不同频率段， 频率显示的小数位数不同，采用 0．1～2．5Hz 显示 4 位小数，2．5～25Hz 显示 3 位小数，25 ～250Hz 显 示 2 位 小 数 ，250～2500Hz 显示 1 位小数 ，2500Hz 以上不显示小数 。  此外， 对于***后一个有效数字进行了四舍五入修正， 进一步提高测频精度。

按键程序设计遵循以下原则：①采用中断方式接入，尽量不要将 CPU 从低功耗休眠态中唤醒来扫描按键端口； ②按键消抖采用软件延时方法；③由于按键数量很少， 利用状态组合法实现按键复用功能。 因此采用置标志位的方法， 使程序简化。 具体的按键中断程序流程图如下。 MODE 为界面标志，1 为运行状态，2 为调试状态，3～5 为设置状态。

四个按键分别定义如表 1 功能便于系统操作。

3.实验结果分析

在实验测试中， 主要针对涡街流量计进行了人机界面的软硬件联调，并对软、硬件设计进行了验证。 在频率精度测试过程中，选取了不同频率段的共计 18 个频率测试点。 表 2 为 18 个频率测试数据，并计算了显示频率与实际频率的误差。

测试结果表明，  频率测量模块完全达到原先设计设想和0．2％的精度要求，且测频方案的测频精度很高，达到了 0．05％。

4.结束语

通过实验验证了所设计人机界面的实用性， 后续也可以增加新的参数与功能，使得人机界面更为多样化。