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蘇州華陸儀器儀表有限公司
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基于渦街流量計的人機界面設計與研究，在實驗測試中，主要針對渦街流量計進行了人機界面的軟硬件聯調，并對軟、硬件設計進行了驗證，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個頻率測試數據，并計算了顯示頻率與實際頻率的誤差。
基于渦街流量計的人機界面設計與研究，人機界面介于用戶和產品系統之間，作為人與產品之間傳遞、交換信息的媒介,在整個工業儀表的設計里都起到了很大的作用，以渦街流量計為基礎,設計出了一種低功耗、簡便靈活的人機界面系統，主要涉及液晶數據顯示和按鍵操作控制,并通過實驗驗證了該系統的實用性。
對于渦街流量計，其振動頻率與流體流速之間的關系為：
f＝（St ×ν） ／ d （1）
其中：St 為斯特勞哈爾數，f 為振動頻率，v 為流體流速，d 為漩渦發生體寬度。 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 存在下述關系：
A∝ρν2 （2）
因此，可以得出結論，當流體密度不變時，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律。
1.人機界面硬件設計
針對以上信號特點， 人機界面的設計需要考慮基于包括功耗問題、處理器接口是否豐富、所選用芯片的相關性能參數是否達到設計要求等等。
本文設計的渦街流量計人機界面的硬件系統結構如圖 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雜， 而且要實現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，驅動電路和控制電路于一體，大大簡化了應用電路的設計，節省硬件資源和空間。 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。在硬件設計中，MSP430F2272 接 LCM141 模塊的 CS 腳作片選信號，DATA 腳作為數據位，WR 腳作為寫入控制信號。
根據流量計的功能要求， 設計了由 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"。 四個按鍵的電路設計相同，采用一鍵多用使其能完成顯示內容選擇、儀表參數設置、各界面相關切換等多種操作。 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，相應的 I ／ O 口觸發中斷，在中斷服務程序中完成按鍵消抖、鍵碼識別、置標志位等操作。 這種中斷方式，提高了按鍵的響應速度，無需 CPU 查詢，降低功耗。 人機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 負責接收和發送傳輸數據。 如圖 2 所示，其他端口備用。
2.人機界面軟件設計
考慮到渦街流量計的人機界面系統需實現測頻、顯示、按鍵捕捉和通信等功能。 為了充分利用單片機的性能，提高測頻精度以及考慮系統實時性的要求，需要合理分配單片機的資源。 頻率測量功能通過定時和捕捉中斷實現，以滿足其精度要求。 按鍵捕捉和通信功能也通過中斷實現，避免反復查詢消耗單片機資源。
顯示功能需反復更新，且實時性要求低，因此在主程序中實現。單片機各中斷程序負責必要的數據接收、處理以及標志位的置、清位，而主程序則實現較為復雜的數值運算和顯示的更新。 采用上述方法可以提高系統的實時性和運行效率。
主程序首*行初始化，然后循環反復判斷液晶顯示模式變MODE，根據 MODE 的數值進行相應的液晶顯示。 當 MODE1 時，液晶進行頻率的計算 、數值轉換和顯示工作 ；當 MODE2 時，進入預留的 DEBUG 模式；當 MODE 為 3 時，顯示當前口徑值， 當相應的按鍵按下， 標志位置位后， 可修改口徑值；當MODE 為 4 時，顯示當前介質值，當相應的按鍵按下，標志位置位后，可修改介質值；當 MODE 為 5 時，進入小流量切除模式。
應力式渦街流量計在可測流量段內的輸出頻率大體分布在0．1～4000Hz，因此，設計方案應滿足這一頻率范圍。 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到 0．2％，這就對測頻系統提出了很高的要求。 目前常用的數字測頻方法有 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 時間內定時器捕獲的脈沖個數M1， 另一方面也檢測同一時間間隔的定時器產生的高頻時鐘脈沖個數 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， 被測信號的周期數可以認為是準確的，而測量周期是通過高頻時鐘脈沖的個數計算得到，測量周期會存在 1 個高頻時鐘脈沖周期的誤差。 當高頻脈沖多計 1 次時，測頻的理論誤差計算如公式（4）；當高頻脈沖多計 1 次時，測頻的理論誤差計算如公式（5）。
當 N 大于 200 時就能滿足測頻 0．2％的精度要求，而采用單片機 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捕捉每個脈沖的上升沿，并自動將 16 位計數器 TBR 賦值至 TBCCR0 寄存器供程序使用。 計算時間閥值內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 的捕捉中斷實現測頻功能。
Timer＿B 周期中斷服務程序的流程圖如 6 所示。 進入中斷后，首先判斷捕獲脈沖個數。 如果脈沖個數小于 2， 則判斷溢出次數
TB＿OVCOUNT 是否等于 10。 若等于 10，則表示 20s 內無信號輸入，清零脈沖計數 PULSE。 否則溢出次數加 1，繼續等待并判斷；當捕獲脈沖個數大于等于 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后清周期中斷標志并退出中斷。
進入 TBCCR0 的捕捉中斷服務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計中，我們制定了一套多層次的調用函數，便于在使用時根據不同的要求靈活調用和擴展，做到了分層化、模塊化，提高了代碼重用性和擴展性。 為了盡可能提高頻率的顯示精度，根據渦街流量計的精度要求， 對于不同頻率段， 頻率顯示的小數位數不同，采用 0．1～2．5Hz 顯示 4 位小數，2．5～25Hz 顯示 3 位小數，25 ～250Hz 顯示 2 位 小 數 ，250～2500Hz 顯示 1 位小數 ，2500Hz 以上不顯示小數 。 此外， 對于zui后一個有效數字進行了四舍五入修正， 進一步提高測頻精度。
按鍵程序設計遵循以下原則：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由于按鍵數量很少， 利用狀態組合法實現按鍵復用功能。 因此采用置標志位的方法， 使程序簡化。 具體的按鍵中斷程序流程圖如下。 MODE 為界面標志，1 為運行狀態，2 為調試狀態，3～5 為設置狀態。
四個按鍵分別定義如表 1 功能便于系統操作。
3.實驗結果分析
在實驗測試中， 主要針對渦街流量計進行了人機界面的軟硬件聯調，并對軟、硬件設計進行了驗證。 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 個頻率測試數據，并計算了顯示頻率與實際頻率的誤差。
測試結果表明， 頻率測量模塊達到原先設計設想和0．2％的精度要求，且測頻方案的測頻精度很高，達到了 0．05％。
4.結束語
通過實驗驗證了所設計人機界面的實用性， 后續也可以增加新的參數與功能，使得人機界面更為多樣化。
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