專利名稱：低功耗數(shù)字式渦街流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到嵌入式系統(tǒng)與數(shù)字信號處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
渦街流量計一般采用壓力敏感元件將渦街流量計旋渦發(fā)生體上受到的橫向交變升力作用轉(zhuǎn)換為電信號，從電信號中提取渦街頻率，進而根據(jù)渦街頻率與流體流量的關(guān)系得到被測流量。盡管渦街流量計具有種種優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些實際問題，影響到這種流量計的應(yīng)用與推廣。問題主要包括(1)渦街流量計的下限量程遠遠高于理論上可能的最小值；(2)流量計的抗振性較差，工業(yè)現(xiàn)場普遍存在的閥、泵、壓縮機等動力設(shè)備和現(xiàn)場隨機出現(xiàn)的各種強振動源都可能使測量結(jié)果出現(xiàn)很大的誤差，甚至導(dǎo)致流量計難以正常工作，這些情況在流量計的低量程范圍內(nèi)表現(xiàn)的尤為明顯。前述問題的存在與渦街流量計的測量原理、旋渦發(fā)生體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、檢測元件性能與結(jié)構(gòu)、流量計的現(xiàn)場安裝等都有關(guān)系，但是限制流量計性能最主要的因素則是渦街流量計的信號處理方法。
在信噪比較高的情況下，模擬信號處理方法處理流量計檢測信號的效果是很好的。但是，當信噪比較低、檢測信號中包含了幅值較大的周期性或沖擊噪聲時，模擬信號處理方法不能有效的濾除噪聲成分，容易造成整形時的誤觸發(fā)，產(chǎn)生錯誤的測量結(jié)果。更重要的是，有用信號波形的峰值大致與流速(渦街頻率)的平方成正比，因此當進行低流速測量時，渦街頻率較低，信號幅值較小，信噪比降低，經(jīng)常性的噪聲(如流動噪聲)的幅值則相對增強，以至于淹沒有用信號；由于這些情況主要出現(xiàn)在測量的低量程段，信號處理方法的不足直接導(dǎo)致了流量計的量程的縮小。實際中，為了去除小流量時噪聲對測量結(jié)果產(chǎn)生的嚴重影響，電路中一般要加入高通環(huán)節(jié)以切除測量的低頻段；而由于不同管道口徑、流體類型的對應(yīng)需要切除的信號頻帶不同，配套電路的元件會進行相應(yīng)的調(diào)整；上述情況人為的造成了渦街流量計測量范圍窄、產(chǎn)品型號復(fù)雜、抗振性和互換性差的缺點。
目前渦街流量計數(shù)字信號處理使用尚不多見，已知的具有數(shù)字信號處理功能的渦街流量計一般采用的處理流程是對測量信號進行采樣并將采樣序列傳遞給計算機或數(shù)字信號處理器；利用編制的頻譜分析軟件分析采樣序列的頻域特征；從分析結(jié)果中推斷渦街頻率。其中，頻譜分析軟件采用的信號處理方法是整個信號處理流程的關(guān)鍵。但目前采用的處理方法缺乏針對信號的特點和信號處理的需要來建立信號模型和確定仿真方案。由于渦街流量計檢測信號中包含多種難以去除的周期性噪聲成分，因此能夠精確估計隨機信號中多個周期性分量參數(shù)的這種算法對于有效提取噪聲背景中的渦街頻率信息、提高信號處理質(zhì)量具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用嵌入式微控制器MCU與DSP組合的低功耗數(shù)字式渦街流量計，該流量計能夠在強噪聲背景中，完成精確的渦街頻率信息提取，改變現(xiàn)有渦街流量儀表需要根據(jù)口徑、介質(zhì)更換電路元件的矛盾，并且能夠擴展量程，尤其是能對微小流量信號和低信噪比信號的準確測量。
低功耗數(shù)字式渦街流量計，主要由渦街傳感頭1、電荷放大器2、差動放大器3、抗混迭濾波器4、嵌入式微控制器5以及數(shù)字信號處理器6等組成。流量信號經(jīng)渦街傳感頭1接入模擬信號預(yù)處理電路(圖2)中第一級電荷放大器2的輸入端，轉(zhuǎn)換為電壓信號接入第二級運放組成的差動放大器3和抗混迭濾波器4(圖2)。預(yù)處理成模擬電壓信號輸入嵌入式微控制器MCU(5)A/D轉(zhuǎn)換接口中的任意一路P6.0(共八路)。由MCU(5)和數(shù)字信號處理器DSP(6)組成雙核心中央處理單元，二者通過MCU任選的一組I/O接口P4連接DSP的HPI(主機接口)數(shù)據(jù)線HD0～7，P2和P3口的任意7根口線連接HPI的控制線(參照圖4與圖5)，一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)在MCU和DSP(6)之間互傳，另一方面將存儲于MCU程序空間的算法程序傳入DSP中。由MCU(5)其余I/O接口的任意3根組成串行顯示(圖5)，通過PWM輸出的P1.1接口組成遠傳電路，并利用MCU(5)的兩組UART硬件中的任選一組作為通訊接口7(圖5)，現(xiàn)場工作參數(shù)通過通信接口7由計算機寫入微控制器的FlashROM單元中存儲。本發(fā)明的硬件框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為三部分模擬信號預(yù)處理電路，數(shù)字信號處理電路和人機交換接口部分。渦街流量計中渦街傳感頭1輸出的信號是含有各種噪聲的電荷信號，并且幅值很小。模擬信號預(yù)處理電路通過以運算放大器為主體的模擬電路對采集到的電荷信號進行了三方面的處理①通過輸入級的電荷放大器2將流量計壓電檢測元件輸出的交變電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；②通過差動放大器3和后續(xù)電路的放大功能實現(xiàn)了交變信號的幅值放大；③通過模擬低通濾波器構(gòu)成的抗混迭濾波器4實現(xiàn)了信號模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的濾波。模擬信號預(yù)處理電路見圖2所示。電荷放大器2(圖2中的第一級放大器組成的電路)將輸入電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出的高阻抗前置放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。差動放大器3將數(shù)據(jù)采集之前的信號放大然后送入抗混迭濾波器4(圖2中的第二級放大器組成的電路)。預(yù)處理后的信號輸入MSP430F149微控制器5其中的一個A/D轉(zhuǎn)換接口，MSP430F149集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器直接采集低通濾波后的渦街信號，使用任選的3根通用I/O接口連接串行控制的液晶顯示器件(LCD)，保證整機的低功耗。MSP430F149的硬件UART接口實現(xiàn)與外部通訊，完成參數(shù)管理。數(shù)字信號處理器6作為數(shù)據(jù)處理核心，也從單片微控制器MSP430F149處得到數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果傳送回MCU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩绞峭ㄟ^DSP的主機接口(HPI)與MCU的I/O接口連接。由于DSP不具備非易失的程序存儲器，本發(fā)明設(shè)計利用HPI接口將存儲于MCU程序空間的DSP程序傳入DSP中，并利用Bootloader功能啟動DSP的運行。DSP中的核心算法采用松弛陷波周期圖法對信號進行數(shù)字信號處理，該算法將周期圖引入最大似然估計過程，易于實現(xiàn)實時處理。
松弛陷波算法是基于周期圖法的一種最大似然估計法，即先對結(jié)果做粗略的估計，再使估計的錯誤逐漸減小直至結(jié)果趨近于真值?？紤]到在周期圖中，強諧波的譜峰總是影響較弱諧波的分辨，在這種情況下，松弛陷波算法通過去除強諧波，使較弱諧波凸顯出來。其函數(shù)式為XM=X-Σm=1K-1α^mω(f^m)]]>C=||X-Σm=1Kα^mω(f^m)||2]]>滿足局部收斂條件ΔC ≤ε；ω(fi)＝[1，exp(j2πfi)，...exp[j2πfi(N-1)]]TX-頻域信號；M-陷波次數(shù)；K-諧波總數(shù)；ε則為根據(jù)實際情況確定的一個常數(shù)其中多諧波頻率最大似然估計公式如下式f^k=maxf1N|Σn=0N-1exp(-2πfn)xk(n)|2]]>此時，復(fù)幅值的最大似然估計見式α^k=1NΣn=0N-1exp(-j2πf^kn)xk(n)]]>其中N--采樣數(shù)； 次諧波頻率的最大似然估計；f--各諧波頻率；xk(n)--離散采樣信號； 次諧波幅值的最大似然估計；n＝0、1、...、N-1。
本發(fā)明的有益效果在于選用的數(shù)字信號處理器和16位單片微控制器具有超低功耗、低電壓、高抗干擾能力和高集成度，其中的MCU內(nèi)部集成了定時器、通用I/O、12位200kbps的A/D轉(zhuǎn)換器、60KB flash ROM存儲器、2KB RAM寄存器、看門狗電路、硬件串行接口等豐富的功能模塊，本發(fā)明正是利用這些特點減少外圍電路，完成強大的控制功能，并與DSP芯片的高速計算能力相結(jié)合，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的智能化、低功耗和寬適用范圍。實驗數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明能夠有效的抑制了流量計在現(xiàn)場測量中存在的管道振動、流速噪聲等干擾，從而實現(xiàn)小流量測量，擴大量程的下限，使渦街流量計的量程比有了較為明顯的擴大。本發(fā)明的應(yīng)用實例可以準確測量流速從0.18m/s～6.22m/s的渦街信號，使量程比到達1∶35，即(在25mm口徑的管道上)可以準確測量到雷諾數(shù)為4.90×103(即頻率在0.18m/s左右)的渦街信號，基本上接近了理論上的下限值(雷諾數(shù)為3×103)。


附圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)整體框圖。
附圖2為模擬信號預(yù)處理電路圖。
附圖3為水流量實流標定實驗裝置原理圖。
附圖4為DSP(數(shù)字信號處理器)模塊原理圖。
附圖5為MCU(微控制器模塊)原理圖。
附圖6為由AM402芯片組成的4-20mA供電遠傳模塊原理圖。
附圖7為DSP軟件流程圖。
附圖8為MSP430主程序流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖3～附圖8并通過實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
首先本發(fā)明采用標準表法在水流量實驗裝置上進行水流量實流標定(如圖3所示)。流量實驗在25mm口徑的裝置上進行的，標準表是10mm和15mm口徑的渦輪流量計。流量計A即本發(fā)明設(shè)計的渦街，流量計B就是傳統(tǒng)的模擬儀表，用來作比較。實驗數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明能夠有效的抗干擾從而擴大量程的下限，使渦街流量計的量程比有了較為明顯的擴大。以25mm口徑的渦街流量計為例，傳統(tǒng)的模擬方法處理信號的渦街量程一般為1.1m3/h～11m3/h(量程比為1∶10)，此時渦街流速為0.62m/s～6.22m/s左右，這樣只能覆蓋很小一部分的渦街信號頻帶。實驗表明，本發(fā)明可以準確測量流速從0.18m/s～6.22m/s的渦街信號，使量程比到達1∶35，即(在25mm口徑的管道上)可以準確測量到雷諾數(shù)為4.90×103(即頻率在0.18m/s左右)的渦街信號，基本上接近了理論上的下限值(雷諾數(shù)為3×103)，而同時使用的模擬方法的渦街流量計一般只能檢測到流速在0.62m/s以上的渦街信號(雷諾數(shù)為15×103左右)，所以本發(fā)明在擴大渦街流量計的量程比的方面是卓有成效的。并且由于選用的芯片是超低功耗的，模塊集成度高，所以系統(tǒng)的功耗可以控制在4mA以下，可實現(xiàn)4～20mA兩線制遠傳，方便了現(xiàn)場儀表的安裝與信號傳輸。
本實施例的DSP選用TMS320C5416(如圖4)，它由TI公司生產(chǎn)是從屬于TMS320C54x系列的16位定點DSP芯片。DSP作為數(shù)據(jù)處理核心，主要從單片微控制器MSP430F149處得到數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果傳送回MCU，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩绞峭ㄟ^DSP的主機接口(HPI)與MCU的I/O接口連接，由于MSP430F149有6組8位I/O接口，在本實施例中選擇P4口作為數(shù)據(jù)口連接DSP的HD0-7，P2和P3口的任意7根口線連接HPI的控制信號線。由于DSP不具備非易失的程序存儲器，利用HPI接口將存儲于MCU程序空間的DSP程序傳入DSP中，并利用Bootloader功能啟動DSP的運行。
微控制器5(MCU)選用TI公司的16位單片微控制器MSP430F149(如圖5)。MSP430F149集成的12位A/D轉(zhuǎn)換器直接采集低通濾波后的模擬渦街信號，省略了傳統(tǒng)渦街的后續(xù)整形電路，提高了電路的通用性。使用任選的3根通用I/O接口連接串行控制的LCD顯示器件，保證整機的低功耗。MSP430F149的一組硬件通用異步串行接口(UART)實現(xiàn)與外部通訊，完成參數(shù)管理，內(nèi)部Flash ROM存儲運行數(shù)據(jù)，WDT和DCOCLK電路模塊保證整個系統(tǒng)上電復(fù)位、振蕩器起振、程序運行的可靠性。另外，系統(tǒng)通過AM402和PS767D301電源芯片向微控制器系統(tǒng)和DSP的接口電路提供3.3V工作電壓，向DSP芯片提供1.5V核電壓，而且通過連接MSP430F149具備PWM輸出的P1.1接口，AM402與其外圍電路組成了4-20mA信號的遠傳模塊(如圖6所示)，使得工業(yè)現(xiàn)場的自動化監(jiān)測和總線管理得以方便實現(xiàn)。
本發(fā)明采用主機接口HPI由MCU的Flash ROM向DSP導(dǎo)入程序，HPI初始化由MCU完成，然后DSP完成自身的中斷和其他工作寄存器的初始化工作，進入查詢狀態(tài)，等待MCU將采來的數(shù)據(jù)送入指定空間，一旦完成采集和傳送，DSP即開始進行松弛陷波周期圖法的運算，并將計算所得頻率f代入下式，完成最終的流量計算，計算結(jié)果由MCU取回進行后續(xù)的顯示、存儲等處理。DSP部分的軟件設(shè)計流程如圖7所示。
Q=3600×fK]]>其中Q--流體體積流量，K--標定的儀表系數(shù)。
MCU部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲及遠傳等功能，運行時，MSP430F149初始化先設(shè)置時鐘頻率和液晶驅(qū)動器，硬件串口，A/D轉(zhuǎn)換模塊，通用I/O接口等。然后MCU初始化HPI接口，并將DSP程序?qū)?，啟動DSP的工作。初始化完成后，MSP430F149檢查串口有無參數(shù)輸入，若沒有參數(shù)置入，則調(diào)用過去的參數(shù)，后續(xù)程序參數(shù)管理通過中斷實現(xiàn)。MCU進入主循環(huán)后，程序以1秒為周期，通過A/D連續(xù)采集數(shù)據(jù)，每256個數(shù)據(jù)一組傳入DSP中，再取回上一次的運算結(jié)果，進行補償修正，比較上下限，進行數(shù)據(jù)顯示及遠傳處理，然后對相應(yīng)的標志位進行置位，進入低功耗模式，再由定時中斷返回后退出低功耗模式返回主循環(huán)。主程序流程圖見圖8所示。
權(quán)利要求
1.低功耗數(shù)字式渦街流量計，主要由渦街傳感頭(1)、電荷放大器(2)、差動放大器(3)、抗混迭濾波器(4)、嵌入式微控制器(5)以及數(shù)字信號處理器(6)等組成，其特征是流量信號經(jīng)渦街傳感頭(1)接入模擬信號預(yù)處理電路中第一級電荷放大器(2)的輸入端，轉(zhuǎn)換為電壓信號接入第二級運放組成的差動放大器(3)和抗混迭濾波器(4)，預(yù)處理成模擬電壓信號輸入嵌入式微控制器MCU(5)A/D轉(zhuǎn)換接口中的任意一路P6.0(共八路)，由MCU(5)和數(shù)字信號處理器DSP(6)組成雙核心中央處理單元，二者通過MCU任選的一組I/O接口P4連接DSP的HPI(主機接口)數(shù)據(jù)線HD0～7，P2和P3口的任意7根口線連接HPI的控制線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在MCU和DSP(6)之間互傳，并將存儲于MCU程序空間的算法程序傳入DSP中，由MCU(5)其余I/O接口的任意3根組成串行顯示，通過PWM輸出的P1.1接口組成遠傳電路，并利用MCU(5)的兩組UART硬件中的任選一組作為通訊接口(7)，現(xiàn)場工作參數(shù)通過通信接口(7)由計算機寫入微控制器的Flash ROM單元中存儲。
2.低功耗數(shù)字式渦街流量計，其特征是流量數(shù)字信號的處理應(yīng)用松弛陷波算法進行，其函數(shù)式為XM=X-Σm=1K-1α^mω(f^m)]]>C=||X-Σm=1Kα^mω(f^m)||2]]>滿足局部收斂條件ΔC≤ε；ω(fi)＝[1，exp(j2πfi)，...exp[j2πfi(N-1)]]TX-頻域信號；M-陷波次數(shù)；K-諧波總數(shù)；ε則為根據(jù)實際情況確定的一個常數(shù)其中復(fù)頻率和復(fù)幅值的最大似然估計見下式f^k=maxf1N|Σn=0N-1exp(-2πfn)xk(n)|2]]>α^k=1NΣn=0N-1exp(-j2πf^kn)xk(n)]]>N——采樣數(shù)； ——k次諧波頻率的最大似然估計；f——各諧波頻率；xk(n)——離散采樣信號； ——k次諧波幅值的最大似然估計；n＝0、1、…、N-1。
全文摘要
本發(fā)明涉及到儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域中的嵌入式系統(tǒng)與數(shù)字信號處理技術(shù)。低功耗數(shù)字式渦街流量計主要由渦街傳感頭、電荷放大器、差動放大器、抗混迭濾波器、嵌入式微控制器以及數(shù)字信號處理器等組成。采用嵌入式微控制器MCU與DSP組成雙核心中央處理單元，信號在MCU中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)由主機接口傳入DSP，處理后的數(shù)據(jù)再經(jīng)HPI接口傳回MCU中，由微控制器完成顯示、控制、存儲及遠傳功能。該流量計能夠在強噪聲背景中，完成精確的渦街頻率信息提取，改變現(xiàn)有渦街流量儀表需要根據(jù)口徑、氣液更換電路的矛盾。本發(fā)明可準確測量流速從0.18m/s～6.22m/s的渦街信號，使量程比到達1∶35，可以準確測量到雷諾數(shù)為4.90×10
文檔編號G01F1/32GK1563907SQ200410019008
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者張濤, 孫宏軍, 段瑞峰 申請人:天津大學(xué)