專(zhuān)利名稱：抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域，為一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，特別是一種以數(shù) 字信號(hào)處理器(DSP)為核心、周期圖譜分析與陷波濾波相結(jié)合的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流 量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于FFT的功率譜分析方法處理渦街流量傳感器的輸出信號(hào)，可以從含有噪聲的傳 感器輸出信號(hào)中有效地提取出渦街流量信息，與常規(guī)的放大、濾波、整形和計(jì)數(shù)的方法 相比，可以擴(kuò)展量程比和保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度。由于這種方法是根據(jù)能量最大的原則來(lái)決 定渦街信號(hào)頻率的，即認(rèn)為在傳感器輸出信號(hào)中，頻譜能量最大處所對(duì)應(yīng)的頻率是渦街 流量的頻率。可見(jiàn)，采用這種方法的甜提是渦街流量信號(hào)的能量要大于噪聲的能量。在 一般情況下，大部分隨機(jī)噪聲的能量都是小于渦街信號(hào)的能量。但是，有些現(xiàn)場(chǎng)存在著 一些強(qiáng)干擾，其能量往往大于渦街信號(hào)能量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，來(lái)自管道的振動(dòng) 對(duì)渦街流量計(jì)的影響最大。當(dāng)流量小時(shí)，管道振動(dòng)的能量往往大于渦街信號(hào)的能量，并 且振動(dòng)頻率在渦街信號(hào)的頻率范圍內(nèi)。若仍然根據(jù)能量最大的原則來(lái)判斷，就會(huì)造成很
大的測(cè)量誤差?？紤]到當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和管道安裝好之后，振動(dòng)的頻率就固定下來(lái)了這個(gè)實(shí) 際情況，本發(fā)明專(zhuān)利提出以下方案來(lái)解決此問(wèn)題(l)采集渦街傳感器的信號(hào)進(jìn)行頻譜 分析，根據(jù)渦街流量信號(hào)是寬帶信號(hào)和固定振動(dòng)信號(hào)是窄帶信號(hào)的特點(diǎn)，以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 的有關(guān)參數(shù)，例如電機(jī)的轉(zhuǎn)速等，確定出管道的固定干擾頻率；(2)根據(jù)固定干擾頻率， 設(shè)計(jì)陷波濾波器，以陷掉固定干擾信號(hào)。與我們通常使用陷波濾波器不同，這里設(shè)計(jì)的 陷波濾波器并不把某一個(gè)或者數(shù)個(gè)要陷波的頻率分量限制到零，而是限制到截止幅值。 若將要陷波頻率的幅值限制到零，因?yàn)檫@個(gè)頻率在流量信號(hào)的頻率范圍之內(nèi)，就可能將 流量信號(hào)去掉，也就無(wú)法反映流量的大小。截止幅值是數(shù)字渦街流量計(jì)設(shè)置的一個(gè)參數(shù)， 當(dāng)電荷放大器和電壓放大器的輸出電壓小于這個(gè)截止幅值時(shí)，就認(rèn)為傳感器的輸出是干 擾信號(hào)，就將其截除。

發(fā)明內(nèi)容
4本發(fā)明要解決的問(wèn)題是目前的數(shù)字渦街流量計(jì)均是基于渦街信號(hào)能量最大這個(gè)原 則去處理渦街傳感器信號(hào)，當(dāng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)存在一些固定頻率的強(qiáng)干擾時(shí)，其能量大于渦街 流量信號(hào)的能量，若按能量最大的原則去確定流量信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是對(duì)渦街傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行陷波濾波，將固定的干擾 頻率分量陷到儀表設(shè)置的截止幅值。這個(gè)截止幅值是正常情況下，流量計(jì)測(cè)量范圍下限 所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值。然后，再進(jìn)行頻譜分析，即采用基于FFT的功率譜分析出信號(hào)頻譜， 然后通過(guò)尋找最大功率譜的位置來(lái)確定渦街信號(hào)的頻率，再對(duì)渦街信號(hào)頻率進(jìn)行后處 理，包括頻譜校正、加速、限幅濾波和平均處理，以快速地準(zhǔn)確的頻率值。依據(jù)頻率和 儀表系數(shù)就可以計(jì)算出流量。
具體的技術(shù)解決方案如下
本發(fā)明系統(tǒng)由渦街傳感器、電荷放大器、無(wú)源低通濾波器、限幅放大器，有源低通 濾波器、電壓跟隨器、電源模塊、DSP芯片、LCD模塊、鍵盤(pán)模塊、通訊模塊、EEPR0M、 有源晶振；
從渦街傳感器輸出的微弱電荷信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)電荷放大器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；由 于信號(hào)幅值較小，而且含有許多噪聲，再經(jīng)過(guò)一級(jí)低通濾波電路和一級(jí)限幅放大電路； 為了避免信號(hào)飽和對(duì)電路、信號(hào)頻率計(jì)算造成影響，采用限幅放大電路；放大后的信號(hào) 再經(jīng)過(guò)低通濾波器，濾除信號(hào)中的高頻干擾，由電壓跟隨器(緩沖器)輸出，被DSP自帶 的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量；DSP采用基于FFT的功率譜分析和陷波濾波器相結(jié)合 的方法，對(duì)ADC采樣轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理；當(dāng)信號(hào)質(zhì)量比較好時(shí)，即干擾能量比較小， 數(shù)值不超過(guò)信號(hào)幅值時(shí)，不需要使用陷波濾波器，采用基于FFT功率譜分析出信號(hào)頻譜， 通過(guò)尋找最大功率譜位置來(lái)確定渦街信號(hào)頻率，再對(duì)渦街信號(hào)頻率進(jìn)行后處理，包括頻 譜校正、加速算法、限幅濾波和平均處理，快速得到準(zhǔn)確的渦街信號(hào)頻率；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)存在 比較強(qiáng)的固定干擾時(shí)，打丌陷波濾波器，限制干擾噪聲，使其不超過(guò)渦街流量信號(hào)，再 進(jìn)行如上所述的頻譜分析和后處理，得到渦街信號(hào)頻率；將渦街信號(hào)頻率送到LCD顯示， 并通過(guò)通信模塊送到外部MCU(單片機(jī))進(jìn)行處理。
采用陷波濾波器與頻譜分析相結(jié)合的數(shù)字處理方法，首先對(duì)渦街傳感器輸出信號(hào)進(jìn) 行陷波濾波，將固定頻率的強(qiáng)干擾噪聲陷到儀表設(shè)置的截止幅值，再采用基于FFT的功 率譜分析出信號(hào)的頻譜，然后，通過(guò)尋找最大功率譜的位置來(lái)確定出渦街流量信號(hào)的頻率。
設(shè)計(jì)的陷波濾波器的陷阱寬度與A之間的關(guān)系為P2 =" + ^ + ，2，其中，w為陷阱
寬度，a = 1.0001568, 6 = -3.1566654， c =-15.010120;陷阱深度為d-^L;根據(jù)
1-A
陷阱的寬度和深度就可以確定A和A， A和A是陷波濾波器傳遞函數(shù)中的參數(shù)，與陷 波濾波器的寬度與深度有關(guān)。
采用按頻率抽取基2的FFT算法，在DSP中采用匯編語(yǔ)言編程，采用定點(diǎn)運(yùn)算來(lái)實(shí)
現(xiàn)這種算法；為了準(zhǔn)確地分析小幅值信號(hào)的頻譜，在做FFT之前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放，即
當(dāng)數(shù)據(jù)太大時(shí)，將數(shù)據(jù)縮小；而當(dāng)數(shù)據(jù)太小時(shí)，將數(shù)據(jù)放大。
為了加快響應(yīng)速度，將渦街信號(hào)頻率值放在一個(gè)50點(diǎn)長(zhǎng)度的循環(huán)隊(duì)列21中，設(shè)置
了 一個(gè)門(mén)限值>e 一//mzY ;當(dāng)新進(jìn)入gl的頻率值在同 一方向上連續(xù)4個(gè)超過(guò)/re — ///wY時(shí)，
則平均過(guò)程重新開(kāi)始，過(guò)去的數(shù)據(jù)不參與平均。
采用限幅濾波的方法對(duì)渦街信號(hào)頻率進(jìn)行處理，即對(duì)進(jìn)入Q1的頻率進(jìn)行限幅濾波 ' 厶 ，1厶-鈿"|
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式中，厶是濾波后的頻率值，《是當(dāng)甜頻率，力是過(guò)去輸出的頻率。
采用了兩級(jí)平均處理，即除了循環(huán)隊(duì)列0以外，再開(kāi)辟一個(gè)50點(diǎn)長(zhǎng)度的循環(huán)隊(duì)列
22，由功率譜分析得到的結(jié)果先放入。i，對(duì)2i里面的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行如前所述的處理后，
再進(jìn)行平均；將平均結(jié)果放入g2，對(duì)02進(jìn)行去最大和最小值后，再進(jìn)行滑動(dòng)平均，得 到最終的渦街信號(hào)頻率。
數(shù)字信號(hào)處理器采用MICROCHIP公司的DSPIC33FJ256MC710型DSP芯片；DSP芯片 外接一容量為4KB存儲(chǔ)器芯片EEPR0M，以保存儀表參數(shù)、流量信息；DSP芯片第51和52 腳和通訊模塊連接，通訊模塊和外部MCU通訊；DSP第63腳和高精度有源晶振Ul 1連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(l)采用陷波濾波與功率譜相結(jié)合的方法，有效地解決了強(qiáng)干擾 噪聲對(duì)渦街流量信號(hào)的影響；(2)提出加速算法，加快了儀表的響應(yīng)速度；(3)通過(guò)限幅 濾波和兩級(jí)平均處理，減小了測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)。


6圖1是本發(fā)明系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是本發(fā)明系統(tǒng)主要算法流程圖。 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)中電荷放大器的電路原理圖。 圖4是偏置電壓電路原理圖。
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)中無(wú)源低通濾波器和限幅放大器的電路原理圖。
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)中有源低通濾波器和電壓跟隨器的電路原理圖。
圖7是本發(fā)明系統(tǒng)中dsp芯片的電路原理圖。
圖8是本發(fā)明系統(tǒng)中24v變換到3. 3v的電路原理圖。
圖9是本發(fā)明系統(tǒng)中3. 3V到3V的電路原理圖。
圖io是本發(fā)明系統(tǒng)中eeprom模塊的電路原理圖。
圖11是本發(fā)明系統(tǒng)中通信模塊的電路原理圖。
圖12是本發(fā)明系統(tǒng)中鍵盤(pán)電路的原理圖。
圖13是本發(fā)明系統(tǒng)中液晶接口的電路原理圖。
圖14是本發(fā)明系統(tǒng)中有源品振、系統(tǒng)正常工作顯示電路的電路原理圖。
圖15 p-0.99時(shí)的陷波濾波器幅頻特性。
圖16 p=0.9時(shí)的陷波濾波器幅頻特性。
圖17 Pl =0.998、 ^-0.99時(shí)的陷波濾波器幅頻特性。
圖18 ^=0.98、 /72=0.9時(shí)的陷波濾波器幅頻特性。
圖19 p,=0.99、 p,0.998時(shí)的陷波濾波器幅頻特性。
圖20 a =0.9、 ^=0.98時(shí)的陷波濾波器幅頻特性。
圖21 A=0.994、 A-0.99時(shí)不同陷阱頻率下的陷阱深度。
圖22 a =0.998、 ^=0.99時(shí)不同陷阱頻率下的陷阱深度。
圖23陷阱寬度與A之間的關(guān)系曲線。
圖24 50Hz和55Hz疊加信號(hào)。
圖25 50Hz和55Hz疊加信號(hào)的幅值譜。
圖26陷波后的信號(hào)波形。
圖27陷波后信號(hào)的頻譜。
圖28頻率計(jì)算結(jié)果的波動(dòng)情況。
圖29經(jīng)過(guò)處理后的頻率波動(dòng)情況。
7圖30后處理流程圖。 圖31軟件總體結(jié)構(gòu)框圖。 圖32監(jiān)控程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩的說(shuō)明。
本發(fā)明系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。本發(fā)明系統(tǒng)由渦街傳感器、電荷放大 器、無(wú)源低通濾波器、限幅放大器，有源低通濾波器、電壓跟隨器、電源模塊、DSP芯 片、LCD模塊、鍵盤(pán)模塊、通訊模塊、EEPR0M、有源晶振。
本發(fā)明系統(tǒng)的工作過(guò)程為從渦街傳感器輸出的微弱電荷信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)電荷放大 器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。由于信號(hào)幅值較小，而且含有許多噪聲，所以，再經(jīng)過(guò)一級(jí)低 通濾波電路和一級(jí)限幅放大電路。為了避免信號(hào)飽和對(duì)電路、信號(hào)頻率計(jì)算造成影響， 這里采用了限幅放大電路。放大后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)低通濾波器，濾除信號(hào)中的高頻干擾， 由電壓跟隨器(緩沖器)輸出，被DSP自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量。DSP采用FFT 功率譜分析和陷波濾波器相結(jié)合的方法，對(duì)ADC采樣轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)信號(hào)質(zhì) 量比較好時(shí)，即干擾能量比較小，數(shù)值不超過(guò)信號(hào)幅值時(shí)，不需要使用陷波濾波器。采 用基于FFT的功率譜分析出信號(hào)頻譜，然后通過(guò)^找最大功率譜位置來(lái)確定渦街信號(hào)頻 率，再對(duì)渦街信號(hào)頻率進(jìn)行后處理，包括頻譜校正、加速算法、限幅濾波和平均處理， 以快速得到更為準(zhǔn)確的渦街信號(hào)頻率。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)存在比較強(qiáng)的固定干擾時(shí)，打開(kāi)陷波濾波 器，限制干擾噪聲，使其不超過(guò)渦街流量信號(hào)，從而不影響測(cè)量結(jié)果，再進(jìn)行如上所述 的頻譜分析和后處理，以消除強(qiáng)固定干擾的影響，快速得到更為準(zhǔn)確的渦街信號(hào)頻率。 將渦街信號(hào)頻率送到LCD顯示，并通過(guò)通信模塊送到外部MCU(單片機(jī))進(jìn)行處理。信號(hào) 處理算法流程如圖2所示。
如圖3所示，渦街傳感器，即壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)由放大器U2A、電容C1、 C2、 C4、 C5 、 C6、 C7、電阻R1、 R2、 R3、組成的電荷放大器放大，其中，C4、 C5、 C6、 C7是反饋電容，決定了電荷放大器的放大倍數(shù)。圖3和其它圖中的偏置電壓Vref由圖 4所示的偏置電路提供。偏置電路由運(yùn)算放大器U2B、電阻R6、 R7和電容C14組成，提 供1.5V直流電壓。
經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)隔直電容Cll，去除直流成分后，送至由電阻R8、 R9和電容 C15組成的無(wú)源低通濾波器，再進(jìn)入由放大器U5A、電容C17、電阻RIO、 Rll、 二極管D3、 D4組成的限幅放大器，如圖5所示。釆用限幅放大器是考慮到渦街流量傳感器輸出 信號(hào)的幅值與頻率成平方的關(guān)系，而渦街信號(hào)的頻率變化范圍較寬，所以，信號(hào)幅值變 化范圍很大。并且，同一傳感器測(cè)量不同介質(zhì)的流量時(shí)，信號(hào)幅值的差別也很大。為了 保證不同頻率和不同介質(zhì)情況下，渦街傳感器信號(hào)的幅值不會(huì)出現(xiàn)飽和的情況，以擴(kuò)展 量程比，并使送到單片機(jī)ADC輸入端的電壓幅值接近滿量程，以保證足夠的分辨率，所 以，采用限幅放大器。利用了二極管的正向?qū)妷汗潭ǖ奶攸c(diǎn)，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
經(jīng)過(guò)限幅放大器后的信號(hào)送至低通濾波器和電壓跟隨器，如圖6所示。低通濾波器 由放大器U5B、電容C22、 C23、電阻R12、 R15、 K16、 R17組成一個(gè)二階的多重反饋型 Butterworth低通濾波器。電壓跟隨器由放大器U5C組成。電壓跟隨器的輸出信號(hào)送至 DSP的第33管腳AN9，如圖7所示，供DSP的ADC采樣轉(zhuǎn)換后進(jìn)行周期圖譜分析。由于 系統(tǒng)的模擬信號(hào)處理電路釆用3V電源電壓，這里我們采用了軌到軌輸入、輸出的運(yùn)放。
本發(fā)明系統(tǒng)采用MICR0CHIP公司的dsPIC33FJ256MC710 DSP芯片為處理核心，如圖7 所示。系統(tǒng)在信號(hào)處理時(shí)用到FFT運(yùn)算，需要大容量的SRAM，但外擴(kuò)存儲(chǔ)器會(huì)大大增加 系統(tǒng)成本、功耗、體積，而dsPIC33FJ256MC710具有30KB的SRAM。
dsPIC33FJ256MC710是Microship 16位DSP系列中的高端產(chǎn)品，它具有256 KB的 程序存儲(chǔ)容量和30 KB的RAM容量。它將數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, 縮寫(xiě)為DSP)的計(jì)算能力與單片機(jī)(MOJ)的控制特性無(wú)縫地集成在一起。這種集成的功 能對(duì)于需要高速、重復(fù)計(jì)算和控制的應(yīng)用非常理想。另外，它集成了十分豐富的片內(nèi)外 設(shè)，主要有看門(mén)狗、9個(gè)16位定時(shí)器(可以配對(duì)成4個(gè)32位定時(shí)器)、輸入捕捉模塊、 輸出比較模塊、SPI串口、 12C總線、UART模塊、增強(qiáng)型CAN模塊、QEI模塊、32路輸 入通道的10/12位ADC、直接存儲(chǔ)器存取(固A)、端口 P0RTA 端口 P0RTG以及電機(jī)控 制P麗模塊。雖然dsPIC33FJ256MC710沒(méi)有集成液晶驅(qū)動(dòng)模塊，但是，外加一片液晶驅(qū) 動(dòng)模塊，同樣可以做到方便控制和低功耗。
dsPIC33FJ256MC710 DSP芯片提供了管理功耗的功能，該功能是通過(guò)有選擇地管理 CPU和外設(shè)的時(shí)鐘源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。dsPK'33FJ256MC710控制器件用以下四種方法管理功耗 l.時(shí)鐘頻率；2.基于指令的休眠模式和空閑模式；3.軟件控制的打盹模式；4.用軟件有 選擇地進(jìn)行外設(shè)控制。通過(guò)某種或多種功耗管理模式的使用可以將系統(tǒng)的功耗降到最 低。
為了滿足渦街流量計(jì)防爆和靜電抗擾度試驗(yàn)的要求，我們選擇了高效率、隔離型DC/DC模塊，并設(shè)計(jì)了外圍的保護(hù)電路、濾波電路，如圖8所示。由于使用了隔離型的 DC/DC，我們可以將系統(tǒng)的模擬地接表殼，提供系統(tǒng)最好的屏蔽。DC/DC輸出的3.3V電 壓經(jīng)過(guò)濾波后作為數(shù)字部分的電源；DC/DC輸出3. 3V中含有較大紋波，經(jīng)過(guò)LC濾波后 由LD0變?yōu)?V作為模擬部分的電源，模擬地和數(shù)字地之間通過(guò)磁珠連接，如圖9所示。 圖10所示為EEPROM模塊。為了保存儀表參數(shù)、流量信息，系統(tǒng)外擴(kuò)了一片容量為 4Kb的EEPR0M。它具有可編程的看門(mén)狗定時(shí)器、低電壓檢測(cè)功能，而且具有低耗電的特
點(diǎn)。io萬(wàn)次的擦寫(xiě)次數(shù)保證了它的可靠運(yùn)行。
圖11所示為通信模塊。利用DSP的UART (DSP的51腳和52腳)接口與外部MCU 進(jìn)行通訊，獲取儀表參數(shù)信息或輸出相應(yīng)的流量信息。DSP與外部MCU之間加了一級(jí)光 耦隔離，數(shù)據(jù)在進(jìn)入光耦之前又進(jìn)行了一級(jí)脈沖整形，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?br> 本發(fā)明系統(tǒng)的人機(jī)接口電路由鍵盤(pán)電路和LCD顯示電路組成，如圖12和圖13所示。 鍵盤(pán)電路采用簡(jiǎn)單的非編碼鍵盤(pán)設(shè)計(jì)，共安排了四鍵設(shè)定、移位、遞增和確認(rèn)，如圖 12所示。鍵值由DSP的通用1/0口定時(shí)掃描。當(dāng)有鍵按下時(shí)相應(yīng)的口線為高電平。本發(fā) 明系統(tǒng)的LCD電路如圖13所示。選用定制的液晶顯示器，專(zhuān)用于流量、溫度、壓力等 儀表，采用了段式的顯示方法，便于編程控制，耗電量低。
圖14所示為系統(tǒng)有源晶振、正常工作顯示電路。因?yàn)檐浖惴▽?duì)時(shí)基的精度要求 較高，系統(tǒng)選擇了高精度的有源品振Ull， C37為電源去耦電容，能夠提供時(shí)間、溫度 長(zhǎng)期穩(wěn)定的時(shí)鐘，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。在系統(tǒng)正常工作后，DSP芯片的64腳，如圖7 所示，將輸出系統(tǒng)時(shí)鐘的信號(hào)，通過(guò)電阻R23驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管DS1，顯示系統(tǒng)正常工作。 _ 本發(fā)明系統(tǒng)采用FFT功率譜分析和陷波濾波器相結(jié)合的算法。當(dāng)渦街流量傳感器輸 出的信號(hào)質(zhì)量比較好時(shí)，即干擾信號(hào)的能量比渦街流量信號(hào)能量小時(shí)，不需要使用陷波 器。此時(shí)，首先采用FFT功率譜分析出信號(hào)頻譜，然后通過(guò)尋找最大功率譜的位置來(lái)確 定渦街信號(hào)的頻率，再對(duì)渦街頻率進(jìn)行校正得到精確的頻率，再對(duì)校正后的頻率進(jìn)行平 均得到最終的頻率測(cè)量結(jié)果。依據(jù)頻率和儀表系數(shù)就可以計(jì)算出流量。在一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 往往存在比較強(qiáng)的固定干擾，例如，裝有渦街流量計(jì)的管道與安裝著電機(jī)的臺(tái)架相連， 在這種情況下，若流量較小時(shí)，干擾所產(chǎn)生的信號(hào)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于渦街流量信號(hào)，從儀表顯 示來(lái)看，就是一個(gè)固定不變的頻率；若流量不是很小，干擾信號(hào)也往往大于渦街流量信 號(hào)，從儀表顯示來(lái)看，就是頻率在跳變， 一會(huì)是渦街流量的頻率， 一會(huì)是干擾噪聲的頻 率。為此，對(duì)渦街傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的有關(guān)參數(shù)，例如，電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者閥門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉的頻率等，判斷出現(xiàn)場(chǎng)固定干擾的頻率。將此頻率(可能 是一個(gè)，也可能是多個(gè))，作為陷波濾波器的陷阱頻率，通過(guò)面板設(shè)置進(jìn)本發(fā)明系統(tǒng)。 本發(fā)明系統(tǒng)首先對(duì)渦街傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行陷波濾波，將固定頻率的干擾分量陷到儀表 設(shè)置的截止幅值。這個(gè)截止幅值是正常情況下，流量計(jì)測(cè)量范圍下限所對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值。 需要指出的是，我們沒(méi)有將這個(gè)干擾頻率分量的幅值陷到零，因?yàn)榭紤]到這個(gè)干擾頻率 可能在渦街流量的頻率范圍之內(nèi)，若將這個(gè)頻率分量陷到零，就無(wú)法反映出這個(gè)頻率所 對(duì)應(yīng)的流量大小。然后，再進(jìn)行頻譜分析，即采用基于FFT的功率譜分析出信號(hào)頻譜， 然后通過(guò)尋找最大功率譜的位置來(lái)確定渦街信號(hào)的頻率，再對(duì)渦街頻率進(jìn)行校正得到精 確的頻率，再對(duì)校正后的頻率進(jìn)行加速、限幅濾波和平均處理，得到最終的頻率測(cè)量結(jié) 果。依據(jù)頻率和儀表系數(shù)就可以計(jì)算出流量。信號(hào)處理算法流程如圖2所示。
與帶阻濾波器相比，陷波器的好處是其帶寬可以做得很窄，同時(shí)，可以用較低的階 數(shù)實(shí)現(xiàn)阻帶的快速衰減，可以對(duì)兩個(gè)很靠近的信號(hào)進(jìn)行陷波。具有零極點(diǎn)約束的陷波濾 波器(零點(diǎn)在單位圓上，極點(diǎn)在單位圓內(nèi)，且零點(diǎn)和極點(diǎn)具有相同相角)的傳遞函數(shù)為
1+，;2—2 (1)
1 + +
式中，"=-2cosw。， w。為陷阱頻率，p(p〈l)為陷波濾波器傳遞函數(shù)中的參數(shù)，決定陷 阱寬度。圖15和圖16分別為不同p時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線，圖中的橫坐標(biāo)是歸一化頻率， 即w/w、， 0、.是采樣角頻率。
可見(jiàn)，P決定陷阱的寬度，yO越接近于l陷阱就越窄。在陷阱頻率處其幅值衰減到
0，這是因?yàn)樵谙葳孱l率處，分子為零，分母不為零。再求出陷波濾波器的零點(diǎn)為
2
極點(diǎn)為
一' —"± * - a2 / p =-
可見(jiàn)，|Z|=1，|/7|<1，即零點(diǎn)在單位圓上，極點(diǎn)在單位圓內(nèi)。
若用這樣的陷波濾波器對(duì)含有固定干擾頻率分量的信號(hào)進(jìn)行陷波，可以將干擾信號(hào) 變?yōu)榱?。但是，若這個(gè)頻率在流量頻率的范圍之內(nèi)，就有可能在消除干擾的同時(shí)，把流 量信息也去掉，這是我們所不希望的。為了使陷波濾波器的幅頻特性在陷波頻率處不為零，必須使式(l)的分子不為零。為了使分子不為零，同時(shí)，又要使分子與分母不相等，將式(l)改寫(xiě)為
(2)
1 +/ 2"z
式中，a = -2cosw。， A(A<1)， y02O2<l)， A和/^是陷波濾波器傳遞函數(shù)中的參數(shù)，與陷波濾波器的寬度與深度有關(guān)。圖17至圖22為式(2)取不同參數(shù)時(shí)的幅頻響應(yīng)特性曲線。
求出式(2)的零極點(diǎn)為
z =-禾u p =-
2A 、
可見(jiàn)，|z|<l,|p|<l，所以，零極點(diǎn)都在單位圓內(nèi)。由此得出以下結(jié)論
(1) 當(dāng)零點(diǎn)在單位圓內(nèi)時(shí)，陷波濾波器的陷阱處增益不再是0;
(2) A和A的值決定陷波濾波器的陷阱寬度，它們的值越接近于1，陷阱寬度就越
窄;
(3)當(dāng)A^^時(shí)，陷阱處為衰減；當(dāng)^〈A的時(shí)候，陷阱處為放大。因?yàn)楸景l(fā)明系統(tǒng)要用的是陷波濾波器，所以，僅分析p, >/ 2的情況。同時(shí)，為了
得到陷阱深度(陷阱頻率處的增益)與p,和p2的關(guān)系，進(jìn)行以下分析。
設(shè)w。為陷阱頻率，將z-e美=(^6;。+/3111 0和"=-2cos0。代入式(2)，可以求
出在陷阱頻率處的增益為
1 + a"z— + / 2 z一=(l-2/V +/ /)-4/^(1-2/^十a(chǎn)2)cos、 (3)V (1-2/ 22 + /324)-4/72(1-2/92 +p22)cos2 ( o
=|(1-A)2[(1 +A)2 -4A cos2w。〗V(l-p2)2[(l + y02)2 - 4p2 cos2 w。〗
若改變陷阱頻率，就可以畫(huà)出陷波濾波器在不同陷阱頻率下的陷阱深度曲線，如圖21至圖22所示。陷阱深度是陷波濾波器在陷阱頻率處的增益。注意，圖21至圖22與圖15至圖20上的陷波濾波器幅頻特性曲線圖的含義是不同的。
可見(jiàn)，若a和A固定，當(dāng)陷阱頻率不在歸一化頻率0、 0. 5和1時(shí)，即不在0、 fs/2和fs附近時(shí)(這一點(diǎn)在實(shí)際中是很容易得到滿足的)，陷阱深度基本上不變。當(dāng)p,和^非常接近于l，而w。不在0、 3i、 2n附近時(shí)，式(3)可以簡(jiǎn)化為
= |(1-a)2
1-A
可見(jiàn)，陷阱深度"由A和A決定，而不受^。影響。
由此，可以設(shè)計(jì)出具有固定陷阱深度的陷波濾波器。陷波濾波器的陷阱寬度由a和a決定，a和A越接近于1，陷阱越窄；陷阱的深度由式(4)的關(guān)系確定。
若需要陷2個(gè)固定的頻率，只需要再設(shè)計(jì)一個(gè)陷波濾波器，將此陷波濾波器與前一個(gè)陷波濾波器級(jí)聯(lián)即可。依此類(lèi)推，可以陷n個(gè)固定頻率的干擾。具體用程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，可以將幾個(gè)陷波濾波器的傳遞函數(shù)級(jí)聯(lián)后運(yùn)算，也可以對(duì)多個(gè)陷波濾波器進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)算，無(wú)論哪種方式，其計(jì)算量是相同的。
前面指出，式(l)分母中的/ 與陷阱寬度有關(guān)。設(shè)戶,=1，分析式(2)中分母中^與陷阱寬度的關(guān)系。陷阱寬度定義為信號(hào)衰減到原幅值的70.7%處的上、下限頻率之間的差值。為了得出對(duì)于任意采樣頻率都適用的結(jié)論，在此對(duì)頻率進(jìn)行歸一化處理，這樣對(duì)陷阱寬度也進(jìn)行了歸一化。采用Matlab語(yǔ)言，根據(jù)式(2)，針對(duì)不同的陷阱頻率，繪出不同^下的幅頻響應(yīng)曲線，根據(jù)這些曲線算出陷阱寬度，由此得到在不同的歸一化陷阱頻率下，陷阱寬度與A之間的關(guān)系，如表1所示。
表l陷阱寬度與/ 2之間的關(guān)系
陷阱寬度歸一化陷阱頻率0.10.20.30.4
0.90.0280.02780.02780.028
0.920.02290.02280.02280.0229
0.940.01760.01750.01760.0175
0.960.0120.0120.0120.012
0鄰0扁20.00620.00620.0062
0.990.00320.00320.00320.0032
0.9920麓60.00260.00260.0026
0.9960.00130細(xì)30細(xì)30細(xì)3
0.9980細(xì)60.00060.00060細(xì)6
0.9990扁40.00040細(xì)40.0004
從表l中行方向來(lái)看，當(dāng)A相同時(shí)，不同的陷阱頻率，陷阱寬度基本上相同；從列的方向來(lái)看，陷阱寬度與^存在一定的關(guān)系。為此，采用最小二乘擬合，建立出陷阱寬
13度與A之間的關(guān)系，如式(5)所示。
A-a + 6w + cw2 (5)
式中，w為陷阱寬度，。=1細(xì)1568， 6 = -3.1566654， c =-15.010120 ,圖23所示為陷阱寬度與A之間的關(guān)系曲線。
所以，我們可以根據(jù)陷阱深度和陷阱寬度，通過(guò)式(5)和式(4)來(lái)確定A和A。我們對(duì)陷波濾波器進(jìn)行了測(cè)試。圖24和圖25是50Hz和55Hz兩個(gè)相同幅值的信號(hào)疊加在一起時(shí)的信號(hào)和頻譜。采用在50Hz處陷阱深度為0. 3、寬度是10Hz的陷波濾波器對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行陷波濾波后的信號(hào)和相應(yīng)的頻譜如圖26和圖27所示?？梢?jiàn)，陷波濾波前50Hz和55Hz的信號(hào)幅值很接近；經(jīng)過(guò)陷波濾波后，50Hz的信號(hào)幅值大約衰減到為原來(lái)的30%左右，而55Hz的信號(hào)基本上沒(méi)有衰減。陷波濾波器效果很明顯。
由于定點(diǎn)算法精度限制，當(dāng)陷波濾波器陷阱頻率在/<0.02/;或/>0.48/,時(shí)，用定點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)的陷波濾波器就失效了，因?yàn)樵诙c(diǎn)算法中一個(gè)數(shù)用16位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，采用l. 15格式，即1位符號(hào)位、15位小數(shù)位，而采用浮點(diǎn)算法， 一個(gè)數(shù)用32位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其中尾數(shù)是23位，精度高、動(dòng)態(tài)范圍大，所以，就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。為了盡量減少計(jì)算量從而加快計(jì)算速度，在本發(fā)明系統(tǒng)中，當(dāng)陷波濾波器陷阱頻率在0.02^</<0.48/;范圍內(nèi)時(shí)采用匯編語(yǔ)§定點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)陷波濾波器，而當(dāng)陷阱頻率不在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，就采用C語(yǔ)言浮點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)陷波濾波器。
本發(fā)明系統(tǒng)采用基于FFT的功率譜分析方法處理經(jīng)過(guò)陷波濾波器的信號(hào)。FFT是離散傅里葉變換(DFT)的快速算法。采用按頻率抽取基2的FFT算法，在DSP中采用定點(diǎn)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)這種算法，精度高，時(shí)間少。在程序中，采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。為了能夠準(zhǔn)確地分析小幅值信號(hào)的頻譜，在做FFT之前，對(duì)數(shù)據(jù)迸行縮放，即當(dāng)數(shù)據(jù)太大時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)縮小；而當(dāng)數(shù)據(jù)太小時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)放大，經(jīng)過(guò)這樣處理后，F(xiàn)FT的計(jì)算精度得到很大的提高。
本發(fā)明系統(tǒng)在對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析后，通過(guò)尋找最大功率譜位置確定渦街信號(hào)的頻率。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)流量的準(zhǔn)確、快速測(cè)量，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了一些有效的后處理。(l)采用重心校正法對(duì)FFT功率譜分析結(jié)果進(jìn)行校正。校正公式如式(6)所示。A; * ;K^) + O +1) *少(々+1)
}(A:_1)<><A: + 1)
余1) = ># + 1)
(6)
式中，r是校正后的功率譜位置，A是最大功率譜的位置，少(Q是最大功率譜處的幅值。經(jīng)過(guò)校正后，就可以計(jì)算出渦街信號(hào)頻率，如式(7)所示。
(7)
式中，/、.是采樣頻率，w是采樣點(diǎn)數(shù)。
(2) 加快響應(yīng)速度。由于要對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均處理，所以會(huì)造成流量計(jì)輸出的延遲。若流量在短時(shí)間內(nèi)有較大變化，這個(gè)延遲將會(huì)引起較大的誤差。為了加快響應(yīng)速度，將渦街信號(hào)頻率值放在一個(gè)5O點(diǎn)長(zhǎng)度的循環(huán)隊(duì)列0中，設(shè)置了一個(gè)門(mén)限值/^ —//朋Y。當(dāng)新進(jìn)入21的頻率值在同一方向上連續(xù)4個(gè)超過(guò)_/^一//附"時(shí)，則平均過(guò)程重新開(kāi)始，過(guò)去的數(shù)據(jù)不參與平均。
(3) 限幅濾波。渦街流量計(jì)在小流量的時(shí)候信號(hào)微弱，信噪比降低，信號(hào)質(zhì)量比較差，頻譜分析得到的渦街頻率波動(dòng)比較大。特別是小口徑渦街流量計(jì)，由于傳感器安裝等原因，這種現(xiàn)象更為明顯。圖28中，曲線1為15mm 口徑渦街流量計(jì)在下限頻率附近，每次FFT計(jì)算得到的渦街頻率，曲線2為40咖口徑離下限頻率比較遠(yuǎn)時(shí)每次FFT計(jì)算后得到的渦街頻率?？梢?jiàn)，曲線1波動(dòng)大，數(shù)值約為30Hz。此時(shí)，即便采取平均措施，也無(wú)法使輸出頻率值穩(wěn)定。為此，本發(fā)明系統(tǒng)采用限幅濾波的方法對(duì)渦街信號(hào)頻率進(jìn)行了處理，即對(duì)進(jìn)入gl的頻率進(jìn)行限幅濾波，如式(8)所示。
<formula>formula see original document page 15</formula>式中，厶是濾波后的頻率值，,是當(dāng)前頻率，力是過(guò)去輸出的頻率。
(4) 平均處理。由于渦街傳感器輸出信號(hào)是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，且數(shù)字信號(hào)處理數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，必須采用平均才能更準(zhǔn)確地反映渦街信號(hào)的頻率。為此，采用了兩級(jí)平均處理，即除了循環(huán)隊(duì)列g(shù)l以外，再丌辟一個(gè)50點(diǎn)長(zhǎng)度的循環(huán)隊(duì)列g(shù)2，由功率譜分析得到的結(jié)果先放入^1，對(duì)0里面的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行如前所述的處理后，再進(jìn)行平均；將平均結(jié)果放入g2，對(duì)^2進(jìn)行去最大和最小值后，再進(jìn)行滑動(dòng)平均，得到最終的渦街信號(hào)頻率。
圖29是經(jīng)過(guò)以上處理后最終的輸出曲線。圖30是上述后處理的流程圖。本發(fā)明系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。監(jiān)控程序流程圖如圖32所示。
權(quán)利要求
1、抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，包括渦街傳感器、電荷放大器、無(wú)源低通濾波器、限幅放大器，有源低通濾波器、電壓跟隨器、電源模塊、DSP芯片、LCD模塊、鍵盤(pán)模塊、通訊模塊、EEPROM、有源晶振，其特征在于從渦街傳感器輸出的微弱電荷信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)電荷放大器將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；由于信號(hào)幅值較小，而且含有許多噪聲，再經(jīng)過(guò)一級(jí)低通濾波電路和一級(jí)限幅放大電路；為了避免信號(hào)飽和對(duì)電路、信號(hào)頻率計(jì)算造成影響，采用限幅放大電路；放大后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)低通濾波器，濾除信號(hào)中的高頻干擾，由電壓跟隨器(緩沖器)輸出，被DSP自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量；DSP采用基于FFT的功率譜分析和陷波濾波器相結(jié)合的方法，對(duì)ADC采樣轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理；當(dāng)信號(hào)質(zhì)量比較好時(shí)，即干擾能量比較小，數(shù)值不超過(guò)信號(hào)幅值時(shí)，不需要使用陷波濾波器，采用基于FFT功率譜分析出信號(hào)頻譜，通過(guò)尋找最大功率譜位置來(lái)確定渦街信號(hào)頻率，再對(duì)渦街信號(hào)頻率進(jìn)行后處理，包括頻譜校正、加速算法、限幅濾波和平均處理，快速得到準(zhǔn)確的渦街信號(hào)頻率；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)存在比較強(qiáng)的固定干擾時(shí)，打開(kāi)陷波濾波器，限制干擾噪聲，使其不超過(guò)渦街流量信號(hào)，再進(jìn)行如上所述的頻譜分析和后處理，得到渦街信號(hào)頻率；將渦街信號(hào)頻率送到LCD顯示，并通過(guò)通信模塊送到外部MCU(單片機(jī))進(jìn)行處理。
2、 如權(quán)利要求1所述的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于采用陷波濾波器與頻譜分析相結(jié)合的數(shù)字處理方法，首先對(duì)渦街傳感器輸出信號(hào)進(jìn) 行陷波濾波，將固定頻率的強(qiáng)干擾噪聲陷到儀表設(shè)置的截止幅值，再采用基于FFT的功 率譜分析出信號(hào)的頻譜，然后，通過(guò)尋找最大功率譜的位置來(lái)確定出渦街流量信號(hào)的頻 率。
3、 如權(quán)利要求1所述的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于設(shè)計(jì)的陷波濾波器的陷阱寬度與A之間的關(guān)系為A-" + 6vv + cV,其中，w為陷阱寬度，a = 1.0001568， 6 = —3.1566654， c =—15.010120;陷阱深度為d-^^;根據(jù)陷阱的寬度和深度就可以確定A和^， ^和A是陷波濾波器傳遞函數(shù)中的參數(shù)，與陷 波濾波器的寬度與深度有關(guān)。
4、 如權(quán)利要求l所述的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于采用按頻率抽取基2的FFT算法，在DSP中采用匯編語(yǔ)言編程，采用定點(diǎn)運(yùn)算來(lái)實(shí) 現(xiàn)這種算法；為了準(zhǔn)確地分析小幅值信號(hào)的頻譜，在做FFT之前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放，即 當(dāng)數(shù)據(jù)太大時(shí)，將數(shù)據(jù)縮??；而當(dāng)數(shù)據(jù)太小時(shí)，將數(shù)據(jù)放大。
5、 如權(quán)利要求l所述的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于為了加快響應(yīng)速度，將渦街信號(hào)頻率值放在一個(gè)50點(diǎn)長(zhǎng)度的循環(huán)隊(duì)列g(shù)l中，設(shè)置 了一個(gè)門(mén)限值>e_/z'冊(cè)Y ;當(dāng)新進(jìn)入0的頻率值在同一方向上連續(xù)4個(gè)超過(guò)々e_/z'/mY時(shí)， 則平均過(guò)程重新開(kāi)始，過(guò)去的數(shù)據(jù)不參與平均。
6、 如權(quán)利要求1所述的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于采用限幅濾波的方法對(duì)渦街信號(hào)頻率進(jìn)行處理，即對(duì)進(jìn)入0的頻率進(jìn)行限幅濾波，式中，厶是濾波后的頻率值，厶是當(dāng)前頻率，力是過(guò)去輸出的頻率。
7、 如權(quán)利要求1所述的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于采用了兩級(jí)平均處理，即除了循環(huán)隊(duì)列0以外，再開(kāi)辟一個(gè)50點(diǎn)長(zhǎng)度的循環(huán)隊(duì)列 02 ，由功率譜分析得到的結(jié)果先放入0 ，對(duì)0里面的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行如前所述的處理后， 再進(jìn)行平均；將平均結(jié)果放入22，對(duì)g2進(jìn)行去最大和最小值后，再進(jìn)行滑動(dòng)平均，得 到最終的渦街信號(hào)頻率。
8、 如權(quán)利要求1所述的抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在 于數(shù)字信號(hào)處理器采用MICROCHIP公司的DSPIC33FJ256MC710型DSP芯片；DSP芯片 外接一容量為4KB存儲(chǔ)器芯片EEPROM,以保存儀表參數(shù)、流量信息；DSP芯片第51和52 腳和通訊模塊連接，通訊模塊和外部MCU通訊;DSP第63腳和高精度有源晶振Ul 1連接。<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域，為一種抗強(qiáng)固定干擾的渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，包括由渦街傳感器、電荷放大器、無(wú)源低通濾波器、限幅放大器，有源低通濾波器、電壓跟隨器、電源模塊、DSP芯片、LCD模塊、鍵盤(pán)模塊、通訊模塊、EEPROM、有源晶振。采用陷波濾波與基于FFT的功率譜分析相結(jié)合的方法處理渦街流量傳感器輸出信號(hào)，在得到渦街信號(hào)頻率后，再進(jìn)行頻譜校正、加速算法、限幅濾波和平均處理，以消除強(qiáng)固定干擾的影響，快速得到更為準(zhǔn)確的渦街信號(hào)頻率值。
文檔編號(hào)G01F1/32GK101476906SQ20091011610
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者劉三山, 鵬 姜, 徐科軍, 朱志海 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)