專利名稱：渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流量測量儀表，特別是一種以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心、具有譜分析功能的渦街流量計信號處理系統(tǒng)。
渦街流量計的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其優(yōu)點是一次儀表內(nèi)無活動部件，使用壽命長，實驗室標(biāo)定精度較高，可直接輸出數(shù)字信號等。但是，它也存在以下缺點(1)易受噪聲干擾。其現(xiàn)場測量精度遠(yuǎn)低于實驗室標(biāo)定精度和技術(shù)指標(biāo)。測量現(xiàn)場的干擾主要來自流場的不穩(wěn)定，由于各種原因引起的管道振動，共模壓力變化和空氣噪聲等。而目前渦街流量計所采用的放大、濾波、整形和計數(shù)的信號處理方法，抗干擾能力較差。(2)理論上，渦街流量計的量程比為100∶1，但由于小信號時所產(chǎn)生信號微弱，易被噪聲淹沒或難以與噪聲區(qū)別，而目前的信號處理方法對此無能為力，故通過限制測量范圍，犧牲量程比來解決此問題。因此，目前的實際量程比是10∶1，小流量無法測量。(3)不同口徑的渦街流量計要配不同的處理電路。(4)測量氣體和液體也要配不同的處理電路。
國內(nèi)重慶大學(xué)蒙建波等介紹采用基于最小均方自適應(yīng)算法的現(xiàn)代譜分析處理流量信號(自動化學(xué)報，1992，18(3)362-366“自適應(yīng)頻率測量方法(AMF)在渦街流量計中的應(yīng)用”)。由漩渦發(fā)生體、熱線探針、前置處理電路和APPLE微機構(gòu)成測量系統(tǒng)，驗證了譜分析方法用于渦街流量計信號的處理的可行性。但是，沒有研究計算的精度、實時性和小型化等關(guān)鍵技術(shù)問題，沒有應(yīng)用于實際的流量計中。此外，我們研究表明，這種方法對諧波干擾的抑制能力較差。
合肥工業(yè)大學(xué)徐科軍等分別對基于FFT的經(jīng)典譜分析和基于Burg的現(xiàn)代譜分析方法用于渦街流量計的信號處理進(jìn)行了仿真研究(儀表技術(shù)與傳感器，1995，(5)22-25“渦街流量計信號處理的軟件方法”)。但是，沒有深入考慮實用中擬解決的關(guān)鍵問題，也沒有研制相應(yīng)的系統(tǒng)。
國外SCHLATTER，Gerald，L.提出在建立噪聲模板和信號模板的基礎(chǔ)上，用頻域轉(zhuǎn)換和互相關(guān)功率譜相結(jié)合的方法來消除渦街流量計中的強噪聲(“Signalprocessing method and apparantus for flowmeter“，WO 90/04230，19 April 1990)。但是，噪聲情況各種各樣，不易獲得噪聲的所有模板。并且，專利沒有說明如何建立信號和噪聲的模板。
本發(fā)明的目的是提供一種以DSP為核心的、基于FFT的、具有功率譜分析功能的渦街流量計信號處理系統(tǒng)，處理流量計中傳感器輸出信號，在現(xiàn)場有干擾的情況下，也能測準(zhǔn)流量信號的頻率，保證現(xiàn)場測量精度。并且，擴展量程比，實現(xiàn)小流量測量。還解決不同口徑、氣液要選配不同電路的問題。
本發(fā)明為了實現(xiàn)發(fā)明目的，采用了如下技術(shù)方案。該系統(tǒng)由ADSP2181(AD公司的DSP芯片)處理器、前向輸入通道、模擬量輸出電路、鍵盤輸入電路、保護(hù)電路、串行通信接口、液晶顯示(LCD)以及軟件組成。前向輸入通道由電荷放大器、程控放大器、低高濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。鍵盤輸入完成對系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、顯示內(nèi)容選擇的功能。串行通信接口使系統(tǒng)可以和微機或單片機進(jìn)行通信。本發(fā)明以ADSP2181為處理核心，采用基于FFT的功率譜分析方法，處理流量計信號，計算出頻率值，從而得到準(zhǔn)確的體積流量。
流量計中的傳感器(例如，壓電傳感器)將所感受到流量信號轉(zhuǎn)換成電信號；壓電傳感器的輸出電信號經(jīng)過電荷放大器、程控放大器、低高濾波器，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；ADSP2181根據(jù)采樣頻率定時啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器向ADSP2181發(fā)出中斷請求。ADSP2181接受中斷請求，讀入采樣數(shù)據(jù)，送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。ADSP2181利用FFT將采樣數(shù)據(jù)變換到頻域，求出各個頻率上的功率譜；在進(jìn)行多次平均的基礎(chǔ)上，對功率譜值進(jìn)行比較，確定出最大功率譜值和它所對應(yīng)的頻率，即為信號的頻率。ADSP2181定時計算信號頻率，再根據(jù)儀表參數(shù)和通過溫度、壓力等補償，可以得到瞬時流量值、流量信號頻率值，進(jìn)而得到流量等流量參數(shù)。送入指定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供LCD顯示、模擬量輸出等。也可通過積算，給出累積流量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于處理系統(tǒng)具有窄帶濾波功能，有效地抑制了流量計在現(xiàn)場測量中必然存在的流體振動、管道振動、共模壓力變化和聲波噪聲等干擾，提高儀表抗干擾性能，保證現(xiàn)場測量精度，實現(xiàn)小流量測量，擴大量程比；處理系統(tǒng)采用了DSP和相應(yīng)的軟件措施，保證了處理的實時性；處理系統(tǒng)適用不同口徑和不同密度的一次儀表。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的硬件框圖，系統(tǒng)由ADSP2181處理器、前向輸入通道、模擬量輸出、鍵盤輸入、保護(hù)電路、串行通信接口和LCD顯示組成。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖，包括電荷放大器、程控放大器、低高濾波器、為了接受壓力和溫度變送器的輸出信號而設(shè)置的轉(zhuǎn)換電路、發(fā)光二極管指示電路。
圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖，包括由ADSP2181處理器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、4～20mA模擬量輸出電路、鍵盤輸入電路、保護(hù)電路、EPROM和邏輯控制電路。
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖，包括串行通信接口、LCD顯示電路。
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)的軟件框圖。
圖6是本發(fā)明的監(jiān)控程序流程圖。
渦街流量計是利用流體動力學(xué)中卡門旋渦列的原理制成的。在儀表的管道中安裝漩渦發(fā)生體，就會在其下游兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的旋渦，其振動頻率與流量存在對應(yīng)關(guān)系，即Q＝k*f (1)式中，Q為體積流量，k為儀表系數(shù)，f為旋渦頻率。
安裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)的傳感器(例如，壓電傳感器)將振動信號拾取出來，轉(zhuǎn)換成電信號輸出。傳感器輸出信號近似為正弦波，含有各種噪聲。該信號的特點是幅值小(毫伏級)，且壓電傳感器的內(nèi)阻很大。因此，用電荷放大器處理信號的前置放大器要進(jìn)行阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗，同時，對信號進(jìn)行預(yù)放大。電荷放大器如圖2所示。運放選用高輸入阻抗運放OPA602，C102為反饋電容，R102為反饋電阻。C100、R101為輸入回路電阻和電容，C101、R103為平衡電容、電阻?？烧{(diào)電阻VR1為放大器的調(diào)零電位器。傳感器的信號線要屏蔽，屏蔽層的一端接儀表的外殼，一端在放大器端接地。
考慮到電荷放大器的幅頻特性不平坦，其放大倍數(shù)隨輸入信號的頻率變化而變化，而信號的頻率與流體的流量成正比，流量變化范圍很大，因而，信號幅值變化很大；同時，為了將信號放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程，充分利用其轉(zhuǎn)換精度，在電荷放大器之后加入程控放大器，對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。程控放大電路如圖2。選用AD公司的程控放大器AD526(可調(diào)放大倍數(shù)為1，2，4，8，16)和BB公司的程控放大器PGA103(可調(diào)放大倍數(shù)為1，10，100)，兩個程控放大器級聯(lián)使放大倍數(shù)調(diào)整范圍為1～1600。FOUT0～FOUT7為74373的鎖存輸出，74373鎖存ADSP2181從數(shù)據(jù)總線傳送的控制信號，給程控放大器提供適當(dāng)?shù)目刂齐娖健PA602連接在PGA103的接地管腳，以保證對地的低阻抗，以保證放大精度。
為了消除高頻干擾和防止數(shù)字信號處理時出現(xiàn)混迭現(xiàn)象，將程控放大器的輸出信號接入一個二階有源二階抗混疊低通濾波器。高通濾波器緊接在低通濾波器之后，減少直流漂移的影響。運放OP2選擇OP285，OP285為雙運放，OP2A為低通濾波器，截止頻率為w=1R130*R133*C130*C131*,]]>低通濾波電路的放大倍數(shù)為1+
。OP2B為高通濾波器，其截止頻率為ω=1R136*R134*C132*C133,]]>高通濾波器的截止頻率比電荷放大器的截止頻率小。高通濾波電路的放大倍數(shù)為1。
經(jīng)過高通濾波之后，信號送到A/D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過A/D之后，提交給ADSP2181進(jìn)行處理。因為要進(jìn)行壓力和溫度補償，系統(tǒng)接收壓力、溫度變送器4～20mA DC信號，經(jīng)過RCV420(精密的4～20mA環(huán)路電流接收器)將4～20mA DC信號轉(zhuǎn)換為0～5V電壓信號，送到A/D轉(zhuǎn)換器，如圖2和圖3所示。
A/D轉(zhuǎn)換器要進(jìn)行3路信號的轉(zhuǎn)換，選用BB公司的ADS7824，它內(nèi)部帶4路多路開關(guān)、采樣保持器、2.5V基準(zhǔn)源，輸入信號的范圍為-10～+10V，如圖3所示。由AD公司的DSP芯片ADSP2181的3根地址線A1，A2，A3和輸入輸出寄存器選擇線IOMS經(jīng)過譯碼器74HC138，形成AD7824的片選信號CS。ADSP2181的I/O口PF0和PF1控制ADS7824將要轉(zhuǎn)換哪一路信號，輸出口FL1指定ADS7824輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高四位或低八位。PF2控制ADS7824讀/轉(zhuǎn)換信號。當(dāng)ADS7824轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY信號變高，經(jīng)過一非門向ADSP2181發(fā)中斷信號。ADSP2181接收中斷信號，在中斷允許的情況下，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，放入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以供處理。
選用DSP作為流量計處理系統(tǒng)的核心。DSP體積小，運算速度快，指令周期是ns級的，且為并行處理方式，一條指令就可以完成一次乘法操作或移位運算，還有多功能指令，完全可以在ms級的時間內(nèi)完成信號的數(shù)字處理。DSP主要有兩大系列TMS320和ADSP。從運算能力、片內(nèi)存儲量、程序編程和體積等幾個方面，對它們進(jìn)行比較，選用ADSP中的定點系列的ADSP2181為處理器。它內(nèi)部有倍頻電路，外接晶振頻率低，工作可靠，內(nèi)部有16K數(shù)據(jù)存儲器和16K程序存儲器，不須外接高速RAM，體積小，指令周期為30ns，比同檔次的DSP芯片運算速度快。
ADSP2181內(nèi)部程序存儲器數(shù)據(jù)總線(24位)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)總線(16位)在外部結(jié)合成24位的外部數(shù)據(jù)總線。外部數(shù)據(jù)總線的高16位與16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)總線相連。因此，在ADSP2181和外部設(shè)備進(jìn)行連接時，應(yīng)將外部設(shè)備的數(shù)據(jù)線和ADSP2181外部數(shù)據(jù)線的低12位相連接ADS7824的DB0～DB11接至ADSP2181的DB8～DB19。ADS7824與ADSP2181之間的通信方式為中斷方式。ADSP2181根據(jù)采樣頻率設(shè)置定時器，在定時器中斷服務(wù)程序中啟動ADS7824。ADS7824在轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，向ADSP2181發(fā)出中斷請求。ADSP2181在中斷服務(wù)程序中讀入采樣數(shù)據(jù)，放在環(huán)形隊列數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。ADSP2181對其進(jìn)行數(shù)字處理。
本發(fā)明從采樣要求、計算精度、對噪聲的抑制能力和實時性等方面，對基于伯格(BURG)算法為代表的現(xiàn)代譜分析方法和基于FFT的經(jīng)典譜分析方法進(jìn)行比較。基于FFT的譜分析方法對長序列的計算精度高，對諧波的抑制能力強，處理非過零采樣的數(shù)據(jù)，計算精度不受影響；基于BURG算法的譜分析方法適用于短序列的分析，分辨率較高。對兩種方法進(jìn)行仿真之后，發(fā)現(xiàn)BURG算法抑制隨機噪聲能力強，但抑制確定性噪聲，如渦街產(chǎn)生的低頻擺動噪聲能力比FFT差，而選用的信號處理器ADSP2181可以在毫秒級完成4096點的FFT計算。因此，本發(fā)明采用基于FFT的功率譜分析方法，并采取一系列措施，有效地解決了該數(shù)字信號處理方法在應(yīng)用中存在的計算精度和實時性這兩個技術(shù)問題。當(dāng)采樣為非整周期采樣時，F(xiàn)FT的計算誤差小于或等于頻率分辨率的二分之一。所以，采用合適的頻率分辨率來控制非整周期采樣造成的誤差。并且，在頻域內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟逯?，進(jìn)一步提高測量精度。
測量分辨率為|f0-f′|<fd=fsN----(2)]]>式中，f0為信號頻率，f′為測量到的信號頻率，fd為頻率分辨率，fs為采樣頻率，N為采樣點數(shù)。
測量相對誤差為|f0-f′|f0=fsf0*N-------(3)]]>為了提高測量精度，希望降低采樣頻率，增加采樣點數(shù)。但是，采樣頻率的減小是有限度的，采樣頻率要滿足采樣定理，大于最高信號頻率的兩倍以上。點數(shù)增加則增大計算量，增大了數(shù)據(jù)存儲量。在采樣頻率和采樣點數(shù)一定的情況下，信號頻率越低，測量誤差越大。若在整個信號范圍內(nèi)用同一采樣頻率，計算精度由信號最低頻率時的精度所決定。在采樣頻率不能減小的情況下，為滿足計算精度只能增大采樣點數(shù)。但是，信號的頻率范圍很寬(例如，10～2600HZ)，這樣采樣點數(shù)要很多。為了減少采樣點數(shù)而同時滿足計算精度，分段設(shè)置采樣頻率。分段的原則是(1)確定采樣點數(shù)；(2)采樣頻率要滿足采樣定理；(3)滿足精度要求；(4)頻率段之間有覆蓋段。根據(jù)以上原則，確定采樣點數(shù)為4096點，計算精度優(yōu)于0.2％，分12個頻率段設(shè)置采樣頻率，最低采樣頻率為150HZ，最高采樣頻率為7500HZ。進(jìn)行采樣頻率切換后，由于采樣頻率發(fā)生變化，應(yīng)丟棄環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中原來的數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行采樣。在運用中，為了避免頻繁切換采樣頻率，頻率段之間應(yīng)有覆蓋段。
當(dāng)最低采樣頻率為150HZ時，要采樣4096點，需要27.31秒。若每次要采樣完4096后再進(jìn)行計算，則最多要27.31秒才計算一次，必不能滿足要求。因此，定時計算，邊計算邊采樣，設(shè)置4K的片內(nèi)RAM作為環(huán)形隊列數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，將最新采樣的數(shù)據(jù)刷新隊列里最老的數(shù)據(jù)，每次計算都用最新采樣的4096點進(jìn)行計算。ADSP2181可以在毫秒級完成4096點的FFT計算，并且支持環(huán)形緩沖區(qū)?？梢栽谥付ǖ囊欢螘r間(儀表顯示刷新時間)內(nèi)做若干次譜分析，例如在2秒中作16次譜分析，取其平均值后，送LCD顯示。
當(dāng)信號頻率低于10Hz，如果用降低采樣頻率來保證計算精度，采樣時間會太長。此時，運用頻域插值方法使計算精度優(yōu)于0.2％。用FFT進(jìn)行譜分析，得到的是離散功率譜，譜線間隔等于頻率分辨率。一般情況下，信號頻率不正好等于某一譜線，而是位于兩根譜線之間。用插值的方法進(jìn)行校正，可以提高計算精度。
選用的LCD型號為DG12864。LCD有以下優(yōu)點低電壓工作，功耗小，驅(qū)動電路簡單，平板顯示，器件體積小，屬于防爆型，可安裝在任何地方，光線強顯示清晰，可加背光源以適應(yīng)夜間工作。DG12864是全屏幕圖形點陣方式液晶顯示器，內(nèi)部帶控制器，驅(qū)動器和LED背光板。只需輸入+5V電壓，無須輸入負(fù)電壓。LED背光板也只需+5V電壓進(jìn)行驅(qū)動。DG12864與ADSP2181連接如圖3和圖4所示。DG12864的DB0～DB7連接至ADSP2181的DB8～DB15，DG12864的D/I、R/W、CS1、CS2、RST、E分別與ADSP2181的6個I/O口相連。它們將提供給DG12864相應(yīng)的讀寫、控制時序。由于DG12864的讀寫周期長，最少需要1μs，而ADSP2181的最長讀/寫周期為240ns。在對DG12864進(jìn)行讀寫時，禁止一切中斷，再將數(shù)據(jù)送上總線，延長至DG12864已經(jīng)接收好數(shù)據(jù)或DG12864已經(jīng)將數(shù)據(jù)讀入之后再開中斷。由于啟動ADS7824是在ADSP2181定時器中斷服務(wù)程序中進(jìn)行，禁止中斷會使定時器中斷請求1μs得不到響應(yīng)，從而造成非均勻采樣。而ADS7824轉(zhuǎn)換時間的典型值為25μs，采樣數(shù)據(jù)的最高頻率為10KHZ，即采樣周期為1ms，相比之下，由于屏蔽中斷而造成的非均勻采樣可以忽略。
保護(hù)電路由看門狗電路、EEPROM、低電壓檢測電路組成。設(shè)置看門狗電路以防止CPU在不正常工作下程序“跑飛”后不能恢復(fù)正常工作。在儀表工作時，掉電時有發(fā)生。為了使儀表的參數(shù)在掉電時不致于丟失，導(dǎo)致重新設(shè)置參數(shù)，加一串行EEPROM，保存儀表要設(shè)置的參數(shù)。低電壓檢測電路檢測系統(tǒng)電壓，使之免受低電壓狀況的影響。當(dāng)電壓降低到轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)被復(fù)位，復(fù)位一直確保到電壓返回且穩(wěn)定為止。保護(hù)電路如圖3所示。選用芯片X25043，它把三種常見的功能看門狗定時器、電壓監(jiān)視和EEPROM組合在單個封裝內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時在超時周期之后仍未對X25043進(jìn)行任何操作，X25043將復(fù)位ADSP2181。超時周期可選100ms，600ms，1.4s，也可以禁止看門狗復(fù)位功能。利用X25043低Vcc檢測電路，可以保護(hù)系統(tǒng)，使之免受低電壓狀況的影響。當(dāng)Vcc降低到轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)被復(fù)位，復(fù)位一直確保到Vcc返回且穩(wěn)定為止。X25043與ADSP2181的連接如圖3。X25043的SCK，SI，SO，CS由ADSP2181的四個I/O口進(jìn)行控制，它們提供X25043所需要的讀、寫和控制時序。在RESET上有上拉電阻，這是因為X25043有漏極開路輸出。在超時周期之后，若X25043的CS腳電平未發(fā)生任何變化，則復(fù)位ADSP2181。因此，在程序中應(yīng)加入改變I/O口FL0電平的程序段。ADSP2181共有十三個I/O口(包括SPORT1轉(zhuǎn)換特性的兩個I/口)，X25043要用到四個I/O口，DG12864要用六個I/O口，為了避免擴展I/O口，考慮到ADSP2181不會并行操作X25043和DG12864，可以采用I/O口復(fù)用。分別用兩個不同的I/O口作為兩個芯片的片選信號，其他I/O口可以復(fù)用。
模擬量輸出電路如圖3所示。AD421將輸出電流信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，直接輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA環(huán)路電流。DN25用于驅(qū)動，抬高輸出電壓。AD421的DATA腳接至發(fā)送數(shù)據(jù)端DT0，為了使AD421和ADSP2181的接收和發(fā)送時序一致，將ADSP2181串行口的時鐘信號SCLK0、幀同步信號TFS0接非門后分別接至AD421的CLOCK、LATCH管腳。
鍵盤接口電路如圖3所示。ADSP2181通過總線緩沖器74365定期讀取鍵值信號。鍵盤用四個鍵設(shè)定鍵、確認(rèn)鍵、↑鍵、↓鍵。采用一鍵多用及雙鍵復(fù)用技術(shù)使這四個鍵完成對參數(shù)設(shè)定、顯示內(nèi)容選擇的功能。這四個按鍵連接到總線緩沖器74HC365，由ADSP2181讀入74HC365的數(shù)據(jù)以確定是否有鍵按下。用軟件進(jìn)行“去抖”。儀表的顯示有兩種狀態(tài)顯示狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置狀態(tài)。在設(shè)置參數(shù)狀態(tài)下閃爍顯示。在顯示狀態(tài)下，儀表可以顯示流量、流速、信號頻率等。按↑鍵或↓鍵可以改變顯示內(nèi)容。按下設(shè)定鍵，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)?？梢栽O(shè)置密碼以確保參數(shù)的安全，以防參數(shù)被隨意修改而造成不良后果。進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定狀態(tài)后，連續(xù)按設(shè)定鍵可依次設(shè)定各個參數(shù)，參數(shù)設(shè)定一輪結(jié)束，則自動回到顯示狀態(tài)，或同時按下設(shè)定鍵和確認(rèn)鍵，中止參數(shù)設(shè)定，回到顯示狀態(tài)。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時，按↑鍵或↓鍵循環(huán)顯示該參數(shù)的可選項，按確認(rèn)鍵將當(dāng)前可選項設(shè)置為參數(shù)值，并進(jìn)行下一參數(shù)的設(shè)置，同時按下設(shè)定鍵和↑鍵進(jìn)行上一參數(shù)的設(shè)定。若要修改參數(shù)值，可用↑鍵或↓鍵進(jìn)行數(shù)值的遞增或遞減。同時按↑鍵和↓鍵后進(jìn)行高一位數(shù)的遞增或遞減。如初始狀態(tài)下對個位數(shù)的遞增或遞減，個位數(shù)閃爍顯示；同時按下↑鍵和↓鍵后可進(jìn)行十位數(shù)的設(shè)置，十位數(shù)閃爍顯示；再同時按下↑鍵和↓鍵可進(jìn)行百位數(shù)的設(shè)置等等。也可以進(jìn)行小數(shù)點的設(shè)置，用上述方法將小數(shù)點閃爍顯示后，可以用↑鍵或↓鍵將小數(shù)點左移或右移。
由于ADSP2181內(nèi)部帶有兩個串行通信口SPORT0、SPORT1，可以和微機或單片機進(jìn)行串行通信。用SPORT1實現(xiàn)串行通信的功能，使儀表可以通過RS232口或RS485口與上位機進(jìn)行通信，構(gòu)成集散系統(tǒng)或用PC機對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。串行通信電路如圖4所示。ADM232L進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換輸出。
系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法。軟件框圖如圖5所示。外部中斷服務(wù)程序、串行中斷服務(wù)程序和定時器中斷服務(wù)程序在中斷服務(wù)中調(diào)用，其他各功能子程序由監(jiān)控程序或初始化子程序調(diào)用。當(dāng)上位機向ADSP2181發(fā)出信號，ADSP2181的串行口SPORT1接受后，向ADSP2181發(fā)中斷請求，ADSP2181在通信中斷服務(wù)程序中進(jìn)行相應(yīng)處理。通信中斷服務(wù)程序處理由SPORT1引起的中斷。主要處理上位機，其他CPU或調(diào)試時PC機通過串行通信口傳送的信息。當(dāng)ADSP2181主動向別的CPU發(fā)串行通信信號，則在通信子程序中處理。外部中斷服務(wù)程序讀入A/D采樣值，送人環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于ADSP2181只有一個硬件定時器，而在應(yīng)用程序中至少需要四個定時定時計算FFT；定時啟動A/D轉(zhuǎn)換；定時刷新顯示；定時掃描鍵盤。而這四個定時時間各不相同。因此，在硬件定時器的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要設(shè)置幾個軟件定時器。先對軟件定時器進(jìn)行初始化裝載，在定時器中斷服務(wù)程序中對軟件定時器進(jìn)行減一操作，當(dāng)軟件定時器為零時，重新裝載定時器并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，以讓監(jiān)控程序查詢。初始化子程序進(jìn)行ADSP2181初始化、看門狗定時器超時周期設(shè)置、從EEPROM讀入儀表相關(guān)參數(shù)、LCD初始化、計算程序變量初始化等。FFT計算子程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，得出信號的頻率與幅值。幅值用來判斷信號頻率的可信程度和調(diào)整可變增益放大器的增益。換算子程序進(jìn)行溫度、壓力補償，得出流量參數(shù)。復(fù)位WATCHDOG子程序定期復(fù)位看門狗。EEPROM讀寫子程序在系統(tǒng)初始化的時候讀入儀表相關(guān)參數(shù)，當(dāng)參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置以后，調(diào)用該子程序更新EEPROM內(nèi)相應(yīng)單元，以防止掉電或關(guān)機之后參數(shù)丟失。鍵盤監(jiān)控子程序定期查詢鍵盤，當(dāng)有鍵按下時，讀入鍵值，送入鍵盤緩沖區(qū)，在系統(tǒng)不忙時進(jìn)行處理。LCD顯示子程序定時刷新儀表顯示。通信子程序則負(fù)責(zé)與其他CPU進(jìn)行通信。
監(jiān)控程序流程圖如圖6所示。監(jiān)控程序由ADSP2181的上電中斷服務(wù)程序調(diào)用，上電之后即開始執(zhí)行。監(jiān)控程序完成系統(tǒng)初始化，儀表參數(shù)初始化，LCD和鍵盤初始化操作。之后，依次查詢各軟件定時器的標(biāo)志位，以進(jìn)行相應(yīng)操作。在儀表參數(shù)初始化中，從EEPROM讀入儀表參數(shù)。在儀表工作時，當(dāng)參數(shù)被修改之后，刷新EEPROM中的相應(yīng)單元，以防止掉電或關(guān)機之后參數(shù)丟失。初始化結(jié)束之后，系統(tǒng)定時調(diào)用FFT計算子程序、換算子程序，計算流量等流體參數(shù)，定時調(diào)用LCD顯示子程序、鍵盤監(jiān)控子程序，定時復(fù)位看門狗定時器。
權(quán)利要求
1.一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，由DSP芯片及邏輯控制電路部分、前向輸入通道部分、4~20mA變送器輸出部分、LCD顯示部分、鍵盤輸入部分、串行通信接口部分、保護(hù)電路部分以及相應(yīng)軟件組成；其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路部分和系統(tǒng)中的其它部分相連，構(gòu)成對渦街流量計的傳感器的輸出信號進(jìn)行數(shù)字信號處理的系統(tǒng)。
2.一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于流量計中的傳感器(例如，壓電傳感器)將所感受到流量信號轉(zhuǎn)換成電信號；壓電傳感器的輸出電信號經(jīng)過電荷放大器、程控放大器、低高通濾波器，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；DSP根據(jù)采樣頻率定時啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器向DSP發(fā)出中斷請求；DSP接受中斷請求，讀入采樣數(shù)據(jù)，送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。DSP利用FFT將采樣數(shù)據(jù)變換到頻域，求出各個頻率上的功率譜；在進(jìn)行多次平均的基礎(chǔ)上，對功率譜值進(jìn)行比較，確定出最大功率譜值和它所對應(yīng)的頻率，即為信號的頻率；DSP定時計算信號頻率，再根據(jù)儀表參數(shù)和通過溫度、壓力等補償，可以得到瞬時流量值、流量信號頻率值，進(jìn)而得到流量等流量參數(shù)；送入指定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供LCD顯示、模擬量輸出等；也可通過積算，給出累積流量；對渦街流量計的傳感器的輸出信號進(jìn)行數(shù)字信號處理。
3.根據(jù)權(quán)利1或權(quán)利2所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路，對數(shù)字化后的流量信號進(jìn)行基于FFT的功率譜分析，得出流量參數(shù)；DSP做為系統(tǒng)核心控制系統(tǒng)其他部分協(xié)調(diào)工作。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于前向輸入通道由電荷放大器、程控放大器、低高通濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、4~20mA變送器信號接收電路組成；對壓電傳感器輸出信號進(jìn)行阻抗變換、程控放大、濾波和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給DSP進(jìn)行處理；接收4~20mA溫度、壓力變送器信號，轉(zhuǎn)換為1~5V的電壓信號，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行溫度壓力補償。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于程控放大器的可調(diào)放大倍數(shù)范圍為1~1600，可以進(jìn)行寬范圍調(diào)整。
6.根據(jù)專利1所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于串行通信接口可與上位機或其它儀表組成集散系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于保護(hù)電路部分保護(hù)CPU正常工作，檢測低電壓、保存系統(tǒng)參數(shù)于EEPROM中。
8.根據(jù)權(quán)利2所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于基于計算精度分段設(shè)置采樣頻率，相鄰兩段之間有覆蓋。
9.根據(jù)權(quán)利2所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于利用環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)與計算并行。
10.根據(jù)權(quán)利2所述的一種渦街流量計數(shù)字信號處理系統(tǒng)，其特征在于計算出信號幅值，調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)。
全文摘要
一種以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心、具有譜分析功能的渦街流量計信號處理系統(tǒng)。由DSP、前向輸入通道、輸出部分、鍵盤輸入部分、保護(hù)電路、串行通信接口以及軟件組成。它采用基于快速傅立葉變換(FFT)的功率譜分析方法對渦街流量計中傳感器的信號進(jìn)行數(shù)字處理,計算出信號的真實頻率,測出準(zhǔn)確的體積流量。該系統(tǒng)抗干擾能力強,保證現(xiàn)場測量精度,擴大量程比,并適用于不同口徑和測量不同流體的一次儀表。
文檔編號G01F1/32GK1230686SQ99101209
公開日1999年10月6日 申請日期1999年1月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月8日
發(fā)明者徐科軍, 呂迅竑, 陳榮保, 蘇建徽, 張崇巍 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)