專利名稱：低功耗數(shù)字式渦街流量計(jì)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(hào)處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
渦街流量計(jì)一般采用壓力敏感元件將渦街流量計(jì)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(hào)，從電信號(hào)中提取渦街頻率，進(jìn)而根據(jù)渦街頻率與流體流量的關(guān)系得到被測(cè)流量。盡管渦街流量計(jì)具有種種優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些實(shí)際問題，影響到這種流量計(jì)的應(yīng)用與推廣。問題主要包括(1)渦街流量計(jì)的下限量程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論上可能的最小值；(2)流量計(jì)的抗振性較差，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍存在的閥、泵、壓縮機(jī)等動(dòng)力設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)出現(xiàn)的各種強(qiáng)振動(dòng)源都可能使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)很大的誤差，甚至導(dǎo)致流量計(jì)難以正常工作，這些情況在流量計(jì)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(jì)的測(cè)量原理、旋渦發(fā)生體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)元件性能與結(jié)構(gòu)、流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝等都有關(guān)系，但是限制流量計(jì)性能最主要的因素則是渦街流量計(jì)的信號(hào)處理方法。
在信噪比較高的情況下，模擬信號(hào)處理方法處理流量計(jì)檢測(cè)信號(hào)的效果是很好的。但是，當(dāng)信噪比較低、檢測(cè)信號(hào)中包含了幅值較大的周期性或沖擊噪聲時(shí)，模擬信號(hào)處理方法不能有效的濾除噪聲成分，容易造成整形時(shí)的誤觸發(fā)，產(chǎn)生錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。更重要的是，有用信號(hào)波形的峰值大致與流速(渦街頻率)的平方成正比，因此當(dāng)進(jìn)行低流速測(cè)量時(shí)，渦街頻率較低，信號(hào)幅值較小，信噪比降低，經(jīng)常性的噪聲(如流動(dòng)噪聲)的幅值則相對(duì)增強(qiáng)，以至于淹沒有用信號(hào)；由于這些情況主要出現(xiàn)在測(cè)量的低量程段，信號(hào)處理方法的不足直接導(dǎo)致了流量計(jì)的量程的縮小。實(shí)際中，為了去除小流量時(shí)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的嚴(yán)重影響，電路中一般要加入高通環(huán)節(jié)以切除測(cè)量的低頻段；而由于不同管道口徑、流體類型的對(duì)應(yīng)需要切除的信號(hào)頻帶不同，配套電路的元件會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；上述情況人為的造成了渦街流量計(jì)測(cè)量范圍窄、產(chǎn)品型號(hào)復(fù)雜、抗振性和互換性差的缺點(diǎn)。
目前渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理使用尚不多見，已知的具有數(shù)字信號(hào)處理功能的渦街流量計(jì)一般采用的處理流程是對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣并將采樣序列傳遞給計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)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(hào)處理方法是整個(gè)信號(hào)處理流程的關(guān)鍵。但目前采用的處理方法缺乏針對(duì)信號(hào)的特點(diǎn)和信號(hào)處理的需要來建立信號(hào)模型和確定仿真方案。由于渦街流量計(jì)檢測(cè)信號(hào)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(jì)隨機(jī)信號(hào)中多個(gè)周期性分量參數(shù)的這種算法對(duì)于有效提取噪聲背景中的渦街頻率信息、提高信號(hào)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(jì)，該流量計(jì)能夠在強(qiáng)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(kuò)展量程，尤其是能對(duì)微小流量信號(hào)和低信噪比信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。
低功耗數(shù)字式渦街流量計(jì)，主要由渦街傳感頭1、電荷放大器2、差動(dòng)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(hào)處理器6等組成。流量信號(hào)經(jīng)渦街傳感頭1接入模擬信號(hào)預(yù)處理電路(圖2)中第一級(jí)電荷放大器2的輸入端，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)接入第二級(jí)運(yùn)放組成的差動(dòng)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(hào)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(hào)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(jī)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?qǐng)D4與圖5)，一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在MCU和DSP(6)之間互傳，另一方面將存儲(chǔ)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(yuǎn)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(chǎng)工作參數(shù)通過通信接口7由計(jì)算機(jī)寫入微控制器的FlashROM單元中存儲(chǔ)。本發(fā)明的硬件框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為三部分模擬信號(hào)預(yù)處理電路，數(shù)字信號(hào)處理電路和人機(jī)交換接口部分。渦街流量計(jì)中渦街傳感頭1輸出的信號(hào)是含有各種噪聲的電荷信號(hào)，并且幅值很小。模擬信號(hào)預(yù)處理電路通過以運(yùn)算放大器為主體的模擬電路對(duì)采集到的電荷信號(hào)進(jìn)行了三方面的處理①通過輸入級(jí)的電荷放大器2將流量計(jì)壓電檢測(cè)元件輸出的交變電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；②通過差動(dòng)放大器3和后續(xù)電路的放大功能實(shí)現(xiàn)了交變信號(hào)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換之前的濾波。模擬信號(hào)預(yù)處理電路見圖2所示。電荷放大器2(圖2中的第一級(jí)放大器組成的電路)將輸入電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)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(dòng)放大器3將數(shù)據(jù)采集之前的信號(hào)放大然后送入抗混迭濾波器4(圖2中的第二級(jí)放大器組成的電路)。預(yù)處理后的信號(hào)輸入MSP430F149微控制器5其中的一個(gè)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(hào)，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(jī)的低功耗。MSP430F149的硬件UART接口實(shí)現(xiàn)與外部通訊，完成參數(shù)管理。數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩绞峭ㄟ^DSP的主機(jī)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(chǔ)器，本發(fā)明設(shè)計(jì)利用HPI接口將存儲(chǔ)于MCU程序空間的DSP程序傳入DSP中，并利用Bootloader功能啟動(dòng)DSP的運(yùn)行。DSP中的核心算法采用松弛陷波周期圖法對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，該算法將周期圖引入最大似然估計(jì)過程，易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。
松弛陷波算法是基于周期圖法的一種最大似然估計(jì)法，即先對(duì)結(jié)果做粗略的估計(jì)，再使估計(jì)的錯(cuò)誤逐漸減小直至結(jié)果趨近于真值?？紤]到在周期圖中，強(qiáng)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(qiáng)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(hào)；M-陷波次數(shù)；K-諧波總數(shù)；ε則為根據(jù)實(shí)際情況確定的一個(gè)常數(shù)其中多諧波頻率最大似然估計(jì)公式如下式f^k=maxf1N|Σn=0N-1exp(-2πfn)xk(n)|2]]>此時(shí)，復(fù)幅值的最大似然估計(jì)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(jì)；f--各諧波頻率；xk(n)--離散采樣信號(hào)； 次諧波幅值的最大似然估計(jì)；n＝0、1、...、N-1。
本發(fā)明的有益效果在于選用的數(shù)字信號(hào)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(shí)器、通用I/O、12位200kbps的A/D轉(zhuǎn)換器、60KB flash ROM存儲(chǔ)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(diǎn)減少外圍電路，完成強(qiáng)大的控制功能，并與DSP芯片的高速計(jì)算能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的智能化、低功耗和寬適用范圍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明能夠有效的抑制了流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中存在的管道振動(dòng)、流速噪聲等干擾，從而實(shí)現(xiàn)小流量測(cè)量，擴(kuò)大量程的下限，使渦街流量計(jì)的量程比有了較為明顯的擴(kuò)大。本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例可以準(zhǔn)確測(cè)量流速從0.18m/s～6.22m/s的渦街信號(hào)，使量程比到達(dá)1∶35，即(在25mm口徑的管道上)可以準(zhǔn)確測(cè)量到雷諾數(shù)為4.90×103(即頻率在0.18m/s左右)的渦街信號(hào)，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(hào)預(yù)處理電路圖。
附圖3為水流量實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。
附圖4為DSP(數(shù)字信號(hào)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(yuǎn)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(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖3～附圖8并通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
首先本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)表法在水流量實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行水流量實(shí)流標(biāo)定(如圖3所示)。流量實(shí)驗(yàn)在25mm口徑的裝置上進(jìn)行的，標(biāo)準(zhǔn)表是10mm和15mm口徑的渦輪流量計(jì)。流量計(jì)A即本發(fā)明設(shè)計(jì)的渦街，流量計(jì)B就是傳統(tǒng)的模擬儀表，用來作比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明能夠有效的抗干擾從而擴(kuò)大量程的下限，使渦街流量計(jì)的量程比有了較為明顯的擴(kuò)大。以25mm口徑的渦街流量計(jì)為例，傳統(tǒng)的模擬方法處理信號(hào)的渦街量程一般為1.1m3/h～11m3/h(量程比為1∶10)，此時(shí)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(hào)頻帶。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明可以準(zhǔn)確測(cè)量流速從0.18m/s～6.22m/s的渦街信號(hào)，使量程比到達(dá)1∶35，即(在25mm口徑的管道上)可以準(zhǔn)確測(cè)量到雷諾數(shù)為4.90×103(即頻率在0.18m/s左右)的渦街信號(hào)，基本上接近了理論上的下限值(雷諾數(shù)為3×103)，而同時(shí)使用的模擬方法的渦街流量計(jì)一般只能檢測(cè)到流速在0.62m/s以上的渦街信號(hào)(雷諾數(shù)為15×103左右)，所以本發(fā)明在擴(kuò)大渦街流量計(jì)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(shí)現(xiàn)4～20mA兩線制遠(yuǎn)傳，方便了現(xiàn)場(chǎng)儀表的安裝與信號(hào)傳輸。
本實(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩绞峭ㄟ^DSP的主機(jī)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(shí)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(hào)線。由于DSP不具備非易失的程序存儲(chǔ)器，利用HPI接口將存儲(chǔ)于MCU程序空間的DSP程序傳入DSP中，并利用Bootloader功能啟動(dòng)DSP的運(yùn)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(hào)，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(jī)的低功耗。MSP430F149的一組硬件通用異步串行接口(UART)實(shí)現(xiàn)與外部通訊，完成參數(shù)管理，內(nèi)部Flash ROM存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，WDT和DCOCLK電路模塊保證整個(gè)系統(tǒng)上電復(fù)位、振蕩器起振、程序運(yùn)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(hào)的遠(yuǎn)傳模塊(如圖6所示)，使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和總線管理得以方便實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明采用主機(jī)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(jìn)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(jìn)行松弛陷波周期圖法的運(yùn)算，并將計(jì)算所得頻率f代入下式，完成最終的流量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果由MCU取回進(jìn)行后續(xù)的顯示、存儲(chǔ)等處理。DSP部分的軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。
Q=3600×fK]]>其中Q--流體體積流量，K--標(biāo)定的儀表系數(shù)。
MCU部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)傳等功能，運(yùn)行時(shí)，MSP430F149初始化先設(shè)置時(shí)鐘頻率和液晶驅(qū)動(dòng)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?dòng)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(shí)現(xiàn)。MCU進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)一組傳入DSP中，再取回上一次的運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)行補(bǔ)償修正，比較上下限，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及遠(yuǎn)傳處理，然后對(duì)相應(yīng)的標(biāo)志位進(jìn)行置位，進(jìn)入低功耗模式，再由定時(shí)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(jì)，主要由渦街傳感頭(1)、電荷放大器(2)、差動(dòng)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(hào)處理器(6)等組成，其特征是流量信號(hào)經(jīng)渦街傳感頭(1)接入模擬信號(hào)預(yù)處理電路中第一級(jí)電荷放大器(2)的輸入端，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)接入第二級(jí)運(yùn)放組成的差動(dòng)放大器(3)和抗混迭濾波器(4)，預(yù)處理成模擬電壓信號(hào)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(hào)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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在MCU和DSP(6)之間互傳，并將存儲(chǔ)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(yuǎn)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(chǎng)工作參數(shù)通過通信接口(7)由計(jì)算機(jī)寫入微控制器的Flash ROM單元中存儲(chǔ)。
2.低功耗數(shù)字式渦街流量計(jì)，其特征是流量數(shù)字信號(hào)的處理應(yīng)用松弛陷波算法進(jìn)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(hào)；M-陷波次數(shù)；K-諧波總數(shù)；ε則為根據(jù)實(shí)際情況確定的一個(gè)常數(shù)其中復(fù)頻率和復(fù)幅值的最大似然估計(jì)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(jì)；f——各諧波頻率；xk(n)——離散采樣信號(hào)； ——k次諧波幅值的最大似然估計(jì)；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(hào)處理技術(shù)。低功耗數(shù)字式渦街流量計(jì)主要由渦街傳感頭、電荷放大器、差動(dòng)放大器、抗混迭濾波器、嵌入式微控制器以及數(shù)字信號(hào)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(hào)在MCU中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)由主機(jī)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(chǔ)及遠(yuǎn)傳功能。該流量計(jì)能夠在強(qiáng)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(zhǔn)確測(cè)量流速從0.18m/s～6.22m/s的渦街信號(hào)，使量程比到達(dá)1∶35，可以準(zhǔn)確測(cè)量到雷諾數(shù)為4.90×10
文檔編號(hào)G01F1/32GK1563907SQ200410019008
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)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(qǐng)人:天津大學(xué)