基于頻譜分析信號(hào)處理的渦街流量計(jì)設(shè)計(jì)

0 引言

  渦街流量計(jì)是基于卡門渦街原理制成的一種流體振蕩性流量計(jì)，漩渦頻率信號(hào)容易受到流體流動(dòng)、旋渦分離、機(jī)械振動(dòng)、信號(hào)衰落或間歇、電磁干擾等各種噪聲影響，并且現(xiàn)場(chǎng)條件的不同，噪聲的頻率、幅值及變化規(guī)律也會(huì)隨之而變[1]。

  為了解決渦街流量計(jì)的干擾問題和提高精度，采用頻譜分析信號(hào)處理與脈沖計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法，從軟、硬件兩方面來考慮，并在鐘罩式氣體檢定裝置上得到了驗(yàn)證[2-3]。

1 硬件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮低功耗和頻譜分析的性能要求。采用總線供電，支持HART通信，智能流量計(jì)表頭的工作電流從4～20mA的總線上截取，系統(tǒng)工作電流必須小于3.5mA。所選的單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)FFT、功率譜的估計(jì)，這需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，所以單片機(jī)要滿足幾個(gè)基本要求：a）要具有一定的儲(chǔ)存空間，以用于存儲(chǔ)大量的運(yùn)算數(shù)據(jù)；b）要有較高的時(shí)鐘頻率，以提高運(yùn)算的實(shí)時(shí)性；c）含有硬件乘法器，以提高運(yùn)算速度。

  綜合考慮，單片機(jī)選擇MSP430F5438，主要因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：a）功耗較低。超低功耗低至：0.1μARAM保持模式、2.5μA實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式、165μA/MIPS工作模式、在5μs之內(nèi)快速從待機(jī)模式喚醒。b）相對(duì)較高的時(shí)鐘頻率。在1.8V-3.6V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS。c）儲(chǔ)存空間大。閃存高達(dá)256KB、RAM高達(dá)16KB。d）豐富的外圍設(shè)備。DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC等，使單片機(jī)的性能更有所提升，滿足系統(tǒng)的需求。

  該流量計(jì)硬件上主要由MSP430F5438單片機(jī)、電荷放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、多路選擇開關(guān)、峰值檢測(cè)電路、脈沖整形電路、溫壓補(bǔ)償模塊等組成。

  硬件上信號(hào)處理模塊主要包括以下幾個(gè)部分：

（1）壓電傳感器信號(hào)的放大、低通濾波

  壓電傳感器可等效為一個(gè)與電容器并聯(lián)的電荷源，其輸出為低幅值的小信號(hào)，采用一種三運(yùn)放差分電荷放大器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。在電荷放大器后加上一個(gè)可控的程控放大器，根據(jù)流量信號(hào)的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)放大系數(shù)，從而提高AD轉(zhuǎn)換的精度。這里采用AD5160BRJ數(shù)字電位器，其串行控制接口與MSP430的SPI接口相連。程控放大器的放大比例由峰值檢測(cè)出來的信號(hào)幅度與當(dāng)前的放大系數(shù)確定，然后在程控放大器的后級(jí)進(jìn)行低通濾波，濾去渦街信號(hào)中的高頻噪音。

（2）多通道的可選擇帶通濾波

  帶通濾波器采用高通濾波器與低通濾波器串聯(lián)的方式構(gòu)成，與多路選擇開關(guān)一起就構(gòu)成渦街信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。采用8路選擇器，將信號(hào)頻率分成8個(gè)頻段，每個(gè)頻段之間有疊加，保證信號(hào)的無縫連接。多路選擇開關(guān)采用MC74VHC4051ADR2，由ABC三位組成的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行選擇。

（3）峰值檢測(cè)

  為了保證信號(hào)不產(chǎn)生誤觸發(fā)和不觸發(fā)的情況，必須將信號(hào)的幅值控制在一定的范圍內(nèi)。因此需要對(duì)帶通濾波后的信號(hào)幅值進(jìn)行檢測(cè)。

峰值檢測(cè)電路由兩級(jí)運(yùn)算放大器、限流電阻、二極管、MOSFET和充電電容構(gòu)成。

（4）信號(hào)的整形輸入

  為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)交變的渦街信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)算，要將濾波后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成等同頻率的脈沖信號(hào)。采用滯回比較器電路可以方便簡(jiǎn)單的把渦街正弦信號(hào)整形為矩形脈沖波形。出于低功耗的考慮，選擇TI公司的TLV3491。門限電壓分別為1.088V和1.3585V，滯回電壓為0.27V。

  此外，硬件設(shè)計(jì)上還有其它電路模塊，包括電源及HART模塊、人機(jī)交互模塊等等，在此不做詳細(xì)分析。

2 軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件由以下模塊組成：主程序、定時(shí)中斷模塊、初始化模塊、頻率估算模塊、峰值檢測(cè)模塊、程控放大調(diào)整模塊、帶通濾波器選擇模塊，脈沖頻率計(jì)算模塊，流量計(jì)算模塊、人機(jī)接口模塊及HART通信模塊。

  系統(tǒng)采用模塊化的運(yùn)行方式，利用定時(shí)器B產(chǎn)生中斷，在中斷中設(shè)置各模塊的標(biāo)志位，程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)，如果該模塊的標(biāo)志位置1，則運(yùn)行該模塊程序。定時(shí)器B產(chǎn)生系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)間，每0.1s產(chǎn)生一次中斷。

2.1 渦街頻率估算

  數(shù)據(jù)采樣和基于FFT的頻譜分析如下：

  系統(tǒng)使用A0模擬通道，作為渦街信號(hào)的采樣通道，采用2.5V的參考電壓。程序中設(shè)置兩個(gè)數(shù)組分別存放FFT運(yùn)算中的實(shí)部和虛部，采樣得到的數(shù)據(jù)由DMA直接存放在兩個(gè)數(shù)組中，因?yàn)椴捎玫氖菃渭?jí)性運(yùn)放，所以信號(hào)要被偏置提高1.235V，使數(shù)據(jù)在0V以上，數(shù)據(jù)處理前要減去2047（1.235V），然后定標(biāo)到13位。值得注意的是，采樣數(shù)據(jù)量的大小與單片機(jī)RAM的大小相關(guān)，根據(jù)RAM的16KB大小，選擇采樣的數(shù)據(jù)為512個(gè)。

  為提高FFT的運(yùn)算速度，F(xiàn)FT算法用匯編語言編寫。采樣數(shù)據(jù)都是實(shí)數(shù)序列，所以采用實(shí)數(shù)運(yùn)算和原位計(jì)算去完成蝶形運(yùn)算，旋轉(zhuǎn)因子采用了預(yù)先計(jì)算的方法，將計(jì)算好的正弦值、余弦值放在表中，使用時(shí)直接查用。正余弦值在（-1～1）之間，儲(chǔ)存的時(shí)候可先擴(kuò)大14倍，待做乘法運(yùn)算后整體左移，再取高16位。程序采用了13位的數(shù)據(jù)定標(biāo)，在每次蝶形運(yùn)算后，需要進(jìn)行判斷是否超過8192，超出后，對(duì)整級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行向右移2位。根據(jù)渦街信號(hào)zui大的原則，對(duì)N個(gè)點(diǎn)的功率譜進(jìn)行排序，找出功率譜zui大的點(diǎn)，由于采用了FFT運(yùn)算使數(shù)據(jù)的排列順序發(fā)生了改變，倒序后為n，由式（1）即可求出渦街頻率f。然后根據(jù)估算頻率，選擇zui合適的帶通濾波器。

  式中：n為功率譜zui大的點(diǎn)，F(xiàn)s為采樣頻率。

  在通常情況下，所分析的頻譜在采樣的兩條譜線中間，沒有對(duì)正主瓣中心，可以通過主瓣內(nèi)的譜線來求取主瓣中心的坐標(biāo)，從而求得比較準(zhǔn)確的頻率值。由于FFT計(jì)算信號(hào)頻譜的時(shí)候，采用的是矩形窗進(jìn)行截?cái)啵圆捎弥匦男Ｕǖ木匦未靶拚健?/span>

  FFT的速度要受到數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)、時(shí)鐘頻率的影響。FFT的模塊的執(zhí)行時(shí)間從（0.1-0.6）s延遲為（0.1-0.9）s，同時(shí)通過減少峰值檢測(cè)的次數(shù)，來壓縮其相應(yīng)模塊的時(shí)間，來保證在2s的周期中可以運(yùn)行完整個(gè)模塊。

2.2 峰值檢測(cè)及程控放大

  由多次檢測(cè)的峰值求平均值，得到渦街信號(hào)的幅值，根據(jù)幅值的大小來調(diào)整數(shù)字電位器的電阻值，從而實(shí)現(xiàn)程控放大器放大倍數(shù)的調(diào)整。這樣處理保證小幅值的渦街信號(hào)也能被整形器觸發(fā)。

  在程序運(yùn)行時(shí)只有通過不斷的充放電才能準(zhǔn)確的測(cè)量信號(hào)的幅值，測(cè)量的頻率必須與信號(hào)的頻率相對(duì)應(yīng)，信號(hào)頻率低時(shí)，充放電的頻率也要降低，信號(hào)頻率高時(shí)，充放電的頻率也可以相應(yīng)的加快。

2.3 帶通選擇

  由于液體（0～500Hz）、氣體（0～2300Hz）的頻率不同，帶通濾波器的頻段設(shè)置也不同。其頻段為液體（（0，16），（10，42），（35，82），（65，141），（77，213），（101，274），（138，388），（226，642）），氣體為（（0，44），（35，88），（73，196），（179，376），（348，798），（735，1074），（1025，1824），（1687，2500））。為了防止當(dāng)信號(hào)處于通道邊緣，由頻率波動(dòng)而造成的頻率切換通道的問題，使通道在設(shè)置上存有一定寬度的重疊，通過軟件也減少切換的次數(shù)。

2.4 頻率計(jì)數(shù)

  對(duì)頻率的計(jì)數(shù)采用的是多周期等精度測(cè)量。設(shè)定定時(shí)器TA為渦街信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)器，設(shè)置定時(shí)器TB為填充脈沖計(jì)數(shù)器，讓TA的PWM模塊定時(shí)發(fā)觸發(fā)捕獲信號(hào)，TA和TB根據(jù)相鄰的兩次觸發(fā)捕獲信號(hào)之間的時(shí)間間隔，分別捕獲渦街信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)和填充脈沖的個(gè)數(shù)，根據(jù)TA和TB捕獲得到脈沖數(shù)以及TB的工作時(shí)鐘頻率計(jì)算出渦街信號(hào)的頻率。

  渦街信號(hào)頻率：

  Nx為定時(shí)器A捕獲的渦街脈沖的個(gè)數(shù)；Ns為填充脈沖定時(shí)器B計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)；TBf為定時(shí)器B脈沖的個(gè)數(shù)。

3 測(cè)試結(jié)果

  將渦街流量計(jì)安裝在耐德流量實(shí)驗(yàn)室的管道上，管道直經(jīng)為50mm，采用鐘罩式氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定。依據(jù)《JJG1029-2007渦街流量計(jì)檢定規(guī)程》在量程流量范圍內(nèi)分段檢測(cè)各流量點(diǎn)，其中一臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1，測(cè)試得瞬時(shí)流量的線性度為0.97%，zui大示值誤差為0.595%。

  表1 50mm口徑渦街流量計(jì)的氣體流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

  本文給出了一種基于頻譜分析信號(hào)處理的渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)，結(jié)合軟、硬件，選用MSP430F5438作為核心控制器件，硬件上主要分析了壓電傳感器信號(hào)的程控放大與低通濾波、多通道的可選擇帶通濾波、峰值檢測(cè)、信號(hào)的整形輸入，軟件上分析了頻率估算、峰值檢測(cè)與放大、帶通選擇、頻率計(jì)數(shù)，zui后，在柴油標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了檢定驗(yàn)證。結(jié)果表明，該流量計(jì)設(shè)計(jì)采用基于FFT的頻譜分析和帶通濾波，大大提高了液體流量測(cè)量精度和抗干擾性。

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