专利名称：一种基于dsp的电磁流量计信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量检测领域，为一种电磁流量计信号处理系统，特别是一种针对接 触式电磁流量计一次仪表，以数字信号处理器(DSP)为核心，采用高频方波励磁、基于梳状 带通滤波和统计分析与信号重构的信号处理方法实现对单相流体介质和浆液流体高精度、 高速度测量的电磁流量计信号处理系统。
背景技术：
电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。由 励磁线圈将磁场施加给被测流体，通过检测磁场中运动流体的感应电动势，并进行信号处 理来实现流量准确测量。由于其测量管内部不含有阻挡部件，且可靠性高、耐腐蚀性强、测 量精度高、不受流体密度、粘度、温度、压力变化的影响等优点，因此，在工业中得到广泛应 用，尤其适用于浆液等固-液两相流体的流量测量。电磁流量计的技术难点主要在于消除 各种噪声如正交干扰、同相干扰、工频干扰、极化干扰、白噪声等，尤其是浆液流量测量时的 浆液干扰及低电导率流体流量测量时的流动噪声等。其中，浆液干扰的消除仍是当今电磁 流量计技术的一大难题，浆液流量测量技术因而也是电磁流量计应用中的一项关键技术。 另外，电磁流量计的高精度、高速度测量在当前工业应用中的要求也越来越高。当前，国内研究方面主要针对纯水等单相流体介质，采用低频方波励磁方式及单 片机信号处理系统来解决单相流体介质的流量测量问题。但是，低频方波励磁无法克服浆 液干扰的影响，且限制了测量响应速度的提高；运算能力相对较低的单片机系统也往往无 法承担运算量较大的浆液信号处理任务及高精度、高速度的流量测量信号处理任务。国外 研究方面，则已有针对浆液流量测量的电磁流量计技术方面的研究及相关产品，采用高频 方波励磁或双频励磁控制方式来有效克服浆液干扰，并结合相应的信号处理系统来解决浆 液流量测量问题。但是，所披露的信号处理方法复杂，较难实现。为此，需要开展电磁流量 计浆液流量测量技术及电磁流量计高精度、高速度测量的信号处理系统的研究。现有技术中，电磁流量计的高精度测量已有较成熟的解决方法，但往往是以牺牲 测量速度为代价。而基于高频方波励磁或双频励磁以提高电磁流量计测量精度和测量 速度及解决浆液流体测量的技术则仅有国外少数企业掌握，且技术较为复杂。公开号为 CN101451867A(顾志祥.浆液型电磁流量计)的中国发明专利是关于浆液型电磁流量计的 研究，提出采用“智能模糊算法”处理浆液噪声，但只给出系统设计框图，未提到任何系统设 计及算法处理流程步骤等技术细节。公开号为CN87101677A(小林保，黑森健一，俊藤茂，松 永义则，鸟丸尚，宿谷宪弘，田半上忠.电磁流量计)的中国发明专利中阐述了双频电磁流 量计技术，提出采用双频励磁的方案，并通过信号采样及幅值解调的方法分别提取出传感 器输出信号中的低频分量的幅值和高频分量的幅值，然后分别通过低通滤波器和高通滤波 器进行滤波并将两路滤波结果相加得到最终去除浆液干扰及其它噪声干扰的信号幅值大 小，进而获得流体流量大小。但是，双频励磁控制及相应的信号处理技术复杂，实现困难，其 对应的产品有日本横河的双频电磁流量计。高频方波励磁及相应的浆液信号处理方法对应
5的产品则有日本东芝的高频浆液型电磁流量计，但是，未见文献披露具体的技术细节。为 此，本发明专利提出一种能够用于高精度、高速度测量尤其是能进行浆液流体流量测量的 电磁流量计。
发明内容
本发明要解决现有电磁流量计技术中存在的一些问题，针对接触式电磁流量计， 提供一种基于数字信号处理器(DSP)的，能够用于高精度、高速度测量及浆液等复杂流体 测量的电磁流量计信号处理系统。本发明所采用的技术方案是基于高频方波励磁，针对纯水等单相流体介质的测 量，提出基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法，以提高电磁流量计单相流量测量的 精度和速度；针对液_固两相等浆液流体流量的测量，提出基于统计分析与信号重构的浆 液信号处理方法，以提高电磁流量计用于浆液流体测量的测量精度和测量速度；采用公开 号为CN101644591 (徐科军，杨双龙，王刚等.一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励 磁控制系统)的中国发明专利中所述的高频励磁控制方案，从而保证电磁流量计在高频方 波励磁时具有稳定的信号零点并实现准确的励磁电流检测，进而为高精度、高速度测量及 克服浆液干扰提供前提条件；以数字信号处理器(DSP)为信号处理和系统控制核心，研制 电磁流量计信号处理硬件系统，包含励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模 块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块，从而为电磁流量计高精度、高速度流量信号 处理及浆液流量信号处理的复杂运算提供系统平台；基于硬件系统，研制电磁流量计软件 系统，包含初始化模块、驱动模块、数据处理模块、通讯模块、人机接口模块及看门狗模块。本发明的工作过程为由电磁流量计信号处理系统中的数字信号处理器(DSP)发 出励磁时序控制信号；励磁驱动模块根据励磁时序控制信号对电磁流量计励磁线圈进行高 频方波励磁，同时检测励磁电流并进行模数转换送给数字信号处理器(DSP)；信号调理采 集模块对电磁流量计输出信号进行放大、滤波及模数转换，并送入数字信号处理器(DSP)； 针对单相介质流量测量，数字信号处理器(DSP)采用基于梳状带通滤波的单相流量信号处 理方法对所采集的电磁流量计传感器信号及励磁电流信号进行信号处理；针对液-固两相 等浆液型介质的流量测量，数字信号处理器(DSP)采用基于统计分析与信号重构的浆液流 量信号处理方法对所采集的电磁流量计传感器输出信号及励磁电流信号进行信号处理；数 字信号处理器将流量信号处理结果传送给人机接口模块的液晶显示器进行液晶显示，同时 接受人机接口模块的键盘操作请求，并对其进行处理；当电磁流量计信号处理系统通过串 口模块与上位机建立连接时，系统实时接受上位机的指令监控。本发明的积极效果是能够实现对流体流量进行高精度、高速度测量，尤其是能够 实现对浆液等液-固两相流体的测量。其特征在于能够对电磁流量计励磁线圈进行高频 方波励磁，且同时能保证电磁流量计电极感应输出信号的零点稳定性，进而可有效克服浆 液干扰；以数字信号处理器(DSP)为核心从而具有很强的运算处理能力；采用所提出的单 相介质流量信号处理方法和浆液等液_固两相流体流量信号处理方法实现对流体流量的 高精度、高速度测量及浆液等液_固两相流的流量测量。
图1是本发明的系统框图；图2是本发明的系统信号处理控制模块功能框图；图3是本发明具体实施例DSP引脚接线图；图4是本发明具体实施例外扩存储器电路原理图；图5是本发明具体实施例通讯模块电路原理图；图6是本发明的软件功能模块框图；图7是本发明的基于梳状带通滤波的单相流量信号处理流程图；图8是本发明的基于梳状带通滤波的单相流量各步信号处理结果示意图；图9是本发明的电磁流量计感应输出信号偏置调整结果示意图；图10是本发明的基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理流程图；图11是本发明的基于统计分析与信号重构的浆液流量各步信号处理结果示意图；图12是浆液测量时励磁半周期数与幅值解调结果间的近似高斯分布示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明本发明的设计思想是采用基于线性电源的高频方波励磁控制方案来实现保证稳 定信号零点的同时，对电磁流量计一次仪表进行高频方波励磁，进而为加快测量响应速度、 克服浆液噪声干扰提供条件；采用数字信号处理器(DSP)作为信号处理和系统控制核心， 研制电磁流量计二次仪表系统，为高精度、高速度测量或浆液测量提供具有足够运算能力 的系统平台；二次仪表信号调理采集电路中，采用高阻抗前置差分放大电路对信号进行差 分放大，并克服工频共模干扰，通过数字信号处理器控制数模转换器(DAC)输出模拟偏置 调整量的方式来克服信号二次放大饱和，采取两级二阶低通滤波放大电路对调整偏置后的 信号进行二次放大滤波以进一步提高信噪比；在信号处理中，针对纯水等单相介质的流量 测量，采取先梳状带通滤波，以衰减叠加在信号上的各种噪声，再幅值解调获取反映流体流 速大小的信号幅值，然后，再对信号进行励磁电流修正，以避免励磁电流变化对处理精度造 成影响，最后，再对其进行滑动均值滤波以进一步平滑处理结果，以得到反映流速变化的平 稳输出；在信号处理中，针对浆液流体测量，采取先幅值解调以获得一次仪表输出信号的幅 值信息，再对其进行统计分析排序，以获取有效幅值并去除浆液干扰，接着进行信号幅值重 构，以恢复出去除浆液干扰后的信号幅值点，然后，通过重构梳状带通滤波器对重构幅值点 进行滤波，之后采取与单相介质的流量测量信号处理流程中梳状带通滤波之后相同的信号 处理流程。系统由人机接口模块的键盘和液晶实现人机交互，并可通过上位机实现监控。本发明的电磁流量计信号处理系统框图如图1所示，包括励磁驱动模块1，信号调 理采集模块2、信号处理控制模块3、人机接口模块4、通讯模块5及电源管理模块6。所述励磁驱动模块1采用已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流 量计励磁控制系统》中所述的高频励磁控制方案，由恒流源电路7、励磁控制电路8、检流电 路9及A/D转换电路10组成，接收信号处理控制模块3发出的励磁控制信号，对励磁线圈 进行方波励磁，并将检测到的励磁电流转换为数字信号送给信号处理控制模块3。所述信号调理采集模块2由前置差分放大电路11、偏置调整电路12、低通滤波放
7大电路13及A/D转换电路14组成，实现对电磁流量计传感器输出信号的放大、滤波及模数 转换(A/D转换)，并将转换结果送给信号处理控制模块3。前置差分放大电路11由高输入阻抗运算放大器组成，用于对电磁流量计一次仪 表差分输出信号Signal进行差分放大，去除共模干扰，并根据偏置调整电路12输出的偏置 调整量VB调节差分放大后的信号的基准，以避免信号漂移出调理电路的线性工作区；偏置 调整电路12由数模转换器(DAC)与滤波器组成，接收DSP最小系统15中的数字信号处理器 (DSP)Ul输出的数字偏置调整量，将其转换为模拟量并滤波输出VB ；—次仪表信号Signal 经前置差分放大电路11及偏置调整电路12放大调整后再送给由两级二阶低通滤波放大电 路级联组成的低通滤波放大电路13进行低通滤波及二次放大；二次放大后的信号则由A/D 转换电路14进行模数转换并将数字量传送给DSP最小系统15中的数字信号处理器(DSP) U1进行信号处理以获取流量信号。所述信号处理控制模块3主要由DSP最小系统15与外扩存储器(SRAM) 16组成， 承担整个系统的协调控制和信号处理的任务。DSP最小系统15包含数字信号处理器(DSP) U1、时钟电路、复位电路、JTAG 口，是整个系统的信号处理和控制核心。系统信号处理结果 传送给人机接口模块4的液晶17进行显示。图2所示为系统信号处理控制模块3的功能 框图。图3为系统信号处理控制模块3中的数字信号处理器(DSP)Ul的引脚接线图。U1 的92脚、93脚、94脚用于控制输出数字偏置量至信号调理采集模块2中偏置调整电路12 中的数模转换器(DAC) ；U1的95脚、106脚、107脚用于控制读取信号调理采集模块2中A/ D转换电路14与励磁驱动模块1中A/D转换电路10的转换结果；U1的102脚、103脚用 于控制发出空管侦测信号P3. 4、P3. 5至信号调理采集模块2的前置差分放大电路11中； U1的45脚、53脚、55脚用于控制励磁驱动模块1工作；U1的61脚、62脚、63脚、72脚用于 扫描键盘状态；U1的117脚、122脚、123脚、124脚用于控制液晶显示；U1的155脚、157脚 用于串行异步通讯，149脚用于检测通讯设备连接状态；U1的25脚用于发出同步触发输出 信号EXT0 ；U1的49脚用于扫描外部同步触发输入信号EXTI ；U1的地址线和数据线与外扩 存储器(SRAM) 16的地址线和数据线连接，并由U1的42脚、84脚及133脚控制外扩存储器 (SRAM) 16的选通及读写操作。图4为系统信号处理控制模块3中的外扩存储器(SRAM) 16的电路原理图。外扩 存储器(SRAM) 16电路主要包含存储器U2及电容C30、C31。电容C30、C31起U2的电源退 耦作用。U2的6脚接系统信号处理控制模块3中U1的133脚，用于控制选通；U2的17脚 和41脚分别接U1的84脚和42脚，用于存储器读写操作时的选通时序控制。所述人机接口模块4由液晶显示17与键盘18组成，液晶显示器采用带背光的点 阵式LCD，键盘采用4键组合的方式实现参数设定及液晶显示切换功能。所述通讯模块5由电平转换电路组成，通过9芯接口 COM实现与上位机的连接。图5为系统通讯模块5的电路原理图。通讯模块5主要由串口电平转换芯片U3、 电容C29、C32、C33、C34、C35及9芯RS232接口 COM组成。U3的9脚和11脚分别接系统信 号处理控制模块3中U1的157脚和155脚，U3的8脚和13脚分别接COM的3脚和2脚。 C29主要用于U3供电电源退耦；U3结合电容C32、C33、C34、C35将U1发出的CMOS逻辑电平 信号SCITXD转换为标准RS232电平信号TXD并通过COM输出，将COM 口接收的标准RS232电平信号转换为CMOS逻辑电平信号SCIRXD并传送给U1，进而实现串行异步通讯。所述电源管理模块6采用开关电源原理将220V市电转换为系统各模块正常工作 所需的工作电源。本发明软件系统采取模块化设计，主要包含初始化模块、驱动模块、数据处理模 块、通讯模块、人机接口模块及看门狗模块，由主程序统一调度、协调运行。系统的软件功能 模块框图如图6所示。初始化模块负责系统内F2812、过程参数变量及各外设初始工作状态的初始化。 系统将软件程序下载至内部Flash中，并在系统初始化时将调用频繁的子程序从Flash中 拷贝到内部RAM中运行以提高程序执行效率。外设初始化主要包括励磁驱动模块1的励磁 控制使能、励磁驱动模块1中A/D转换电路10中的模数转换器(ADC)与信号调理采集模块 2中A/D转换电路14中的模数转换器(ADC)的同步启动、信号调理采集模块2中的偏置调 整电路12中的数模转换器(DAC)的初始输出。驱动模块主要包括励磁控制与空管侦测两个子模块。励磁驱动控制主要通过软 件控制GPI0 口产生励磁控制信号CE_SIG和CE_DIR。系统励磁前，先通过GPI0使能励磁驱 动模块1中的励磁时序输出。信号调理采集模块2与励磁驱动模块1中的模数转换器(ADC) 对信号采取同步整周期采样的方式，所以，当模数转换器(ADC)采样频率由外部晶振确定 后，直接根据采样点数来决定是否切换励磁方向即可准确控制励磁方式和励磁频率。空管 侦测由EV模块定时产生lKHz的方波信号输出至信号调理采集模块2的耦合输入端P3. 4 或 P3. 5。数据处理模块主要包括数据采集、流量计算和偏置调整三个子模块。数据采集通 过捕获中断(CAP1)通知数字信号处理器(DSP)读取数据，由GPI0A3/8/9模拟SPI功能来 同步读取励磁驱动模块1中的模数转换器(ADC)和信号调理采集模块2中模数转换器的转 换结果。偏置调整则通过设置上下幅值门限，当信号最大值超过幅值上限或其最小值小于 幅值下限时，则计算信号基准线与零基准线之间的差值作为偏置调整量，并由GPI0A2选通 信号调理采集模块2中偏置调整电路12中的数模转换器(DAC)，由GPI0A0/1模拟SPI 口输 出数字偏置调整量，以将信号基准拉回至0。流量计算中，针对纯水等单相流体介质的测量 采用基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法，针对液_固两相等浆液流体的测量采用 基于统计分析与信号重构的浆液信号处理方法，以提高电磁流量计用于浆液流体测量的测 量精度和测量速度。通讯模块系统中采用F2812片上SCIA模块实现与上位机交互，采用SCI接收中 断方式监听上位机控制指令。在进入SCI接收中断后先读取接收寄存器中的上位机指令信 息，再据此决定下一步是接收上位机信息还是向上位机传送信息。系统SCI与上位机数据 交互中采用FIFO模块进行数据信息批量处理，并根据上位机指令动态调整FIFO级数以提 高系统自身通讯效率。SCI通讯波特率由上位机设定，F2812采用自动侦测的方式与上位机 进行波特率匹配。当F2812位于上位机建立连接时，其处于侦测开启状态，当其与上位机建 立正确连接后即关闭自动侦测功能。人机接口模块主要用于将流量处理结果及各种信息传送给液晶模块显示，并处理 键盘操作请求。看门狗模块主要用于防止系统程序跑飞，避免系统“死机”。本发明所提出的针对单相介质流量测量的基于梳状带通滤波的单相流量信号处
9理方法流程如图7所示，依次为梳状带通滤波一幅值解调一电流修正一滑动均值滤波一流 量转换。其各步流程信号处理结果如图8所示。步骤一梳状带通滤波。采用IIR梳状带通滤波器，滤波带通中心频率基频取为电
磁流量计方波励磁频率f；，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3fe、5f;、7f；......)。用于
消除单相流体测量时电磁流量计传感器输出信号白噪声、工频噪声、低频极化漂移等各种 频率不等于方波励磁频率及其奇次倍频率分量的噪声干扰，以提高信噪比。梳状带通滤波 器Z域传递函数如下式
Y(z) L l-z'n= --
U(z) l + az式中，b、a为梳状带通滤波器参数，n为滤波器阶数(等于励磁半周期采样点数)， U(z)为采样序列u的Z域变换式，Y(z)为梳状滤波结果序列y的Z域变换式。则IIR梳状 带通滤波计算式为y (k) = bu (k) _bu (k_n) -ay (k_n)式中，u(k-n)为上一励磁半周期的第k采样点，y(k-n)为上一励磁半周期第k采 样点的滤波结果，u(k)为当前励磁半周期的第k采样点，y(k)为当前励磁半周期第k采样 点的滤波结果。梳状带通滤波的软件实现即为解上述差分方程。步骤二 幅值解调。用于求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅值 大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小。电磁流量计传感器输出信号每励磁半周 期幅值大小按正负励磁半周期有效信号幅值之差的二分之一的绝对值度量，励磁电流每励 磁半周期幅值大小按正负励磁半周期有效电流信号幅值的绝对值度量。有效信号幅值数据 均取每励磁半周期的后边沿平稳数据。图8所示梳状带通滤波结果的幅值解调式为D(k) = --| H(k) + H(k - 2) - 2H{k — ]) |
4式中，H(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-l)为上一励磁半周期后 边沿数据段的均值，H(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，D(k)则为当前励磁半 周期的电磁流量计感应信号幅值解调结果。励磁电流幅值解调与此类似。设励磁电流幅值 解调结果为I(k)。步骤三电流修正。将电磁流量计输出信号的幅值解调结果与励磁电流解调结果 相除得出修正结果j(k)，其计算式为J(k) = D(k)/I(k)。步骤四滑动均值滤波。对电流修正结果进行多点幅值平均。设均值滤波点数为 N，则滤波算式为s ㈨=Hik — r)
N /=0式中，J(k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果J(k)及过去1个励磁半周期 电流修正结果J(k-l)至过去N-1个励磁半周期电流修正结果J(k-N-l)，S(k)为当前励磁 半周期滑动滤波结果。步骤五流量转换。将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并 去除零点K2，得出当前流体流速大小v(k)，其计算式为 10
v(k) = K1 S(k)+K2图9为电磁流量计感应输出信号偏置调整示意图。系统软件中，只有在检测到感 应信号幅值超过设定幅值上限或幅值下限时，才进行偏置调整量计算并输出。图9所示为 当电磁流量计感应输出信号幅值超过幅值上限时，即在其下一个励磁半周期进行偏置调整 量计算并输出以调整信号调理采集模块2中前置差分放大电路11的偏置输入量VB，进而将 感应信号拉回至零基准线以避免二次放大饱和。偏置量计算式为VBIAS = -(Al+A2)/2式中，VBIAS为偏置量，A1为上一励磁半周期(即发生信号幅值超限的励磁半周期) 后边沿数据段的均值，A2为上个励磁周期后边沿数据段的均值。偏置量计算好后，即可通过 硬件电路的各级放大倍数来计算偏置调整量输出值的大小，然后通过GPI0A0/1/2模拟SPI 输出偏置调制量至信号调理采集模块2中偏置调整电路12中的数模转换器(DAC)，实现偏 置调整。偏置调整时，由于已知偏置调整时刻及偏置调整量，所以，在软件算法中可直接克 服偏置调整对处理结果的影响。本发明所提出的针对浆液等液_固两相流流量测量的基于统计分析与信号重构 的浆液流量信号处理方法流程如图10所示，依次为幅值解调I —统计分析一幅值重构一梳 状带通滤波一幅值解调II —电流修正一滑动均值滤波一流量转换。其各步流程信号处理 结果如图11所示。步骤一幅值解调I。用于求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅 值大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小。电磁流量计传感器输出信号每励磁半 周期幅值大小按正负励磁半周期有效信号幅值之差的二分之一的绝对值度量，励磁电流每 励磁半周期幅值大小按正负励磁半周期有效电流信号幅值的绝对值度量。有效信号幅值数 据均取每励磁半周期的后边沿平稳数据。图8所示梳状带通滤波结果的幅值解调式为 L(k) =~| F(k) + F(k-2)-2F{k-\)\式中，F(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，F(k-l)为上一励磁半周期后 边沿数据段的均值，F(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，L(k)则为当前励磁半 周期的电磁流量计感应信号幅值解调结果。励磁电流幅值解调与此类似。设励磁电流幅值 解调结果为I(k)。步骤二 统计分析。流量平稳时，由于受浆液噪声干扰的影响，幅值解调I的解调 结果序列L中会有少数点的幅值出现较大波动。对序列L进行统计分析可知，长时间内L 序列中位于某一幅值范围内的幅值点数(由于是每励磁周期解调一次幅值，所以幅值点数 即为相应的励磁半周期数)与该幅值范围的幅值均值成近似高斯分布关系，如图12(a)所 示。图12(a)表明，信号幅值解调结果序列L中受浆液干扰影响致使幅值偏大或偏小的点 均为少数，而不受浆液干扰影响的解调结果则占绝大多数。浆液干扰的励磁半周期数与其 导致的幅值解调结果误差之间亦成近似高斯分布，如图12(b)所示。图12(b)表明，电磁流 量计一次仪表输出信号中不受浆液干扰影响的励磁半周期数占绝大多数。所以，采取对幅 值解调结果序列 L 中的 M 点数据[L (k-M+1)，L (k-M+2) 0，. . .，L (k_2)，L (k_l)，L (k)]进行 排序，然后取其中间数据段作为有效数据并取平均得出不受浆液干扰影响的幅值解调结果 Y(k)。
步骤三幅值重构。采取递推计算的方法，根据已统计分析计算得到的幅值解调结 果序列T重构信号幅值序列R。幅值重构计算式为R(k) =4 [T (k) +T (k_l) ] (_1) [3 [R (k_2) -R (k_l) ] +R (k_3)式中，幅值重构点R(k)位于励磁正半周期时，取i = 0 ；幅值重构点R(k)位于励磁 负半周期时，取i = 1。幅值重构结果序列R中的每点代表对应半励磁周期平稳态的幅值。步骤四梳状带通滤波。采取重构IIR梳状带通滤波器的方法，对幅值重构的结果 序列R进行滤波消噪。IIR梳状带通滤波器滤波带通中心频率基频取为电磁流量计方波励
磁频率f；，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3fe、5f;、7e......)。设IIR梳状带通滤波器
Z域传递函数如下式J7TT = bx-——-U(z) 1 + az式中，b、a为梳状带通滤波器参数，n为滤波器阶数(等于励磁半周期采样点数)， U(z)为采样序列u的Z域变换式，Y(z)为梳状滤波结果序列y的Z域变换式。则重构IIR 梳状带通滤波器如下式
r n H(z) , 1-z"1~~ = bx--
R(z) l + az'1式中，R(z)为幅值重构结果序列R的Z域变换式，H(z)即为重构IIR梳状带通滤 波结果序列H的Z域变换式。则当前励磁半周期幅值重构结果R(k)经重构IIR梳状带通 滤波的计算式如下H(k) = bR(k)-bR(k-l)-aH(k-l)重构IIR梳状带通滤波结果序列H为去除浆液干扰和其它噪声后的对应于每个励 磁半周期平稳态的幅值。步骤五幅值解调II。对重构IIR梳状带通滤波结果序列H进行再次幅值解调。 当前励磁半周期的幅值解调II的解调计算式为D(k) = ~| H(k) + H(k-2)~ 2H(k -1) |步骤六电流修正。将幅值解调II的解调结果D (k)与励磁电流解调结果I (k)相 除得出修正结果j(k)，其算式为J(k) = D(k)/I(k)。步骤七滑动均值滤波。对电流修正结果序列J进行多点幅值平均。设均值滤波 点数为N，则滤波算式为
1 N-1S(k) = —^J(k~i)
N i=0式中，j (k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果j (k)及过去1个励磁半周期 电流修正结果J(k-l)至过去N-1个励磁半周期电流修正结果J(k-N-l)，S(k)为当前励磁 半周期滑动滤波结果。步骤八流量转换。将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并 去除零点K2，得出当前流体流速大小v(k)，其计算式为v(k) = K1 S(k)+K2。
1权利要求
一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，用于向电磁流量计一次仪表励磁线圈提供方波励磁电流，检测其一次仪表传感器输出信号并对其进行信号处理以获取实际流体流速大小，包括硬件系统和软件系统，其特征在于硬件系统采用基于线性电源的高频方波励磁控制方案，以数字信号处理器(DSP)作为信号处理和系统控制核心，包含励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块；由励磁驱动模块向电磁流量计励磁线圈提供方波励磁电流，电磁流量计一次仪表传感器输出信号经信号调理采集模块放大、滤波及模数转换后送给数字信号处理器(DSP)进行信号处理，信号处理结果传送给人机接口模块进行显示或由通讯模块传送给上位机，电源管理模块向系统硬件中各模块提供工作电源；软件系统基于高频方波励磁，针对单相介质流量测量采用基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法，针对浆液流量测量采用基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理方法。
2.如权利要求1所述的一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，其特征在于信号 调理采集模块由前置差分放大电路、偏置调整电路、低通滤波放大电路及A/D转换电路组 成。
3.如权利要求1所述的一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，其特征在于信号 处理控制模块以数字信号处理器(DSP)Ul作为信号处理和控制核心，主要由DSP最小系统 和外扩存储器U2组成；Ul的92脚、93脚、94脚用于控制输出数字偏置量至信号调理采集模 块中偏置调整电路中的数模转换器(DAC) ；Ul的95脚、106脚、107脚用于控制读取信号调 理采集模块中A/D转换电路与励磁驱动模块中A/D转换电路的转换结果；Ul的102脚、103 脚用于控制发出空管侦测信号P3. 4、P3. 5至信号调理采集模块的前置差分放大电路中；Ul 的45脚、53脚、55脚用于控制励磁驱动模块工作；Ul的61脚、62脚、63脚、72脚用于扫描 键盘状态；Ul的117脚、122脚、123脚、124脚用于控制液晶显示；Ul的155脚、157脚用于 串行异步通讯，149脚用于检测通讯设备连接状态；Ul的25脚用于发出同步触发输出信号 EXTO ；Ul的49脚用于扫描外部同步触发输入信号EXTI ；Ul的地址线和数据线与U2的地址 线和数据线相接，并由Ul的42脚、84脚及133脚控制U2的选通及读写操作选通。
4.如权利要求1所述的一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，其特征在于软件 系统采取模块化设计，主要包含初始化模块、驱动模块、数据处理模块、通讯模块、人机接口 模块及看门狗模块，由主程序统一调度、协调运行；数据处理模块中偏置调整通过设置上下 幅值门限，当信号最大值超过幅值上限或其最小值小于幅值下限时，则计算信号基准线与 零基准线之间的差值作为偏置量；偏置量Vbias计算式为Vbias = -(Al+A2)/2式中，Al为上一励磁半周期(即发生信号幅值超限的励磁半周期)后边沿数据段的均 值，A2为上个励磁周期后边沿数据段的均值；然后将偏置量Vbias除以电路放大系数并输出 给偏置调整电路中的数模转换器(DAC)。
5.如权利要求1和权力要求4所述的一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，其特 征在于数据处理模块中基于梳状带通滤波的单相流量信号处理流程依次为梳状带通滤波 —幅值解调一电流修正一滑动均值滤波一流量转换；梳状带通滤波采用IIR梳状带通滤波器，滤波带通中心频率基频取为电磁流量计方波励磁频率f；，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3fe、5f;、7f；......) ；IIR梳状带通滤波计算式为 式中，η为滤波器阶数(等于励磁半周期采样点数)，u(k-n)为上一励磁半周期的第k采样点，y(k-n)为上一励磁半周期第k采样点的滤波结果，u(k)为当前励磁半周期的第k采样点，y (k)为当前励磁半周期第k采样点的滤波结果；幅值解调用于求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅值大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小；幅值解调计算式为 式中，H(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-l)为上一励磁半周期后边沿 数据段的均值，H(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，D(k)则为当前励磁半周期 的电磁流量计感应信号幅值解调结果；励磁电流幅值解调与此类似；设励磁电流幅值解调 结果为I(k)；电流修正即为将电磁流量计输出信号的幅值解调结果与励磁电流解调结果相除得出 修正结果J (k)，其计算式为J (k) =D(k)/I(k)；滑动均值滤波即对电流修正结果进行多点幅值平均；设均值滤波点数为N，则滤波算 式为 式中，J(k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果J(k)及过去1个励磁半周期电流 修正结果J(k-l)至过去N-I个励磁半周期电流修正结果J(k-N-1)，S(k)为当前励磁半周 期滑动滤波结果；流量转换即为将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并去除零点 K2，得出当前流体流速大小ν (k)，其计算式为v(k) = Kl · S(k)+K2。
6.如权利要求1和权力要求4所述的一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，其特 征在于数据处理模块中基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理流程依次为幅值解 调I —统计分析一幅值重构一梳状带通滤波一幅值解调II —电流修正一滑动均值滤波一 流量转换；幅值解调I即求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅值大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小；幅值解调计算式为 1L(k) = 一 · I F(k) + F(k - 2) - 2F{k -1) I 4式中，F(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，F(k-l)为上一励磁半周期后边沿 数据段的均值，F(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，L(k)为当前励磁半周期的 电磁流量计感应信号幅值解调结果；励磁电流幅值解调结果为I (k)；统计分析采取对幅值解调结果序列L中的M点数据[L (k-Μ+Ι)，L (k-M+2)，...，L (k_2)， L(k-l)，L(k)进行排序，然后取其中间数据段作为有效数据并取平均得出不受浆液干扰影 响的幅值解调结果T(k)；幅值重构采取递推计算的方法，根据已统计分析计算得到的幅值解调结果序列T重构信号幅值序列R ；幅值重构计算式为R(k) = 4[T(k)+T(k-l)] (-1) '-3 [R (k-2) -R (k-1) ] +R (k-3)式中，幅值重构点R(k)位于励磁正半周期时，取i = 0 ；幅值重构点R(K)位于励磁负 半周期时，取i = 1 ；幅值重构结果序列R中的每点代表对应半励磁周期平稳态的幅值；梳状带通滤波采取重构IIR梳状带通滤波器的方法，对幅值重构的结果序列R进行滤 波消噪；IIR梳状带通滤波器滤波带通中心频率基频取为电磁流量计方波励磁频率fe，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3fe、5fe、7f；......)；当前励磁半周期幅值重构结果R(k)经重构IIR梳状带通滤波的计算式如下H(k) = bR (k) -bR (k-1) -aH (k-1) 幅值解调II为对重构IIR梳状带通滤波结果序列H进行再次幅值解调；当前励磁半周 期的幅值解调II的解调计算式为 1D{k) = --| H{k) + H{k-2)-2H(k-\)\ 4电流修正为将幅值解调II的解调结果D(k)与励磁电流解调结果I(k)相除得出修正 结果 J (k)，其算式为 J (k) =D(k)/I(K)；滑动均值滤波为对电流修正结果序列J进行多点幅值平均；设均值滤波点数为N，则滤 波算式为^ 1=0式中，J(k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果J(k)及过去1个励磁半周期电流 修正结果J(k-l)至过去N-1个励磁半周期电流修正结果J(k-N-l)，S(k)为当前励磁半周 期滑动滤波结果；流量转换为将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并去除零点K2， 得出当前流体流速大小v (k)，其计算式为v (k) = K1 S (k) +K2。
全文摘要
本发明为一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，包含硬件系统与软件系统。硬件系统由励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块组成。信号处理控制模块以DSP为核心。系统采用高频方波励磁控制方案，由DSP产生励磁时序控制励磁驱动模块对励磁线圈进行高频方波励磁；信号调理采集模块对电磁流量计输出信号进行放大、滤波及模数转换并送给DSP；软件系统对采集信号进行处理以获得流量测量结果并传送给液晶显示；仪表参数的设定由键盘操作或由上位机通过通讯模块与之交互实现。本发明能够实现对流体流量进行高精度、高速度测量，尤其是能够实现对浆液等液一固两相流体流量的测量。
文档编号G01F1/58GK101893465SQ20101021583
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者张然, 徐科军, 杨双龙, 杨怿兵, 梁利平, 王刚, 石磊 申请人:合肥工业大学;重庆川仪自动化股份有限公司