专利名称：一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量检测领域，为一种科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，特 别是针对微弯型科氏质量流量传感器固有频率较高、相位差较小而设计的一种通带宽度、 深度可调的nR带通滤波器、基于拉格朗日插值的过零检测的信号处理方法和系统。
背景技术：
科里奥利质量流量计(简称科氏质量流量计)可以直接测量质量流量，是当前发展 最为迅速的流量计之一，具有广阔的应用前景。科氏质量流量计由一次仪表和二次仪表组 成，一次仪表包括测量管(或称流量管)、磁电式速度传感器(或者光电式位移传感器)、 激振器和温度传感器；二次仪表又称为变送器，主要包括信号调理、处理和驱动电路。测量 管有U形管型(以下简称为U型)、直管型和微弯管型(以下简称为微弯型)等，其中，U 型的灵敏度高，即由流量导致的科氏力所产生的扭曲变形大，固有频率(谐振频率)一般 在70Hz至150Hz之间；直管型的灵敏度低，固有频率一般在IkHz以上；微弯型的灵敏度比 U型的低，固有频率一般在300Hz至900Hz之间。变送器的作用是测量两路磁电式速度传 感器输出信号之间的时间差或者频率和相位差。为了提高科氏质量流量计的计算精度和 抗干扰能力，国内外将数字信号处理技术用于科氏质量流量传感器输出信号的处理，研制 基于DSP (数字信号处理器)的科氏质量流量变送器，例如，合肥工业大学将格型自适应陷 波滤波器和计及负频率的DTFT算法相结合，处理科氏质量流量传感器的输出信号，并采用 TMS320F28335 DSP芯片研制了科氏质量流量变送器(徐科军，朱永强等，一种基于DSP的科 氏质量流量变送器，发明专利，申请号200910185560. 8，申请公布号CN 101706299 Α,申 请公布日2010.05. 12)。传感器输出信号先经过数字滤波器进行预处理，之后采用格型自 适应陷波滤波器跟踪信号频率，采用计及负频率的DTFT算法计算信号的相位差。整套算法 具有较强的抗干扰能力、较快的收敛速度、较高的计算精度，所研制的变送器与U型科氏质 量流量计一次仪表相配合，进行水流量标定，测量精度达到0. 1级，量程比20 1以上，效果 很好。但是，这种变送器主要是针对U型的。当用于处理微弯型科氏质量流量传感器输出 信号时，由于微弯管的固有频率较高，为了获得较好的计算精度，就必须提高变送器的采样 频率；为了实时地反映流量的变化，必须在相邻两个数据的采样间隔之间，完成算法的运算 任务；而目前的DSP芯片由于资源的限制，无法实时完成这个任务。若简化目前的算法，减 少计算量，势必降低计算精度。而微弯型科氏质量流量传感器输出的相位差比U型的小，例 如，国内某科氏流量计厂家生产的U型科氏质量流量计最大流量对应的相位差约为2°，而微 弯型科氏质量流量计最大流量对应的相位差约为0. 5°。所以，必须提出新的、既满足计算精 度要求、又能够在DSP上实时实现的算法，解决微弯型科氏质量流量传感器输出信号的处 理问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，采用以下技术方案微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统包括放大滤波电路、模数转换器(ADCl)、模数转换器(ADC2)、电压基准源、 电压跟随器、电流源、差分放大器、模数转换器(ADC3)、模拟驱动模块、数字信号处理器 DSP、外扩SRAM、外扩EEPR0M、人机接口、4 20mA电流输出、脉冲输出、电源模块及软件。 模拟驱动模块激励科氏质量流量传感器内部的激振器，使流量管以固有频率振动；位于流 量管两侧的两个磁电式传感器输出两路正弦信号，两路信号经两路参数相同的调理电路放 大、滤波后，由两个型号相同的ADCl和模数转换器ADC2采样转换为数字量，通过数字信号 处理器DSP的多通道缓冲串口 McBSP送入数字信号处理器DSP ；数字信号处理器DSP对采样 信号先进行数字滤波，消除噪声影响，再采用基于拉格朗日(Lagrange)插值的过零检测方 法计算信号的频率、时间差，进而得到流体的质量流量和流体密度；恒定电流经过科氏质量 流量传感器内部的温度传感器(RTD)，RTD输出电压经差分放大器后，由模数转换器ADC3采 样转换为数字量送入数字信号处理器DSP，数字信号处理器DSP根据温度对流量进行补偿； 数字信号处理器DSP的测量结果在液晶上显示，并且通过4 20mA电流输出和脉冲输出模 块输出测量结果。 本发明专利的优点是采用一种简单而有效的信号处理算法处理科氏传感器信 号，大大减小算法的运算量，易于实现，非常适合处理微弯型等频率较高的科氏传感器信 号；采取相应措施克服了单片机运算有效位数有限、硬件电路存在偏置问题，保证了算法的 实现精度；基于DSP实时、高精度地实现算法，研制出工业界可接受和应用的系统。
图1为本发明系统的硬件总体框图。
图2为本发明系统的主监控程序流程图。
图3为本发明系统的信号采集过程示意图。
图4为本发明系统的ADC中断服务流程图。
图5为本发明系统的DMA中断服务流程图。
图6为本发明系统的过零检测原理图。
图7为本发明系统的过零检测算法框图。
图8为本发明系统的求解零点流程图。
图9为本发明系统的电路偏置对算法的影响。
图10为本发明系统的脉冲输出示意图。
图11为本发明系统的PWM分频系数分配方式。
具体实施例方式本发明的硬件框图如图1所示，由放大滤波电路、模数转换器(ADCl)、模数转换 器(ADC2)、电压基准源、电压跟随器、电流源、差分放大器、模数转换器(ADC3)、模拟驱动 电路、数字信号处理器(DSP)、外扩SRAM、外扩EEPR0M、人机接口、4 20mA电流输出及脉冲 输出、电源模块组成。本发明的工作过程如图2所示。系统上电后，一方面，模拟驱动系统激励科氏质量 流量计一次仪表的激振器，使流量管以固有频率振动；另一方面，数字信号处理器DSP完成 系统各个模块的初始化以及算法变量的初始化。位于流量管两侧的两个磁电式传感器输出两路正弦信号，这两路信号经过两路参数相同的调理电路放大、滤波后，由两个型号相同的 模数转换器ADC1、模数转换器ADC2采样，采样结果通过数字信号处理器DSP的多通道缓冲 串口 McBSP送入数字信号处理器DSP内；数字信号处理器DSP对采样数据先进行数字滤波， 再采用基于拉格朗日插值的过零检测方法计算信号的频率和相位差，得到质量流量；数字 信号处理器DSP读取模数转换器ADC3的数值，转化为温度，对流量进行温度补偿；最终，流 量测量结果显示在LCD上，并通过4 20mA和脉冲输出模块，输出相应的电流和脉冲信号。系统上电后，一方面模拟电路产生驱动信号激励科氏流量计的振动，另一方面数 字信号处理器DSP完成系统各个部分的初始化，然后启动并同步两路模数转换器ADCl和模 数转换器ADC2的采样转换。当模数转换器ADCl数据转换好后，通过GPIO向数字信号处理 器DSP触发中断。考虑到模数转换器ADC1、模数转换器ADC2同步开启，数据转换理论上同 时完成，因此，未开启模数转换器ADC2中断，通过在ADCl中断内查询模数转换器ADC2的状 态，判断模数转换器ADC2是否转换完成。转换完成后，数字信号处理器DSP通过McBSP-A、 McBSP-B向模数转换器ADC1、模数转换器ADC2提供时钟，将转换结果移至McBSP的接收寄 存器(DRR) ；McBSP接收寄存器中的数据到用户指定随机存取存储器(RAM)空间的转移则 是通过直接存储器存取(DMA)模块完成。初始化DMA时，将DMA的通道1、通道2的源地 址指针分别为McBSP-A和McBSP-B的接收寄存器，而目的指针则指向用户定义的临时数组 bufferL、bufferR，则DMA自动地将ADC转换结果从DRR中存储到bufferL、和bufferR。当 临时数组存放满后，产生DMA中断，中断服务程序中，DMA先改变目的指针，为下次传送做准 备，再将临时数据中的内容拷贝至外部SRAM中的两个循环数组中，等待算法的调用。这样， 在不打扰CPU的情况下，完成ADC采样结果的读取。整个信号采集、传送过程如图3所示， ADC中断服务流程如图4所示，DMA中断服务流程如图5所示。如图2所示，当产生了新的500点数据后，即开始调用算法。首先检测信号幅值大 小，若信号幅值小于设定值，则表示传感器没有完全启振，继续等待；当信号幅值大于设定 值后，先让500点数据通过一个通带宽度和深度可调的UR带通滤波器，进行预处理，之后 采用基于拉格让日插值的过零检测方法计算信号的频率、时间差，结合仪表系数得出瞬时 质量流量；读取温度，对流量进行温度补偿。查询键盘标志位是否置位，若置位，则调用键盘 处理子程序。通过cputimerO定时Is中断，在中断服务程序中，累加瞬时流量得到累计流 量；另外，根据瞬时流量值，通过DA或ePWM模块向外输出4 20mA电流和脉冲。刷新LCD， 显示各测量结果。实际工业现场存在多种噪声，如随机噪声、工频干扰、电机和管道振动等引起的某 一固定频率干扰，这些噪声干扰的频带分布很宽，为此，本发明采用一种具有陷波器结构的 IIR带通滤波器对传感器信号进行滤波。滤波器传递函数为
i + P^az + P2 ζ
式中，Λ = —2cns , 为陷阱频率，◎< A<1,0<P2 <l。将z:
a =代入式(1)，可得其在陷阱频率处的增益为
(α-ΑΓ α+Α) 2^ACtis2fi.]
(1)
cns￡}-l· JSBi ffl 禾口
(2)
7当A、ft非常接近于1，而 不在0、π、2π附近时，式(2)可以简化为
权利要求
1.一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，包括放大滤波电路、模数 转换器(ADC1)、模数转换器(ADC2)、电压基准源、电压跟随器、差分放大器、模数转换器 (ADC3 )、模拟驱动模块、数字信号处理器(DSP )、外扩SRAM、外扩EEPR0M、人机接口、4 20mA 电流输出及脉冲输出、电源模块及软件，其特征在于模拟驱动模块激励科氏传感器内部 的激振器，使流量管以固有频率振动；位于流量管两侧的两个磁电式传感器输出两路正弦 信号，两路信号经两路参数相同的调理电路放大、滤波后，由两个型号相同的模数转换器 (ADC1)和模数转换器(ADC2)采样转换为数字量，通过数字信号处理器(DSP)的多通道缓冲 串口 McBSP送入数字信号处理器(DSP)；数字信号处理器(DSP)对采样信号先进行数字滤 波，消除噪声影响，再采用基于拉格朗日插值的过零检测方法计算信号的频率、时间差，进 而得到流体的质量流量和流体密度；恒定电流经过科氏质量流量传感器内部的温度传感器 (RTD)，温度传感器(RTD)输出电压经差分放大器后，由模数转换器(ADC3)采样转换为数字 量送入数字信号处理器(DSP)，数字信号处理器(DSP)根据温度对流量进行补偿；数字信号 处理器(DSP)的测量结果在液晶上显示，并且通过4 20mA电流输出和脉冲输出模块输出 测量结果。
2.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特 征在于系统上电后，一方面模拟驱动产生驱动信号维持传感器的振动，另一方面，数字信 号处理器(DSP)内部完成系统各个模块的初始化以及算法、变量的初始化，然后开启并同 步模数转换器(ADCl)和模数转换器(ADC2)两路AD的采样转换；数据转换好后，通过GPIO 产生中断；中断服务程序将AD转换结果传送至McBSP的接收寄存器，通过直接存储器存取 (DMA)模块，将McBSP接收寄存器的数据传送至用户定义的随机存取存储器(RAM)空间临时 数组中；临时数组存放满后，产生DMA中断，中断服务程序中，将临时数组中的新数据存放 到用户定义的外部SRAM循环数组中，用于算法调取数据；每当产生新的500点数据，即开始 调用算法模块对数据进行处理。
3.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特征在于当产生新的500点数据后，算法从循环数组中调取500点数据，进行算法处理；首先是判断信号幅值大小，如果信号幅值很小，表明传感器还未完全启振，这时应继续等待；若信号幅值大于所设定的参考值，表明传感器已经启振，这时，先将两路信号通过一个通带宽度、深度可调的UR带通滤波器进行预处理，消除噪声干扰，然后调用基于拉格朗日插值的过零检测方法，计算两路信号的频率、时间差；对计算结果进行排序，排除奇异值，并经过滑动平均后，得到测量均值，结合仪表系数，算出质量流量；读取温度值，对流量进行温度补 mte ο
4.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特 征在于数字信号处理器(DSP)处理的是采样后的离散信号，不可能恰好是过零点，这就需 要对采样数据进行曲线拟合，求出信号过零点；采用拉格朗日二次插值拟合；设采样序列,当出现戏1)*对n<0时，即表明在[n-l,n]时刻之间存在一个零点；生成二次插 值多项式X= Oi2Ifti+ C ,a = 0_5jb(h — 2) — X(H-1) + 0_5JK(H)b 二 "O-2Kb -1 + π) + x(r—J)(js-2 + η)- 0.5χ(ηΧη-2 + η-Ι)
5.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特征 在于无论是拉格朗日插值的3点拟合还是最小二乘法的5点拟合都会出现拟合二次方程 得到的两个根都不在[η-1，η]之间的情况；当出现这种情况时，用线性插值的方法重新求 解零点位置。
6.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特征 在于500点信号数据零点找到后，就计算信号参数；在求相位差时，需要两路信号的零点，
7.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特征 在于在插值运算时中间变量使用64位的double变量类型；当拉格朗日插值所用到的采 样值非常接近0时，将拉格朗日插值用到的采样值先放大100倍，再将时刻下标统一由 (n-2)、(n-l)、n归一到0、1、2进行插值计算，以提高计算结果的有效位数，保证算法的实现 精度。
8.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特征 在于为减小偏置对频率计算的影响，使用Lp L3求取信号频率，即保证求取频率所使用的 零点是一个信号周期的零点对；在计算相位差时，以1^、民和1^ 为基元，即包含上升沿和 下降沿的两组零点对计算相位差。
9.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特征 在于在计算出信号频率、相位差、流体流量等各参数之后，一方面数字信号处理器(DSP) 将测量结果于IXD上显示，另一方面，数字信号处理器(DSP)通过一 CPU定时器产生Is中 断，在中断服务程序内，对瞬时流量进行累加，得到累计流量，并且通过4 20mA输出和脉 冲输出模块，输出相应的电流和脉冲个数。
10.如权利要求1所述的一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，其特 征在于借助ePWM模块将瞬时流量转换为输出脉冲，在cputimerO产生的Is中断内，将这 Is内累计到的流量换算成要输出脉冲的个数，且规定这些脉冲在下一次cputimerO中断时 输出完毕；要输出的流量值out_floW取这Is内累计流量的整数部分，小数部分left_flow累加到下一次计算。
全文摘要
本发明涉及一种微弯型科氏质量流量计数字信号处理方法和系统，包括放大滤波电路、ADC1、ADC2、电压基准源、电压跟随器、电流源、差分放大器、ADC3、模拟驱动模块、DSP、外扩SRAM、外扩EEPROM、4～20mA输出及脉冲输出、电源模块及软件。模拟驱动模块激励科氏质量流量传感器内部的激振器，使流量管以固有频率振动。两路传感器信号经过两路参数相同的调理电路放大、滤波后，分别由ADC1和ADC2采样转换为数字量，通过DSP的多通道缓冲串口传送至DSP。DSP对采集的信号进行数字滤波消除噪声，采用基于拉格朗日插值的过零检测方法计算信号的频率、相位差，得到流体的密度、质量流量等参量，并结合温度，进行补偿。
文档编号G01F1/84GK102128656SQ201110046129
公开日2011年7月20日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者侯其立, 刘翠, 徐科军, 方敏, 朱永强, 李叶, 李苗, 熊文军 申请人:合肥工业大学