专利名称：基于dsp的低成本智能涡街流量计信号处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流量测量仪表，特别是一种以数字信号处理器(DSP)为核心、周期图谱分析与数字滤波相结合的低成本的涡街流量计信号处理系统。
背景技术：
涡街流量计因其测量部分无可动部件，磨损、压损小，理想量程比大，可测流体介质多，在流体流量测量领域应用广泛。但是，涡街流量传感器易受流体脉动、管道或其它振动源的影响，传统的信号处理方法，即放大、整形、滤波、计数不能有效地抑制噪声，所以测量精度不高；为了抑制噪声所设的门槛电平会影响量程比，导致无法测量小流量；对于不同量程、不同的被测流体，传统的信号处理系统需要更换不同的处理电路和参数。为此，国内外不少研究者对涡街流量计信号处理做了许多研究，并研制相应的系统。
国外SCHLATTER，Gerald，L.对强噪声情况下的涡街传感器输出信号进行了研究，发现噪声信号和涡街信号频谱特性不同，可以对噪声和信号建立不同的模板，从而提出利用频域转换和互相关功率谱结果，根据建立的噪声模版和涡街信号模板消除信号中的强噪声(“Signal processing method and apparatus for flowmeter”，WO 90/04230，19April1990)。但是，噪声情况复杂，建立模板不易，实际应用困难。
美国Foxboro公司采用两组滤波器来处理涡街传感器信号一组为即时的自适应带通滤波器，另一组为非即时的可调带通滤波器(“Adaptive filter with sweep filteranalyzer for a vortex flowmeter”，US6212975，10April 2001)。对于混有噪声的涡街流量传感器信号，同时分成两路进行处理。一路用自适应带通滤波器跟踪其涡街频率，滤掉噪声，得到流量；另一路用可调带通滤波器检测信号中噪声情况，观察流体流动状态，若发现异常情况就报警。在用自适应带通滤波器处理涡街信号时，必须先要知道当前涡街频率的具体范围，才能确定滤波器的参数，而涡街频率变化的范围较宽，当流量变化较大时，滤波器参数的配置需要较长时间或者配置不当，造成测量误差。
日本Yokogawa(横河)公司研究先做谱分析再带通滤波的方法处理涡街信号，即先对涡街信号进行谱分析，确定当前涡街频率的大致位置；再选择相应的带通滤波器进行滤波(“VORTEX FLOWMETER”，JP2001153698，08 June 2001)。没有考虑到当气体流量大时，管道振动造成传感器信号出现较强的低频噪声干扰，这将使谱分析结果出错。
国内重庆大学蒙建波等介绍采用基于最小均方自适应算法的现代谱分析处理流量信号(自动化学报，1992，18(3)362-366“自适应频率测量方法(AMF)在涡街流量计中的应用”)。由漩涡发生体、热线探针、前置处理电路和APPLE微机构成测量系统，验证了谱分析方法用于涡街流量计信号的处理的可行性。但是，没有研究计算的精度、实时性和小型化等关键技术问题，没有应用于实际的流量计中。此外，我们研究表明，这种方法对谐波干扰的抑制能力较差。
合肥工业大学徐科军等分别采用周期图谱分析方法、基于Burg的现代谱分析方法、自适应陷波滤波方法和小波变换方法对涡街流量传感器的信号进行处理(仪表技术与传感器，1995，(5)22-25“涡街流量计信号处理的软件方法”；仪器仪表学报，2000，21(2)222-224“涡街流量计信号估计的自适应陷波方法”；仪器仪表学报，2001，22(3)255-260“基于DSP具有谱分析功能的涡街流量计信号处理系统”；仪器仪表学报，2001，22(6)636-639“基于小波变换的涡街流量计信号处理方法”)，并且选用ADSP2181作为微处理器，以周期图谱分析为核心算法，研制了涡街流量计数字信号处理系统(“涡街流量计数字信号处理系统”，中国发明专利，专利号ZL99101209.7，申请日1999.1.8，授权公告日2003.4.2)。该系统通过了安徽省流量仪表计量检定站的测试，结果证明谱分析方法可提高抑制噪声的能力和扩大量程比。但是，该系统器件较多，控制较复杂，体积偏大，与实际推广应用还有一定差距。
天津大学张涛和段瑞峰等采用松弛陷波周期图谱方法分析涡街流量计信号，拓展流量计量程下限，并且以该算法为核心，研制了基于DSP和MSP430相结合的双核结构数字信号处理系统(“低功耗数字式涡街流量计”，中国专利，申请号200410019008.9，申请日2004.4.14)。双核结构的涡街流量计数字信号处理系统利用MSP430单片机的控制能力，实现数据的采样和系统外设的控制；DSP利用其HPI口接收MSP430采集的数据，进行信号处理，再将结果送回MSP430。该系统结构较复杂，成本较高。
中南大学喻海清和黎亚龙采用自适应陷波滤波方法估计涡街频率，选用TMS320LF2407A为处理器，设计了涡街流量计数字信号处理系统的硬件框图和软件流程图(计算技术与自动化，2001，20(3)159-162“基于DSP的涡街流量计信号处理系统的设计”)。但是，论文中没有给出算法的计算结果、系统的具体实现方案、实验测试结果以及系统的性能指标。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种体积小、成本低、功能齐全的基于DSP的低成本智能涡街流量计信号处理系统，以数字信号处理器为核心的、采用周期图谱分析与数字滤波相结合，处理涡街传感器的输出信号以及温度和压力传感器的信号，在现场有管道振动和流体流场不稳定的情况下，准确测量流体的流量。
本发明解决技术问题的系统特点是由模拟信号调理模块、DSP芯片及外扩RAM、EEPROM、低电压监测电路、LCD显示、键盘输入、模拟量输出、脉冲输出及电源管理模块组成；所述系统接受传感单元输出的温度、压力及流量检测信号并经所述模拟信号调理模块处理后送到所述DSP；由所述DSP利用其内部集成的A/D转换模块和环形数据缓冲区对所述三路电信号进行定时采样、定时计算、边采样边计算；所述DSP对其采样得到的可能混有由干扰引起的噪声的流量传感器信号进行数字滤波，再采用周期图谱分析方法对滤波后的数据进行谱分析和频谱校正；根据多次计算结果进行平均，确定出最大功率谱值，得到它所对应的频率，即为信号的频率；再根据仪表系数和通过温度、压力补偿，实时计算得出瞬时流量和累积流量；所述DSP利用其内部定时器比较输出功能将瞬时流量数据以脉冲形式由脉冲输出单元输出；所述DSP利用其内部集成的SPI模块将瞬时流量数据发送给所述模拟量输出单元，以4～20mA电流的模拟量形式输出；所述的DSP将瞬时流量、累积流量、温度和压力显示在所述的LCD上；通过键盘进行设置的包括有仪表系数、系统采样频率、采样点数、多次谱分析的平均次数、数字滤波器系数；由所述EEPROM保存所述键盘输入的仪表系数和计算出的累积流量；所述低电压监测电路负责在系统掉电时向所述DSP提出中断请求，并在系统完全掉电之前将测量结果保存于所述EEPROM中。
本发明系统特点也在于利用所述DSP芯片内部定时器的周期中断，实现对所述温度、压力和流量信号的定时采样，采样得到的数据放入环形数据缓冲区内，并且定时对采样得到的流量信号进行所述的功率谱分析，边计算边采样，相邻两次分析处理的流量数据部分重叠覆盖。
本发明系统特点也在于所述的模拟信号调理模块中包括有温度信号调理电路、压力信号调理电路和流量传感器信号调理电路，所述的温度调理电路由电桥和差分放大电路组成，所述的压力信号调理电路由I/V变换电路组成，所述的流量传感器信号调理电路由电荷放大电路、带限幅功能的有源带通滤波电路和具有固定增益的低通滤波电路组成。
本发明系统特点也在于所述的DSP芯片为TMS320LF2407A，其内部集成有32K的FLASH、A/D转换功能模块、2个事件管理器、看门狗、串行外设接口SPI、串行通信接口SCI、CAN功能模块。
本发明系统特点也在于根据所述涡街流量计的量程范围，通过所述键盘设置采样频率和采样点数，以控制所述功率谱分析的计算精度；所述DSP芯片采用重心频谱校正方法以进一步提高频率的计算精度；根据所述流量传感器特性，通过所述键盘分段设置仪表系数，提高流量的测量精度；通过温度和压力补偿的表格，对流量计算结果进行非线性校正，提高过热气体和饱和蒸汽流量的测量精度。
本发明系统特点也在于利用所述的DSP芯片内部定时器，用比较的方式输出脉冲，并通过比较中断对输出的脉冲周期进行动态补偿。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明系统采用周期图谱分析为核心的信号处理算法，配合数字滤波，消除了由强低频管道振动等干扰对测量结果造成的影响，提高了仪表抑制噪声能力，扩展量程比；2、本发明系统定时采样，定时计算，边采样边计算，利用环形数据缓冲区，最新采样数据刷新最老数据，实现对流量的实时测量；针对不同口径仪表工作特性，通过面板对算法参数进行最佳配置，同时，频谱校正，分段设置仪表系数，温度和压力补偿，提高仪表测量的准确度；根据谱分析算法特点，对涡街传感器信号采用限幅放大而不是程控放大，解决涡街传感器信号强度变化很大从而需要修改电路参数的问题。
3、本发明系统可以通过选用片内资源丰富的DSP芯片TMS320LF2407A，减少系统所需外设器件，缩小系统体积，降低成本，同时实现数字仪表所需的多方面功能。
图1是本发明系统的硬件框图。
图2是本发明系统中流量传感器信号调理电路原理图。
图3是本发明系统中温度传感器信号的电桥及放大电路原理图。
图4是本发明系统中处理压力变送器输出信号的I/V变换电路原理图。
图5是本发明系统中DSP芯片管脚接线示意图。
图6是本发明系统中DSP芯片的外扩RAM管脚接线示意图。
图7是本发明系统中EEPROM管脚接线示意图。
图8是本发明系统中低电压监测电路原理。
图9是本发明系统中键盘电路原理图。
图10是本发明系统中段式液晶平面示意图。
图11是本发明系统中DSP芯片与LCD显示电路连接电路。
图12是本发明系统中脉冲输出电路原理图。
图13是本发明系统中4～20mA电流输出电路原理图。
图14是本发明系统电源电路原理路。
图15是本发明系统控制框图。
图16是本发明系统的信号处理算法基本流程图。
图17是本发明系统的键盘扫描流程图。
图18是本发明系统的主监控程序流程图。
具体实施例方式参见图1，本实施例由模拟信号调理模块、TMS320LF2407A(TI公司的DSP芯片)及外扩RAM、E2PROM、低电压监测电路、LCD显示、键盘输入、模拟量输出电路、脉冲输出电路和电源管理模块组成。
涡街流量计是利用流体动力学中卡门漩涡原理制成。当流体管道中放入漩涡发生体，就会在其下游两侧产生两列有规律的漩涡，漩涡释放频率与流体流量成线性关系，即Q＝k*f式中，Q为流体体积流量，k为仪表系数，f为漩涡释放频率，即涡街频率。
安装在漩涡发生体内的传感器(如压电传感器)将代表涡街频率的信号拾取出来，转换成电信号输出。其特点是幅值小(毫伏级)、与流量大小的平方成近似比例关系，以及内阻很大。在理想情况下，传感器输出信号为正弦波，但由于受仪表安装条件、流体脉动、管道振动等因素的影响，信号中混有各种噪声。本实施例中设置有模拟信号调理模块，如图1所示。其中有涡街传感器信号调理电路，其电路原理如图2所示，先采用电荷放大器U1A对流量传感器的输出信号进行阻抗变换，同时进行预放大。电荷放大器选用高输入阻抗的MOS型运放，C1、C2为隔直电容，C8为反馈电容，R2为反馈电阻，防止反馈电容C8饱和。C9、R3为平衡电容、电阻。电阻R1为匹配电阻，防止传感器输出信号饱和。传感器的输出信号线应该屏蔽，屏蔽层的一端接仪表的外壳，另一端在与信号处理系统的地相连接。电荷放大器输出信号的幅值变化很大。为了将信号放大到接近A/D转换器的满量程，充分利用其转换精度，在电荷放大器之后再对信号进行适当的放大。为了消除或减少电路噪声、流体脉动噪声和管道振动对测量的影响，还需要使用低通和高通滤波电路。所以，采用U2B和U2C两个运算放大器组成两级有源放大滤波电路。第一级为一个具有限幅功能的有源带通滤波器。该带通滤波器由一个高通滤波器和一个二阶的低通滤波器组成，高通截止频率由C10、R4和R6决定，低通滤波器的截止频率由R4、C11、R6、R7、R8和C12决定。当信号幅度较小时，整个有源滤波器在通带内的增益为(R7+R8)/(R4+R6)；当输入信号幅度增大，二极管导通后，输出电压幅度为Vd+Vin×(R7)/(R4+R6)，这里的Vd为二极管正向压降，Vin为电荷放大器输出电压。第二级为一个固定增益的低通滤波器，这里采用了一个无限增益负反馈结构的有源滤波电路，主要由运算放大器U2C组成，进一步减少高频噪声的影响。经过两级滤波，信号通过一个由U2A组成的缓冲电路，送入DSP芯片中的A/D转换模块。
考虑到测量蒸汽时需要进行温度和压力的补偿，所以，在模拟信号输入及调理单元中设置了接收温度传感器和压力变送器信号的调理电路。温度传感器采用Pt100铂电阻，信号调理电路采用三线制桥路结构，再使用一片专用仪表放大器U3来放大两个桥臂之间的电压差，如图3所示。采用了一个I/V变换电路将压力变送器输出的4-20mA电流信号转换为电压信号，如图4所示。这两路信号也送入DSP芯片中的A/D转换模块。
本发明系统选用的TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A(以下简称2407A)为处理核心，如图5所示。该DSP芯片运算能力强，最高运算速度为40MIPS，指令周期25ns，内部带有一个16*16位的硬件乘法器，足以实时实现FFT算法。更重要的是2407A片内集成有丰富的片上外设，例如，内部集成了A/D模块，最多可支持16个通道的信号转换，转换周期最快达375ns，10位的转换精度。考虑到系统提取的是涡街信号的频率，因此该10位A/D可满足要求。该芯片还集成有32k的FLASH、2个事件管理器(包含4个通用定时器，支持比较、PWM发生、捕获、正交编码和2个外部中断等功能)、看门狗、串行外设接口SPI、串行通讯接口SCI、CAN和多功能复用I/O口等，这样不仅容易实现和扩展仪表的功能，而且关键可减少系统的外部器件，减小系统电路板设计面积，可提高系统可靠性。2407A集成的功能模块安排如下定时器1周期中断启动A/D转换；定时器3的周期中断用于定时扫描键盘、定时对LCD进行操作；利用定时器2的比较功能输出脉冲，同时运用其比较中断对输出的脉冲进行动态补偿，减小工作时钟对发出脉冲精度的影响；看门狗模块对处理系统运行进行监测，若程序“跑飞”，就复位系统；SPI模块向系统的模拟量输出电路发送控制信号和数据，输出4～20mA电流信号。
由于2407A内部只集成有544字节的双口RAM和2K的单口RAM，无法满足算法运算的需要，因此利用2407A外部16根地址线和16根数据线，外扩了64k的RAM，如图6所示。
本发明系统选择了一块EEPROM，保存测量结果和仪表系数，如图7所示。运用2407A多功能复用口对EEPROM进行控制和数据读写，其中PBO接EEPROM的片选CS、PB1接CLK、PB2接输入数据线DI、PB3接输出数据线DO。
本发明系统设计了一个低压检测模块，如图8所示。当该模块检测到电压低于设定值时，立即拉低2407A的PDPINTA管脚的电平，向2407A发出紧急中断请求。由于该中断优先级最高，所以2407A立即应答，在系统掉电之前将测量结果保存到EEPEOM中。
本发明系统设计由键盘和LCD组成的人机接口，实现仪表参数的设置和就地显示测量结果。键盘安排有4键设定键(SET)、移位键(SFT)、递增键(INC)和确认键(ENTR)，分别与2407A的复用口PA4、PA5、PA6和PA7相接，通过定时器3周期中断进行定时扫描，键盘电路如图9所示。选用串行接口段式LCD，平面图如图10所示。该LCD带有两行显示上行左侧可显示P、T、Q三种符号，右侧可显示6位数据；下行可显示8位数据；另外右侧还带有14个提示条码。2407A利用多功能复用口与LCD连接，PB7接CS、PB6接WR、PB5接DATA，如图11所示。LCD有两种工作状态，一位显示状态；二为设置状态。通过设定键切换两种工作状态。在显示状态下，通过确认键切换三种模式一是流量显示模式，该模式为默认模式，LCD上行左侧符号为显示“Q”，代表流量，右侧数据为用于显示瞬时流量，LCD下行则显示累计流量；第二种模式显示压力，符号位显示“P”，上行右侧无显示，下行显示测量的压力值；第三种模式显示温度，符号位显示“T”，上行右侧无显示，下行显示测量的温度值。设置状态下，LCD符号位无显示，上行右侧显示参数序号，下行显示该参数的数值，且下行有“激活”数字位，呈闪烁状，激活位可通过移位键移动位置，递增键可改变激活数字位的值，确认键则将修改过的值传递给参数，修改该参数后，LCD进入下一个仪表参数修改画面。
本发明系统利用2407A定时器比较输出功能来实现脉冲输出，脉冲输出部分电路如图12所示。根据测量的频率值和系统使用的时钟频率，计算出定时器所需要的周期预置数，从而确定输出脉冲的频率。而比较输出单元的设定值则用来设置输出脉冲的占空比，通常把占空比设置为1。最终输出的脉冲信号即为处理后的瞬时流量信号，供系统校验和实际应用中上位机进行测量计数，同时还按照用户要求设定为整量化脉冲信号输出，即一个脉冲代表一定的体积流量。
本发明系统采用了DAC(数/模转换)和V/I(电压/电流转换)电路来实现4-20mA的电流输出，如图13所示。2407A运算得出频率后，根据用户预先设定的上下限频率值，将频率折算为相应的数字量送给DAC，DAC转换为电压，再由V/I转换成电流信号输出。本发明系统对于模拟电路部分和数字电路部分单独供电，以防干扰。模拟部分需要5V，数字部分同时需要5V和3.3V。一般仪表都是以24V或者12V供电，考虑到系统低功耗的要求，系统采用了高效率DC/DC转换电源，将输入的12V或者24V电压转换为5V电压，再经过低压差稳压器(LDO)完成5V/3.3V转换，提供给数字电路部分。系统模拟部分电源供应要求较高，因此直接通过线性稳压电路供应，如图14所示。
本发明系统的主要任务是采用选定的信号处理算法完成流量测量，并具备脉冲输出、电流输出、仪表系数的设定、测量结果的保存。因此，功能很多，软件设计复杂。为了便于系统的设计和维护，将完成特定功能或类似功能的子程序组合成模块即功能模块，然后由一个主监控程序统一调用。这些功能模块之间也可以相互调用。系统的软件框图如图15所示。
初始化模块主要包括2407A的初始化、LCD的初始化、程序全局变量的初始化。
2407A片内集成了许多功能模块，系统中使用了包括具有排序功能的A/D、串行外设接口SPI、通用I/O口、看门狗、仿真口、事件管理器、时钟锁相环(PLL)等，每个功能模块使用前均需初始化相应寄存器，确定其工作模式。
系统程序中设置了许多全局变量，反映系统当前工作状态，方便各模块子程序的调用，其中一些变量需要初始化，便于下一步程序的进行。这些变量大致分为两类需保存的全局变量和非保存的全局变量。需保存的全局变量一般指仪表的参数，一般可通过键盘设置改变或系统掉电自动保存于EEPROM中。初始化时，将参数值从EEPROM中取出，放于相应的全局变量中；非保存的全局变量不需保存于EEPROM中，但某些程序模块频繁调用，如三角函数表，若每次均调用三角函数，必会降低程序效率，因此可在初始化模块中将需要使用的数值配置好，可提高程序的执行速度。
系统上电后，LCD要显示如瞬时流量、累计流量等，具体内容按实际需要确定。LCD在使用前需要初始化，初始化步骤按LCD说明书进行。LCD初始化主要为控制引脚初始化、写命令字、定义内部振荡器、启振内部振荡器、初始化显示内容等。
宏定义也是系统初始化的一部分，由预编译指令来实现。系统中存在许多子程序需要用到的常量，例如定时器中断的周期、LCD刷新频率、温度和压力的测量范围以及保存于EEPROM的仪表参数对应地址等。为减少存储空间，便于系统的维护，这些常量可以在宏定义模块中定义。
信号处理模块完成涡街信号的谱分析处理、瞬时流量计算、温度和压力补偿等任务。系统采用的周期图谱分析算法，其基本过程为对采样来的数据组进行FFT变换，然后计算各个离散频率点的功率谱，再根据能量最大原则，初步估计出信号的频率。然后需要进行重心频谱校正，以提高频率估计的精度。同时，还需要对多次计算结果进行平均，减小系统随机误差造成的影响。根据实际情况，通过键盘设置采样频率、采样点数和平均次数等参数，以控制算法精度。图16是本发明系统的信号处理算法流程图。
根据求出的信号频率和系统设定的仪表系数计算出瞬时流量。对于小流量，由于涡街流量计工作原理的限制或者可能噪声占优，采样的信号不一定代表流量，所以要切除。
流体的密度受温度、压力影响较大，特别是在流体为气体时，因此在测量流体质量流量时，要进行温度和压力补偿。不同的流体流量受温度和压力的影响不同。本系统根据待测流体配有四种不同的补偿方式液体、一般气体、过热蒸汽和饱和蒸汽。液体流量一般受压力温度因素影响小，因此不进行补偿；一般气体流量随压力和温度的变化具有一定规律，对其流量的补偿可通过一般气体温压补偿公式进行；过热蒸汽和饱和蒸汽的流量补偿通过各自的温度压力密度表进行查表插值实现。
本发明具备的4～20mA电流输出，用于反映流量的测量结果，以配合工业现场DCS控制系统的需要。具体过程为系统计算出结果之后，通过2407A集成的串行外设接口SPI将10位数据串行输出至D/A转换器，转换为电压后再经过V/I转换，输出4～20mA电流。在软件中，只需定时向初始化后的SPI模块中发送寄存器SPITXBUF写入具体数据即可。
脉冲输出模块利用2407A管理器B中的通用定时器T4，提供系统的脉冲输出。首先初始化管理器B，系统进入主循环后，不断向寄存器T4PR和T4CMPR中写入瞬时流量所对应的数据。具体公式为T4PR=CLKflow-1]]>T4CMPR＝0.5*T4PR其中，CLK、flow分别为定时器计数时钟、计算出的瞬时流量。寄存器T4PR和T4CMPR为16位整型，因此计算结果的小数部分被忽略，这必然带来输出频率的误差。在软件设计时，可利用定时器的比较中断，将小数部分累加，对输出脉冲的周期进行动态补偿，提高发出脉冲的精度。
人机接口模块由键盘和LCD组成，LCD负责显示仪表测量结果和仪表参数；键盘则配合LCD，修改仪表参数，切换LCD工作状态。
键盘扫描流程图如图17所示。图中Counter为软件去抖动所用的计数器，First为辨别键盘连续操作的变量，T为键盘连续操作时的时间间隔。
2407A允许处理6个核心级可屏蔽中断，采用一个集中化的外设中断扩展控制器来处理所有片内外设和外部引脚中断的优先级以及中断的响应。当外设中断有效时，其相应的中断向量就自动存入外设中断向量寄存器(PIVR)中，CPU应答时从PIVR中读取中断向量，到中断向量表中找到中断服务子程序的入口。中断模块的编程主要是中断向量表的填写和中断服务子程序的具体操作。
本系统采用了三个核心中断INT1、INT2和INT3。
INT1中包含了两个外设中断，分别为来自PDPINTA和A/D转换完成的中断。PDPINTA管脚用于监测系统电压，当系统掉电时，外部监测电路通过PDPINTA向DSP发出中断请求，要求保存累积流量于EEPROM中。此中断的优先级为最高。第二个中断用于信号采样，系统安排2407A的定时器1周期中断自动触发启动A/D模块，该A/D模块集成一个自动排序模块，一次可采样转换多达16路信号，本系统需要采3路信号流量、温度和压力。A/D完成一次转换后，将转换量化的结果放于结果寄存器，同时向CPU发送中断请求。该中断响应后，中断服务子程序将结果寄存器的数值保存于数据缓冲区，同时进行流量信号的数字滤波。
INT2由定时器3的周期中断触发。在INT2的中断服务子程序中，配有4个软件计数器。第一个用于处理键盘的扫描，当计数器计数到一定数值时，调用键盘扫描程序，若有按键按下时则执行相应按键操作，若无，则退出。第二个用于执行LCD的刷新若LCD处于显示状态，则定时刷新LCD的显示值。第三个用于完成LCD设置状态下的选中激活数字位的闪烁动作。最后一个用于监测并恢复LCD工作状态。若LCD处于设置状态下，且已超过一定时间仍无按键操作，即系统默认不再进行设置操作，自动返回LCD的显示状态，继续显示测量结果。因为此中断主要用于对键盘和LCD显示操作，对时间要求不是很高，所以该中断优先级为低优先级。
INT3由定时器4的比较中断触发，表示系统当前输出一个脉冲。因为要求输出的脉冲频率无法总与工作时钟保持整数倍关系，因此输出的脉冲总存在一定的误差。利用此中断，可对输出脉冲的周期进行动态补偿，提高输出脉冲的精度。同时利用此中断，对输出脉冲进行累加，便于累计流量。
为了便于程序的维护，所有定时器的中断周期在宏定义模块中定义，在初始化模块赋值给相应寄存器。另外，在中断向量表中相应位置填入对应中断服务子程序的入口。
DSP芯片内集成的看门狗模块用于保证系统故障恢复。看门狗有一个硬件计数器，从上电复位后开始连续计数，当计数器溢出时触发系统复位。所以，在适当位置加入看门狗计数器复位清零语句，防止看门狗计数器溢出。如果系统陷入软件故障，造成死机，看门狗计数器就会溢出，从而复位系统。
主监控程序是整个信号处理系统的总调度程序，调用各个模块中的子程序，实现仪表所有功能。基本过程为系统上电复位后，立即进行初始化；初始化后，根据采样得到的涡街信号进行周期图谱信号处理，计算出信号频率；然后根据所设定的仪表系数，计算瞬时流量；根据不同的待测流体，选择不同的温度和压力补偿方式，进行温度和压力补偿；测量出流量后，则输出相应的脉冲量和标准的4～20mA的电流；完成输出后，若系统有需要修改仪表参数的信号，则进行仪表参数修改，之后，主监控程序将返回至信号处理之前，继续进行信号处理，依次不断循环完成仪表的流量实时测量，其流程如图18所示。
权利要求
1.一种基于DSP的低成本智能涡街流量计信号处理系统，其特征是由模拟信号调理模块、DSP芯片及外扩RAM、EEPROM、低电压监测电路、LCD显示、键盘输入、模拟量输出、脉冲输出及电源管理模块组成；所述系统接受传感单元输出的温度、压力及流量检测信号并经所述模拟信号调理模块处理后送到所述DSP；由所述DSP利用其内部集成的A/D转换模块和环形数据缓冲区对所述三路电信号进行定时采样、定时计算、边采样边计算；所述DSP对其采样得到的可能混有由干扰引起的噪声的流量传感器信号进行数字滤波，再采用周期图谱分析方法对滤波后的数据进行谱分析和频谱校正；根据多次计算结果进行平均，确定出最大功率谱值，得到它所对应的频率，即为信号的频率；再根据仪表系数和通过温度、压力补偿，实时计算得出瞬时流量和累积流量；所述DSP利用其内部定时器比较输出功能将瞬时流量数据以脉冲形式由脉冲输出单元输出；所述DSP利用其内部集成的SPI模块将瞬时流量数据发送给所述模拟量输出单元，以4～20mA电流的模拟量形式输出；所述的DSP将瞬时流量、累积流量、温度和压力显示在所述的LCD上；通过键盘进行设置的包括有仪表系数、系统采样频率、采样点数、多次谱分析的平均次数、数字滤波器系数；由所述EEPROM保存所述键盘输入的仪表系数和计算出的累积流量；所述低电压监测电路负责在系统掉电时向所述DSP提出中断请求，并在系统完全掉电之前将测量结果保存于所述EEPROM中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于利用所述DSP芯片内部定时器的周期中断，实现对所述温度、压力和流量信号的定时采样，采样得到的数据放入环形数据缓冲区内，并且定时对采样得到的流量信号进行所述的功率谱分析，边计算边采样，相邻两次分析处理的流量数据部分重叠覆盖。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的模拟信号调理模块中包括有温度信号调理电路、压力信号调理电路和流量传感器信号调理电路，所述的温度调理电路由电桥和差分放大电路组成，所述的压力信号调理电路由I/V变换电路组成，所述的流量传感器信号调理电路由电荷放大电路、带限幅功能的有源带通滤波电路和具有固定增益的低通滤波电路组成。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的DSP芯片为TMS320LF2407A，其内部集成有32K的FLASH、A/D转换功能模块、2个事件管理器、看门狗、串行外设接口SPI、串行通信接口SCI、CAN功能模块。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于根据所述涡街流量计的量程范围，通过所述键盘设置采样频率和采样点数，以控制所述功率谱分析的计算精度；所述DSP芯片采用重心频谱校正方法以进一步提高频率的计算精度；根据所述流量传感器特性，通过所述键盘分段设置仪表系数，提高流量的测量精度；通过温度和压力补偿的表格，对流量计算结果进行非线性校正，提高过热气体和饱和蒸汽流量的测量精度。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于利用所述的DSP芯片内部定时器，用比较的方式输出脉冲，并通过比较中断对输出的脉冲周期进行动态补偿。
全文摘要
基于DSP的低成本智能涡街流量计信号处理系统，其特征是由模拟信号调理模块、DSP芯片及外扩RAM、EEPROM、低电压监测电路、LCD显示、键盘输入、模拟量输出、脉冲输出及电源管理模块组成；本发明系统采用周期图谱分析与数字滤波相结合的方法，处理涡街流量传感器的输出信号，在现场有管道振动和流体流场不稳定的情况下，准确测量流体的流量。该系统体积小、成本低、功能齐全。
文档编号G01F15/06GK1737506SQ200510041058
公开日2006年2月22日 申请日期2005年7月13日 优先权日2005年7月13日
发明者徐科军, 王肖芬, 陈智渊 申请人:合肥工业大学