专利名称：基于mcu的涡街流量计信号数字处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统。
背景技术：
涡街流量计是利用流体力学中卡尔曼涡街的原理，根据传感器输出信号的频率在 一定流速范围内与流速成正比的特性，通过各种形式的检测元件采用测量传感器输出信号 的频率来测量流体的体积流量。应力式涡街流量计一般将应力传感元件置于发生体下游， 以检测涡街的横向交变的升力作用，并把这种交变力转换为电荷信号进行测量。而国内厂 家普遍采用模拟信号处理方法，采用这种方法电路结构简单开发周期短，信号输出响应速 度快，但是可测范围小，一般量程比1 10左右，并且抗振性能很差，所以稳定性很差，限制 了涡街流量计的适用场合，在振动强烈场合计量误差较大甚至完全不能使用。因而，对涡街 信号采用数字信号处理来实现流量计量是该领域的发展趋势，采取数字信号处理的涡街流 量计具有抗干扰能力突出，可测流速下限低、算法灵活多变等+特点，并且克服了传统模拟 信号处理的电路结构、参数固定，不同管径，不同介质测量电路无法通用等缺陷，可通过软 件修改参数而不是更换电路器件即可实现应用场合更换。目前，对涡街信号采用数字信号处理的方法一般是直接简单的对涡街信号进行频 域变换或者数字滤波算法，对于信噪比较高的传感器信号效果明显，尤其是解决了随机振 动干扰的影响，克服了模拟信号处理的一些弊端，稳定性有所提高，但实际应用中存在各种 复杂信号的干扰，例如对于工况普遍存在的工频振动干扰和电磁干扰信号，其信噪比低于 OdB时直接采用简单的频谱分析是得不到良好效果的，因此可测的流速下限往往取决于周 期干扰信号的强弱，稳定性能有限。其次，对于涡街信号采用数字信号处理技术，在满足测 量精度的前提下，微处理器需要大量的运算，否则无法满足测量的实时性，目前普遍采用运 算速度快的DSP芯片例如中国专利200510041058. 1等，但是其功耗高，不能满足工业仪表 二线制要求，所以需从两方面解决此问题。(1)使用先进的数字信号处理算法；(2)选用功 耗低的处理芯片。
发明内容
本发明为避免上述技术的不足，提供一种采用通用的低功耗单片机实现数字信号 处理算法的涡街流量计信号数字处理系统，通过采用数字抗混叠滤波、加窗截取、FFT运算、 ZFFT细化运算、频谱校正算法、和本发明特有的幅频偏差解析(AFWA)技术，把传感器信号 各频率成分进行滤除、校正、筛选，最后确定有用信号，以此提高仪表的现场应用的抗振性 能，使其流量下限得到拓展，测量范围比扩大，也使其量程比可达1 36，在测量介质为水 时其最小可测流速可达0. 2m/s。本发明系统由MCU控制芯片及其控制电路部分、信号预处理部分、调制信号输出 部分、IXD显示及按键处理电路部分、以及相应的软件处理部分组成。本发明系统特点是所述的MCU微控制器及控制电路部分和系统其他部分通过有
3机构成以此对涡街流量传感器信号进行数字处理的系统；所述的信号的预处理部分包括传 感器、电荷电压转化及放大电路、程控电压放大电路、程控模拟低通滤波电路即模拟抗混叠 滤波电路以及A/D转换电路构成，其作用在于使传感器信号放大到合适的幅值，并且将传 感器信号中超出涡街频率测量范围的高频率信号衰减到忽略不计。本发明系统特点也在于所述的软件处理部分的频率采样方案和和频谱校正算法， 频率采样方案采用频率分段的方法，首先将抗混叠低通模拟滤波的截止频率限制在最大可 测流量时涡街频率信号的最大频率处，采用64点FFT变换确定各频段信号的能量分布，然 后控制模拟抗混叠滤波电路的截至频率逐渐降低到能量较大的最高频率处，再重新进行A/ D采样并做FFT变换，以此通过采用相同点数的FFT变换而逐步缩小截至频率的方法来提高 其信号频率的分辨率，通过对A/D采样信号进行FFT变换得到了包含有用信号成分及其他 干扰成分信号的幅度谱，再通过对可疑频率成分的幅值和频率进行频谱校正，进而得到各 周期信号较准确的幅频特性。本发明系统特点也在于所述的MCU控制芯片及其控制电路部分对涡街信号频谱 特性的建立以及对涡街信号可能的所在频段进行细化、频谱校正，涡街信号幅值与涡街频 率的平方成正比，也即如下公式V = M · f2(式中V为涡街信号的幅值；f为涡街信号频率；M为在特定情况下为近似常数， 其值与传感器灵敏度，介质密度有关系，实际应用中其值在标准状态下标定获得)。由上式可知当涡街频率发生很小变化时，其幅值变化很大，本发明通过在流体大 流速时对涡街信号多次进行标定，进而较为准确的确定了涡街信号的幅频特性曲线。本发明系统特点也在于所述的MCU控制芯片及其控制电路部分采用了模糊确定 法确定涡街信号，涡街信号的幅频特性确定和传感器信号各频率成分的幅度谱的计算都不 可避免存在误差，即便是真实的涡街信号有时也不能很好的符合涡街信号频率特性，本发 明采用幅频偏差解析技术解决了这一难题。本发明系统特点也在于所述的MCU控制芯片及其控制电路部分采用了通用的低 功耗单片机MCU控制芯片以此降低系统功耗以满足工业仪表二线制要求，优化了数字信号 处理算法，减少了运算量。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本系统采用通用的低功耗单片机实现数字信号处理算法，通过采用数字抗混叠 滤波、加窗截取、FFT运算、ZFFT细化运算、频谱校正算法、和本发明特有的幅频偏差解析 (AFffA)技术，把传感器信号各频率成分进行滤除、校正、筛选等最后确定有用信号，以此提 高了仪表的现场应用的抗振性能，使流量下限得到了拓展，扩大了测量范围比，使其量程比 可达1 36，在测量介质为水时使其最小可测流速可达0.2m/s;2、在实际应用中可减少了仪表使用数量，进而减少了测量系统仪表费用使用开 支；3、以低功耗MCU芯片实现了数字信号处理算法，并采用电源信号全隔离技术大大 降低了仪表的功耗，不仅可以实现复杂的数字信号处理算法而且满足了工业仪表的二线制 规范。
图1是本发明的系统整体框图。图2是本发明系统中传感器、电荷放大电路及电压追随输出电路原理图。图3是本发明系统中信号预处理电路二阶高通滤波电路和程控数字电位器原理 图。图4是本发明系统中中点电压箝位电路和电压放大电路原理图。图5是本发明系统中程控频率发生电路原理图。图6是本发明系统中微控制器(MCU)原理图及程控滤波电路原理图。
具体实施例方式参见图1，本发明系统包括传感器(1)、信号预处理部分(2)、MCU控制芯片及其控 制电路部分(3)、和调制信号输出部分(4)以及相应的MCU软件处理部分(5)组成。本发明系统的核心内容在于MCU软件处理部分(5)的数字信号处理算法设计，即 幅频偏差解析(AFWA)技术，该技术通过采用已知的涡街信号幅频特性来辨别传感器信号 的幅度谱，从中确定涡街信号的谱线值及其对应频率。频谱分析将时域A/D采样数列，经过 加窗运算、FFT变换转换为频域的频谱序列，再采用ZFFT、递推DFT、幅频校正进而得到传感 器信号各频率信号精确的幅度谱。涡街信号的幅频特性为V = M · f2(式中V为涡街信号的幅值；f为涡街信号频率；M为在特定情况下为近似常数， 其值与传感器灵敏度，介质密度有关系，实际应用中其值在标准状态下定标获得)。因为M近似为一常数，实际计算困难，并且因传感器不同其值也不同，确定M值需 要仪表在标定阶段实现，本实施例中直接采用了输入典型信号来确定M值，其典型输入信 号可取在振动等干扰信号幅值远远小于涡街信号幅值的中高流速点的信号，该方法简单， 效果明显。本发明系统中传感器、电荷放大电路及电压追随输出电路原理如图2所示，其中 sensor为应力传感元件，它将管道内涡街的交变力转换为电荷信号，电荷量的多少取决于 电容Cl，C2，为保证sensor感受到的交变信号正负幅值相同，则须保证Cl = C2，并根据测 量介质及其密度的不同，传感器感受到的电荷也有所不同，因此本实施例中Cl，C2电容取 值需适当，才能保证电荷转换后的电压信号不会过小或超限，以此电压信号经过电压追随 后得到信号正负交变的电压信号TPl。本发明系统中信号预处理电路二阶高通滤波电路和程控数字电位器原理如图3 所示，由于前级放大器的零点漂移，经放大后，电压信号存在直流分量或者低频干扰信号， 本实施例采用模拟二阶高通滤波电路将低频干扰信号滤除，其中图示AD5245为带I2C总 线通信的数字电位器，它的作用是调节TP2电压信号，使其输出不至于超限或过小，并通过 MCU软件处理部分控制，通过自适应地调节TP2的幅值使其始终保持在稳定的峰电压值。
本发明系统中中点电压箝位电路和电压放大电路原理如图4所示，该电路将传感 器信号箝位到1. 5V电压处，将交流信号变换为直流信号，然后对该信号采取直流放大，其 放大倍数为恒定值1+R13/R12，又由于调节数字电位器使得TP2信号幅值变化不大，且经放 大后，其电压值不至于超限，以此使得传感器信号幅值与数字电位器阻值成正比关系。
本发明系统中程控频率发生电路原理如图5所示，其中图示U8为LTC6906可编程 硅振荡器，可产生IOK IMHZ的正弦频率信号，U7为D/A转换器，由于U8的SET引脚固定 电位为650mV，通过MCU编程改变R14 —端电位，则可改变R14电流，从而可控制U8的频率 输出，然后通过分频电路后可得到TP4，TP4信号频率可由U7输出电压控制。本发明系统中微控制器(MCU)原理图及程控滤波电路原理如图6所示，其中图示 Ull为16位微控制器PIC18LF4620，U12为5阶低通滤波器，TP3的低通截止频率由TP4信 号频率控制，MCU通过控制TP4信号频率即可实现传感器信号的模拟抗混叠滤波；滤波后的 传感器信号输入MCU内置A/D转换器引脚，A/D转换器参考电压为中电电压1. 5V。本实施 例中由MCU软件处理部分处理信号算法，输出调制信号，并实现多种输出形式，其调制信号 输出部分包括IXD显示、脉冲输出、4 20mA模拟电流输出以及HART总线通信四种形式。
权利要求
一种基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，包括传感器(1)、信号预处理部分(2)、MCU控制芯片及其控制电路部分(3)、调制信号输出部分(4)以及相应的MCU软件处理部分(5)组成，其特征在于通过传感器(1)将感受到的电荷信号，经过信号预处理部分(2)预处理后，将时域电压信号经过FFT变换后转换为频域信号；通过MCU控制芯片及其控制电路部分(3)对涡街信号可能的所在频段进行细化、频谱校正；通过MCU软件处理部分(5)利用涡街信号的幅频特性曲线来辨识混杂在传感器信号中的涡街信号。通过MCU软件处理部分(5)处理信号算法，输出调制信号，并实现多种输出形式至调制信号输出部分(4)。
2.根据权利要求1所述的基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，其特征在于信号 预处理部分(2)采用了分段程控抗混叠滤波技术，其根据涡街频率信号所在频段动态的改 变低通滤波截至频率，以此提高小频段信号频谱的分辨率。
3.根据权利要求1所述的基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，其特征在于通过 采用已知的涡街信号幅频特性V = M · f2来辨别传感器信号的幅度谱，以此确定涡街信号 的谱线值及其对应频率，其中M的值是通过串联标准表标定实验的方法来确定。
4.根据权利要求1所述的基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，其特征在于信号 预处理后，通过MCU实现数字信号处理，并实现对涡街信号的频段进行细化。
5.根据权利要求1所述的基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，其特征在于通过 MCU软件处理部分(5)对可能包含涡街信号的频带信号进行了频谱校正，准确地计算出了 该频段包含信号频点的幅度谱。
6.根据权利要求1所述的基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，其特征在于调制 信号输出部分(4)包括LCD显示、脉冲输出、4 20mA模拟电流输出以及HART总线通信四 种形式。
7.根据权利要求1所述的基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，其特征在于MCU 软件处理部分(5)是根据涡街信号的幅频特性来鉴别传感器信号的幅度谱，以此找到最符 合涡街信号幅频特性的频率信号，进而确定其为涡街信号。
全文摘要
基于MCU的涡街流量计信号数字处理系统，其特征在于通过传感器(1)将检测到的电荷信号，经过信号预处理部分(2)预处理后，再将时域电压信号经过FFT变换后转换为频域信号；通过MCU控制芯片及其控制电路部分(3)对涡街信号可能的所在频段进行细化、频谱校正；通过MCU软件处理部分(5)利用涡街信号的幅频特性曲线来辨识混杂在传感器信号中的涡街信号；通过MCU软件处理部分(5)软件的信号处理算法，输出信号调制至调制信号输出部分(4)。本发明系统采用通用的低功耗单片机实现数字信号处理算法，通过采用幅频偏差解析(AFWA)技术，提高了仪表的现场应用的抗振性能，使流量下限得到了拓展，扩大了测量范围比，使其量程比可达1∶36，在测量介质为水时其最小可测流速可达0.2m/s。该系统体积小、成本低、功耗低、功能齐全。
文档编号G01F1/32GK101881638SQ20091007433
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月12日 优先权日2009年5月12日
发明者李树昌 申请人:石家庄西比克仪表有限公司