专利名称：基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量检测领域，为一种低功耗两线制涡街流量计，特别是一种以单片机 (MCU)为核心、基于快速傅里叶变换(FFT)的周期图谱分析的低功耗、两线制涡街流量计 信号处理系统。
背景技术：
中国发明专利公布了一种改进的低功耗两线制涡街流量计(徐科军，刘三山，刘家 祥，罗清林，朱志海.改进的低功耗两线制涡街流量计，申请发明专利，200810246107.9， 申请日2008.12.22)。 一种改进的低功耗两线制涡街流量计由压电传感器、差分电荷 放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选 择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4 20raA输出与电源 管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和16位模数转换器组成。该 系统采用差分电荷放大器以提高提取涡街信号的能力，同时，增强抗干扰能力；由高通 滤波器与低通滤波器级联组成带通滤波器，以获得更好的通带特性；将峰值检测电路放 在带通滤波器之后，以提高峰值检测的精度；将比较器配置成触发器对涡街信号进行整 形，利用定时器捕获方式，采用多周期等精度的频率测量方法，提高测量精度；将电路 的模拟地通过串联电容和电感的方式，接至仪表外壳，以实现屏蔽和通过安全性能试验； 采用少点数的FFT算法，粗估涡街流量传感器输出信号的频率，作为选择带通滤波器的 依据。
发明内容
本发明系统采用基于快速傅里叶变换(FFT)的功率谱分析方法，处理涡街流量传 感器的输出信号，直接由周期图法得到涡街信号的频率来反映流量大小，而不是原先由 少点数FFT的功率谱粗估涡街频率，来选择合适的带通滤波器对涡街信号进行滤波，再 根据脉冲计数来反映流量大小，所以，本发明系统的抗干扰能力更强。原先系统是一种 数字与模拟相结合的两线制涡街流量计，数字指的是少点数FFT，模拟是指模拟带通滤 波器。本发明系统完全基于FFT方法，所以，为了与原先的系统相区别，称本发明系统为基于FFT的低功耗两线制涡街流量计。为了实时实现FFT方法，本发明系统不仅采用 新的超低功耗单片机，更为重要的是采用实数FFT算法，并采用汇编语言编制FFT程序， 以提高运算速度和减少内存容量。正因为采用FFT方法，才可以去掉涡街流量传感器调 理电路中的程控放大器，减少发明系统的器件和降低成本。通过隔离DC/DC将外部24V 电源与供单片机和涡街信号调理电路相隔离，这样可以将调理电路的模拟地接至仪表的 外壳，以提高抗50Hz工频干扰的能力，又能通过安全性能试验。
基于FFT的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、 电压跟随器、单片机、DA转换器、4 20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、 LDO、时钟管理、 复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路。
压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过电压放大器、 限幅放大器、低通滤波器和电压跟随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC 采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行快速傅立叶变换(FFT)，做周期图谱分析， 得到信号的频率值，计算出瞬时流量和累计流量，将流量信息显示在LCD上，由单片机 的SPI接口通过光耦连接到数模转换器(DAC)进行转换，由4 20raA输出电路经过V/I 转换成4 20mA电流信号输出。计算出来的流量频率由单片机U18的UART接口，通过 光耦U7隔离，再经过整形后，发至外部单片机，将流量信息送出。外部单片机通过光 耦U5.，再经过整形电路U6，与单片机U18的UART相连，对系统进行设置。
外部24V电源电压通过DC/DC转换成7V电压，再通过隔离DC/DC，转换成3. 3V， 再通过LD0转换成3V电压，供给模拟信号调理电路(电荷放大器、限幅放大器、低通滤 波器和电压跟随器)和单片机及外围电路。
本发明的优点是采用实数FFT算法，并用汇编语言实现，与复数FFT算法相比， 可以节省近一半的运算时间和存储量，使单片机可以实时实现2048点FFT算法，确定 涡街流量的频率，与经过带通滤波器后、再通过脉冲计数来测量频率的方法相比，抗干 扰能力大大加强；在算法中，采用幅值校正、频率校正、去最大值、去最小值、平均和 加速等方法，提高计算精度和运算速度，减少波动；采用隔离的DC/DC为模拟信号调 理电路和单片机及外围电路供电，使模拟信号调理电路的模拟地可以直接接至仪表的表 壳，增强了 50Hz工频干扰的能力，又能通过安全性能试验；省去程控放大电路，节 省成本。
图l是本发明系统的硬件框图。
图2是本发明系统中电荷放大器的电路原理图。
图3是偏置电平电路原理图。
图4是本发明系统中限幅放大器的电路原理图。
图5是本发明系统中低通滤波器和跟随器的电路原理图。
图6是单片机芯片管脚接线示意图。
图7是本发明系统中用于4 20rnA电流输出的光耦隔离的电路原理图 图8是本发明系统中4 20raA输出电流控制电路的电路原理图 图9是本发明系统中DA转换电路图。 图10是4 20mA输出电路原理图。 图11是24V至3. 3V电源电路原理图。 图12是3. 3V到3V转换电路原理图。 图13是光耦隔离和整形电路原理图。 图14是本发明系统软件框图。 图15是本发明系统中主监控程序流程图。 图16是本发明系统中流量计算流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明的设计思想是采用实数FFT算法，并用汇编语言实现，减少运算量和存储 量，使单片机可以实时实现2048点FFT算法，确定涡街流量的频率，提高抗干扰能力； 在算法中，采用幅值校正、频率校正、去最大值、去最小值、平均和加速等方法，提高 计算精度和运算速度，减少波动；采用隔离的DC/DC为模拟信号调理电路和单片机及 外围电路供电，使模拟信号调理电路的模拟地可以直接接至仪表的表壳，增强了抗50Hz 工频干扰的能力，又能通过安全性能试验；在电源部分采用隔离DC/DC进行电压转换， 信号输出和通信采用光耦进行隔离；省去程控放大电路，节省成本。
本发明系统的总体结构如图l所示。本发明系统包括压电传感器、限幅放大器、低 通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4 20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、 LDO、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路。
本发明系统的工作过程为压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压 信号，再经过电压放大器、限幅放大器、低通滤波器和电压跟随器送至单片机的ADC输 入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行快速傅立叶变 换(FFT)，做周期图谱分析，得到信号的频率值，计算出瞬时流量和累计流量，将流量 信息显示在LCD上，由单片机的SPI接口通过光耦连接到数模转换器(DAC)进行转换， 由4 20mA输出电路经过V/1转换成4 20mA电流信号输出。计算出来的流量频率由 UART接口接至通信模块，再通过光耦隔离，再经整形后，与外部单片机(MCU)通信，可 以将流量信息送出，也可以对系统进行设置。
如图2所示，涡街流量传感器，即压电传感器输出的电荷信号经由放大器U14A、电 容C23、 C26、 C30、 C33 、 C34、电阻R36、 R43、 R46组成的电荷放大器放大，其中，C23、 C34是反馈电容，决定了电荷放大器的放大倍数。图2和其它图中的偏置电压Vref由图 3所示的偏置电平电路提供。偏置电平电路由运算放大器U14B、电阻R34、 R35和电容 C24组成，提供1.25V直流电压。
经过放大后的信号通过隔直电容C27，去除直流成分后，送至由放大器U15B、电容 C25、 C31、电阻R37、 R39、 R40、 二极管D3、 D4组成的限幅放大器，如图4所示。
经过限幅放大器后的信号送至低通滤波器和电压跟随器，如图5所示。低通滤波器 由放大器U15D、电容C28、 C29、电阻R38、 R41、 R42组成。电压跟随器由放大器U15A 组成。
电压跟随器的输出信号Signall,送至单片机的第7管脚P7. 6/A14,如图6所示， 供单片机ADC采样转换后进行周期图谱分析。本发明系统采用TI公司的单片机 MSP430F5418为处理核心，如图6所示。由于本发明系统要做到超低功耗，同时，系统 在信号处理时用到FFT运算，需要大容量的SRAM，但外扩会大大增加系统功耗，而 MSP430F1611单片机具有16KB的SRAM。
单片机将计算出来的瞬时流量信息通过DAC转换成模拟量，再经过V/I转换，变成 4 20mA电流输出。单片机的第21、 22和23脚输出的给DAC的时钟信号、数据信号和 片选信号分别接至光耦U9的第1、 4脚和光耦Ull的第2脚，如图6和图7所示。经过 光耦隔离后，对应的输出是光耦U9的第7、 6脚和光耦U11的第6脚。这些引脚再分别接至比较器U10的第2、 6脚和比较器U12的第2脚，如图8所示。最终由U10第1脚 输出时钟信号、第7脚输出数据信号、U12第6脚输出片选信号至DACU1，如图9所示。 Ul将数字信号转换成模拟信号，通过R1接至图10中的R2，送入4 20mA电路。
如图10所示的4 20mA输出模块由4 20mA电流变送器U2 XTR115、三极管Ql、 稳压管D2、电容C1、 C3、电阻R2、 R3、 R4、 R5组成，将瞬时流量信息变成4-20mA电 流输出。
图11是24V到3.3V的电源电压转换电路，包括非隔离DC/DC U3、隔离DC/DC U4、 电感L1、电容C6、 C7、 C8、 C9、 C4、 C5、电阻R6、 R8、 R7、 R9。 24V电源电压通过非 隔离DC/DC U3转换成7V，再通过隔离DC/DC U4将7V转换成3. 3V。
图12是3. 3V到3V的电源电压转换电路，包括LD0U13、电容C20、 C21、电阻R29、 R30、 R31。 U13将3.3V转换成3V电压输出，为模拟信号调理电路和单片机及外围电路 供电。
本发明系统的计算出来的流量信息还可以通过通信模块向其它MCU发送，也可以接 收其它MCU发来的指令。图13是光耦隔离和整形电路图，由光耦U5、 U7、整形电路 U6、 U8、电容CIO、 Cll、 C12、 C13、电阻Rll、 R12、 R13组成。单片机U18要输出 的数据，经第56脚通过电阻R13与光耦U7的第2脚相连，再通过整形电路U8的整形， 发至外部的MCU，分别如图6和图13所示。单片机U18要接收的外部数据是由Rll 接至光耦U5的第2脚，经过光耦后，再通过整形电路U6的第4脚接至单片机U18的 第57脚，实现数据的串行通信。
本发明系统软件总体框图如图14所示，由主监控程序模块、看门狗模块、中断模 块、初始化模块、铁电存储器模块、时钟管理模块、人机接口模块、算法模块和通信模 块组成。中断模块中包括定时器中断、DMA中断和通信中断，其中，定时器中断用于控 制计算累计流量的时间、扫描键盘、3分钟保存1次数据；DMA中断用于当采集完1组 数据(2100点)后，将指针移至数组的起始位置；通信中断用于与其它MCU之间的信息交 换，即将涡街流量频率和幅值送至其它MCU，从其它MCU接收指令和数据。
图14中的主监控程序模块是整个软件系统的总调度程序，调用各个模块中的子程 序，实现本发明系统的所要求的功能。主监控程序的流程如图15所示。它是一个循环 程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入查询和进行相应处理的循环中。基本过程为系统上电后，立即进行初始化；初始化后，首先查询是否釆集满2100点数据。 若采集满，则进行流量计算；再刷新液晶，更新瞬时流量和累计流量等信息的显示；然 后，进行数据通信，即与外部单片机进行通信。
基于FFT的低功耗涡街流量计采用的处理器为MSP430F5418，其RAM容量为16KB。 为了保证计算精度，需要计算2048点FFT。在计算中，需要设置1个放2100点数据的 循环数组；需要放2048点实部和2048点虚部的中间结果的数据；需要放1024点结果 的数据；而每个数据需要2个字节，这样需要超过14KB内存。再加上频谱校正和平均 等处理，内存将超过16KB。为此，本发明专利系统采用实数FFT算法。将2048点的实 数分成两个1024点的实数系列，组成一个1024点的复数序列，其中2048点中的偶数 项为复数序列中的实部，奇数项为复数序列中的虚部，然后计算1024点的复数FFT，最 后通过公式将其转化成为2048点的实数FFT。经过比较，此种方法比直接计算2048点 的实数FFT要节省4K的内存。
假设要计算一个长度为2N的实序列x(n)的DFT:X(k)， n=0， 1,…，2N-1 。首先将其 偶数项g(r)=x(2r)作为复数序列中的实部，奇数项h(r)=x(2r+l)为复数序列中的虚 部，r=0， 1，…，N-l，则组成的N点复数序列为 y(r)- g(r)+j*h(r) (1)
根据DFT的定义，y(r)的DFT为:
Y(k)=》(r)e w
W-l "'^j^
=S cos与+/<r) sin与妙]+ & ,) cos与*r - g(。 sin与Ar]
(2)
式中，4W = J>(r)C0S;^r，3 〃 ，=2>(。cos》，
s 〃 因此，rw(" = 4(A:) + :^(A:)，
，=，-，， ，-A:) = ^(H(A:)，
由定义可知，g(r)的DFT为:
W-1 一,、
=S) [cos与- sin与W
=>W + r ] + 4[， —，一A:)] (3) 同理，可求出h(r)的DFT为
w-i 2" 2;r
= J] Z O)[cos : ^ — / sin : ^r]
^KW + ^iV-AOl + y^I^iV —幻-( ) 又根据定义，长度为2N的实序列x(n)，其DFT为
2W—1
単)k=0, 1，…，2N-l
w=0
g(r)=x(2r) h(r)=x(2r+l)<formula>formula see original document page 10</formula>
其计算过程为
(1) 对2048点实数序列按照式(l)组成一个1024点的复数序列；
(2) 计算1024点复数FFT，其结果为式(2);
(3) 根据式(3)、 (4)计算G(k)和H(k);
(4) 根据式(5)计算出X(k)，即为长度为2N的实序列x(n)的DFT。
图16是流量计算流程图。对2048点数据做2次基于FFT的功率谱，即采用Welch (韦尔奇)方法进行功率谱，然后，求平均；对最大的3个峰值进行幅值校正，选出其 中最大的1个幅值；对这个幅值所在的频率进行频率校正，这样就完成了 1次涡街流量 频率的计算。在2秒钟内，计算频率5次，即做10次实数FFT运算。对这5个频率值， 去掉l个最大值、l个最小值，再对剩下的3个频率值做平均，得到频率值。将这个频 率填入1个可以放15个数据的数组。若连续2个频率值为0，则结果为O;若连续2个 频率值与前4秒时的频率的差值的绝对值超过设定范围，则清除这2个频率值之前的数 据，取这2个频率值的均值作为涡街流量频率；在正常情况下，去掉2个最大值、2个 最小值以及O值，对剩下的频率值求平均，作为涡街流量频率。再计算瞬时流量和累计 流量。在流量计算中，做3种平均， 一是对两次功率谱计算的结果进行平均；二是对5 次频率值进行平均；三是对15个频率结果进行平均。
权利要求
1、基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4～20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、LDO、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路，其特征在于压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过电压放大器、限幅放大器、低通滤波器和电压跟随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行快速傅立叶变换，做周期图谱分析，得到信号的频率值，计算出瞬时流量和累计流量，将流量信息显示在LCD上，由单片机的SPI接口通过光耦连接到数模转换器进行转换，由4～20mA输出电路经过V/I转换成4～20mA电流信号输出。
2、 如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征 在于:采用实数FFT算法，将2048点的实数分成两个1024点的实数系列，组成一个1024 点的复数序列，其中2048点中的偶数项为复数序列中的实部，奇数项为复数序列中的 虚部，然后计算1024点的复数FFT，最后通过公式将其转化成为2048点的实数FFT。
3、 如权利要求l所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征 在于对2048点数据做2次基于FFT的功率谱，即采用韦尔奇方法进行功率谱，然后， 求平均；对最大的3个峰值进行幅值校正，选出其中最大的l个幅值；对这个幅值所在 的频率进行频率校正，这样就完成了 1次涡街流量频率的计算；在2秒钟内，计算频率 5次，即做10次实数FFT运算；对这5个频率值，去掉l个最大值、l个最小值，再对 剩下的3个频率值做平均，得到频率值；将这个频率填入1个可以放15个数据的数组； 若连续2个频率值为0，则结果为O;若连续2个频率值与前4秒时的频率的差值的绝 对值超过设定范围，则清除这2个频率值之前的数据，取这2个频率值的均值作为涡街 流量频率；在正常情况下，去掉2个最大值、2个最小值以及0值，对剩下的频率值求 平均，作为涡街流量频率；再计算瞬时流量和累计流量。
4、 如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征 在于在电源电路部分，釆用隔离的DC/DC为模拟信号调理电路和单片机及外围电路供 电，模拟信号调理电路的模拟地直接接至仪表的表壳。
5、 如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征 在于在信号输出和通信部分采用光耦进行隔离。
全文摘要
本发明涉及流量检测领域，为一种基于快速傅里叶变换(FFT)的功率谱分析的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4～20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、LDO、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路。采用汇编语言实现实数FFT算法，用周期图法处理涡街传感器信号，进行幅值和频率校正，计算瞬时和累积流量，输出4～20mA直流电流、两线制工作。本发明运算速度快，运算精度高，抗干扰能力强，节省存储空间，实时性强，制造成本低。
文档编号G01F1/32GK101614566SQ20091011717
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月29日 优先权日2009年6月29日
发明者刘三山, 全 周, 徐科军, 罗清林 申请人:合肥工业大学