技术领域本发明针对的是科里奥利质量流量计的驱动系统，设计了一种基于谐波分解的1Hz全数字驱动启振装置及方法。
背景技术：
科里奥利质量流量计(下文简称科氏流量计)是利用科里奥利原理制成的一种直接式质量流量仪表，是当今发展最为迅速的流量计之一，科氏流量计不仅能测量各种常规液体，同时也能应用于浆液、液化气体和压缩天然气等非常规流体的测量，广泛应用于石油化工、食品制药等行业。科氏流量计主要由流量管(又称振动管)、传感器、信号处理系统和驱动系统(又称激励系统)组成。其中，驱动系统性能的好坏直接影响着流量计的整体测量精度。传统的驱动电路由模拟电路组成，启振过程由噪声驱动，存在启动时间较长、启振鲁棒性差等问题，同时由于噪声提供的增益有限，当流量管的振幅和频率有变化时，就无法控制流量管达到稳定振动；同时存在电路结构复杂、元器件易老化，对环境要求较高等问题，数字驱动方案是近年来的研究热点。许多公司和科研单位针对科氏流量计的驱动系统，已经成功研制了基于直接数字频率合成(DirectDigitalFrequencySynthesis，DDS)的数字驱动方法，取得了良好的性能和精度。中国专利公布了一种科氏质量流量计中用于驱动控制的初始化算法(R.L.马晋尼斯，科里奥利流量计用于驱动控制的初始化算法，中国专利，申请号：01806546.5，申请日：2001.3.12)，该种方法是先对流量管施加1V，持续时间10ms的阶跃信号，通过流量管中的传感器反馈振幅是否足够来判断是否需要增加阶跃信号的作用时间和幅值大小，如流量管未起振，则增加阶跃的作用时间至20ms，幅值增加到2V，如此循环判断，直到满足启振要求。这种方法优势在不需要流量管固有频率的先验信息，但其时间累积过少，需要额外增加幅值进行启振；中国专利还公布了一种科氏质量流量计正负阶跃交替激励起振方法和系统(徐科军科氏质量流量计正负阶跃交替激励启振方法和系统，中国专利，申请号：200910144210.7，申请日：2009.7.23)，该种方法的思路是在流量管振动合适的位置，用正负阶跃交替激励，则流量管输出将不断加强，最终实现流量管启振。但该种方法设计极为复杂，控制过程繁琐，由于工业现场环境噪声等影响，其方法中提到的零点很难找，即使在零点附近设置一个滞环带b来避免噪声带来的系统误动作，但b的值又需要根据实际噪声大小来设定，这种方法在不同的工作场景中需要提前确定现场的先验噪声信息，并不能很好地自适应环境。实际上，流量管本身相当于一个窄带滤波器，具有非常好的选频特性，频率在流量管固有频率附近的启振信号都会对流量管的启振施加正反馈效果，因此不同频率的信号对于流量管的启振时间、启振效果有重要影响。本发明在理论分析和大量的实验基础上，提出了基于谐波分解的1Hz的数字信号驱动方法，并根据这种方法设计和实现了一套数字驱动启振装置。
技术实现要素：
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种全数字波形合成科氏流量计启振信号的装置。技术方案一种全数字波形合成科氏流量计启振信号的装置，其特征在于包括微控制器、直接数字频率合成器DDS、乘法数模转换器MDAC和音频功率放大器；微控制器的两个数据输出引脚分别与DDS和MDAC的输入引脚连接实现波形合成和调幅的控制功能，DDS的输出引脚与MDAC的输入引脚连接，MDAC的输出引脚与音频功率放大器的输入引脚连接，音频功率放大器输出启振信号到科氏流量计。一种使用所述的装置合成科氏流量计启振信号的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：系统上电后，微控制器清除所有中断及中断标志，定义与DDS、MDAC连接的管脚，并配置DDS使其工作在方波输出工作状态下；清除MDAC输出，配置MDAC来自微控制器的控制命令数据在时钟下降沿时被锁入移位寄存器；步骤2：微控制器向DDS写入频率控制字，使DDS不断发出1Hz方波信号；步骤3：微控制器向MDAC写入幅度控制字，使MDAC对来自DDS的1Hz方波信号按幅度控制字对应的比例进行调整；步骤4：功放对MDAC输出的信号进行放大后，输出9-10Vpp的启振信号。有益效果本发明提出的一种全数字波形合成科氏流量计启振信号的装置，该装置和方法克服了模拟启振和其它数字启振信号的局限，具有以下有益效果：1、整体装置及控制方法简单，相比其他复杂的硬件电路和控制方法，能极大降低控制复杂度，同时该启振装置也复用了后续控制流量管稳定振动装置，不需要增加额外的硬件开销，只需要增加软件控制部分就可以启振；2、相比模拟驱动系统主要靠噪声启振的方法，明显提升启振速度，启振效果稳定可靠。相比其它数字启振信号，不仅可以极大地减少算法复杂度及控制步骤，同时启振速度不受影响。通过实际实验表明，本启振信号方法针对固有频率较高(203Hz)的流量管可以在3.0s内启振，针对固有频率(91Hz)较低的流量管可以在4.0s内使流量管启振；3、启振信号通用性强，针对固有频率在40-400Hz的流量管，用该种装置和方法都可实现快速启振，经过实际试验表明，该种方法启振时间最多不超过6.2s；4、鲁棒性好，基本不受环境噪声等噪声影响，可实现快速启振。附图说明图1是本发明的硬件连接关系图2是本发明的工作步骤具体实施方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：本发明针对科氏流量计的全数字驱动系统提出了一种基于谐波分解的1Hz全数字波形合成科氏流量计启振信号方法，并根据这个方法设计和实现了一套全数字驱动装置。该装置包含：微控制器、直接数字频率合成器(以下简称DDS)、乘法数模转换器(以下简称MDAC)、音频功率放大器(以下简称功放)。该装置的硬件连接关系如图1所示。微控制器的数据输出引脚与DDS和MDAC的输入引脚连接，DDS的输出引脚与MDAC的输入引脚连接，MDAC的输出引脚与功放的输入连接，功放的输出引脚即为本装置的输出端。该装置上电后，DDS受微控制器控制，不断合成输出1Hz方波信号，同时微控制器向MDAC写入控制字，使经过MDAC的方波信号按照控制字大小进行调幅放大，再经功以固定倍数放大，使得方波信号的最终幅值调至9Vpp，该信号输入流量管，以实现流量管的快速启振。这里使用MDAC调幅和功放放大的原因是，一方面，本发明只涉及启振过程，不涉及后续的稳幅控制过程，在稳幅控制过程中，单独依靠MDAC的自有的放大倍数并不能满足要求，故需要再用功放放大，MDAC主要实现放大倍数通过程序根据流量管的反馈信号进行调整，功放主要实现信号能按照流量管启振能量要求进行放大。同时，希望该装置能复用在流量管启振和流量管稳幅工作状态下，以减少额外的硬件开销。针对本起振信号提出的启振装置硬件连接关系如图1所示，微控制器分别与DDS、MDAC连接，实现波形合成和调幅的控制功能；DDS的输出端与MDAC的模拟输入端相连，功放的输入与MDAC的输出端相连，功放的输出端即为驱动系统的输出端。本方法采取的是基于谐波分解的1Hz信号驱动方法，下面介绍用1Hz信号成功驱动的原因。流量管振动系统本身相当于一个窄带滤波器，具有非常好的选频特性，当驱动信号的频率与流量管固有频率相等或接近时，流量管启振所需能量最小，此时会迅速启振，并衰减其它频率信号的幅值，从而达到谐振状态。根据谐波分析方法，任何关于时间的周期函数都能展开成傅立叶级数，即无限多个含有基波频率和一系列为基波整数倍的谐波的正弦波分量与余弦分量的加权和，设f(t)为周期函数，则有f(t)=12a0+Σn=1∞(ancos(nω0t)+bnsin(nω0t))]]>其中，是基波角频率，T为周期，an、bn是傅里叶级数的系数，多项式第一项代表直流分量，n代表是n阶谐波。本设计中采用的是f0＝1Hz的方波，则基波角频率为ω0＝2πf0，其谐波分解可表示为：f(t)=4π(sinω0t+13sin3ω0t+15sin5ω0t+17sin7ω0t+......)]]>由于其基波频率为1Hz，高次谐波是基波频率的奇数倍频，其谐波成分有1Hz、3Hz、5Hz，……，依次以奇数倍递增，信号的谐波频率之间只相差2Hz，即如果用DDS合成波形，其中以1Hz方波作为起振信号，其谐波频率分量是最多的。在流量管起振初期，由于在未检测出流量管固有频率时，谐波分量丰富的方波比起其他波形更容易使流量管起振，因此1Hz方波的启振信号必有高次谐波在流量管固有频率的附近；另外由于1Hz的方波在经过功放放大后的较高幅度上保持该幅度的时间可以长达1秒，也可满足流量管启振所需的能量的要求。本装置和方法基于以上两点原因，可最终实现流量管的快速启振。本方法的工作步骤为：1、初始化。在系统上电后，微控制器通过程序清除所有中断及中断标志，定义与DDS、MDAC连接的管脚，并配置DDS使其工作在方波输出工作状态下；初始化MDAC功能，微控制器清除MDAC输出，并配置来自微控制器的控制命令数据在时钟下降沿时被锁入移位寄存器；2、DDS使能。微控制器向DDS写入频率，使DDS不断输出1Hz方波信号，该信号使用DDS默认幅值，设为V1；3、MDAC使能。微控制器向MDAC写入幅度控制字，使MDAC对来自DDS的信号按控制字对应的比例进行调整，这里的调整的系数为E1；对于DDS默认输出TTL电压幅值3.3Vpp，这里的放大倍数为(1800/4096)；4、功放使能。功放将来自MDAC的信号以6-7倍(放大倍数为E2)放大进行输出，使最终输出信号的幅值(即V1·E1·E2)在9-10Vpp间。