一种基于FPGA的电磁水表信号处理方法与流程

一种基于fpga的电磁水表信号处理方法
技术领域
1.本技术涉及信号处理领域，尤其涉及基于fpga的电磁水表信号处理方法。


背景技术：

2.电磁水表在小流速情况下，电磁水表的电极上检测到的信号很微弱，信噪比低，并且通常淹没在噪声信号下，使得有用信号难以被提取测，导致测量精度差。现在通常采用的处理方法是采用高放大倍数的放大器进行信号的放大、滤波等处理，然而这势必易受外部电磁场干扰，因为即使是非常微弱的干扰信号经过高倍的放大后，对结果的影响也是不可忽略的，必然会影响计量精度。针对这一问题，本技术采用数字方式生成的参考正弦波的方法，优势在于可以通过调整数字精度获得极低的失真性能，并且不会增加任何噪声和漂移，设计一种基于fpga的同步检测方法，使得淹没在噪声下的小流量信号能够被提取，从而提高测量精度，解决了因参考信号和测量信号之间存在相移的问题。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种基于fpga的电磁水表信号处理方法，采用数字方式生成的参考正弦波的方法，优势在于可以通过调整数字精度获得极低的失真性能，并且不会增加任何噪声和漂移，设计一种基于fpga的同步检测方法，使得淹没在噪声下的小流量信号能够被提取，从而提高测量精度，解决了因参考信号和测量信号之间存在相移的问题。
4.本技术提供了一种基于fpga的电磁水表信号处理方法，包括：
5.前端模拟电路和fpga；
6.前端模拟电路包括传感器，所述传感器连接有放大器，所述放大器连接有抗混叠滤波，所述抗混叠滤波连接有adc,由传感器中的信号经放大器将信号放大，经抗混叠滤波后由高分辨率σ-δ型adc转换成数字量，整个过程完成传感器的励磁、流速信号到电信号的转换；
7.fpga由前端模拟电路中的高分辨率σ-δ型adc将转化后的数字量传输进入，完成数字部分的功能，包括数字滤波、数字锁相环、两级乘法器及幅度相位计算功能。
8.进一步的，电磁传感器需要的励磁信号由fpga内部生成，也可使用外部信号激励，该信号为方波信号，经过功率放大后驱动励磁线圈产生与励磁信号频率相同的交变磁场。
9.进一步的，高分辨率σ-δ型adc转换成数字量传输到fpga进行带通滤波，带通滤波经过两个乘法级运算输出后在fpga内进行低通滤波输出。
10.进一步的，数字锁相环生成锁定至激励信号的参考正弦波，参考正弦波中的任何谐波将与输入信号相乘，并且增加了第二个乘法级将测量信号乘以90度相移的参考信号，第二级的输出信号将与输入的反相分量成比例。
11.进一步的，两级乘法器及幅度相位计算功能完成输出后，低通滤波器滤除任何高频分量并输出与信号成比例的同相i及正交q分量，则输入信号的幅度为并且可
计算出激励与参考信号之间的相位
12.由以上技术方案可知，本技术提供了一种基于fpga的电磁水表信号处理方法，，包括：
13.前端模拟电路和fpga；
14.前端模拟电路对传感器的输出信号进行放大调理。所述传感器连接有放大器，放大器选择具有高输入阻抗、高共模抑制比、低失调电压、低噪声的精密仪表放大器。仪表放大器本质是一个差分放大器，能够有效地抑制共模信号并对差分信号进行放大。这里选择共模抑制在100db以上，并且仪表放大器的增益设置小于100，以防止仪表放大器输出饱和。所述放大器将传感器的信号放大后输出至由r、c器件组成的抗混叠滤波器，信号经过抗混叠滤波器后由高分辨率σ-δ型adc转换成数字量。fpga控制整个过程完成传感器的励磁、流速信号到电信号的转换；前端模拟电路中的高分辨率σ-δ型adc将转化后的数字量传输进入fpga完成数字部分的功能，包括数字滤波、数字锁相环、两级乘法器及幅度相位计算功能，电磁传感器需要的励磁信号由fpga内部生成，也可使用外部信号激励，该信号为方波信号，经过线圈驱动电路驱动励磁线圈产生与励磁信号频率相同的交变磁场。线圈驱动电路可以采用h桥电路或h桥驱动芯片实现，并且在驱动电路中加入谐振电容器以减小励磁电流，谐振电容器的大小可根据励磁信号的频率来确定，高分辨率∑-δ型adc将模拟信号转换成数字量传输到fpga进行带通滤波。∑-δ型adc可以选择24位分辨率以提高测量精度，在fpga上采用硬件描述语言编写fpga与adc的通信接口，该接口完成adc工作所需的时序控制、adc寄存器配置以及与fpga的数据传输。adc采用过采样，采样速率设置在20ksps及以上，这种情况下传感器的上升沿未经滤波，adc的高分辨率可以准确的捕捉信号的上升沿及下降沿。带通滤波器中心频率与励磁信号频率相同允许有用信号通过，可以使用fpga内部的ip核实现数字带通滤波器，数字锁相环生成锁定至激励信号的参考正弦波，参考正弦波中的任何谐波将与输入信号相乘，并且增加了第二个乘法级将测量信号乘以90度相移的参考信号，第二级的输出信号将与输入的反相分量成比例。数字锁相环采用fpga内部ip核实现，锁相环输出两路频率与励磁频率相同，相位差90
°
的参考正弦波信号，然后将adc采集到的数字量与连个参考正弦波信号做乘法运算，乘法运算使用fpga内部的乘法器实现。两个正弦波相乘所得的结果是一个具有和频与差频形式频率分量的信号。这里，两个正弦波具有相同的频率，因此结果是一个直流信号和一个两倍于原始频率的信号。负号表示它具有180
°
的相移。低通滤波器会滤除信号中直流分量以外的所有分量。
[0015][0016]
输入方波信号时，其周期为t，幅度为a，角频率为ω0＝2π/t，根据傅里叶分析的方法，可以展开为傅里叶级数：
[0017][0018]
式中a0为其直流分量，am为其余弦分量的傅里叶系数，bm为其正弦分量的傅里叶系数，各种系数的计算方法为：
[0019]
[0020][0021][0022]
由于输入信号为零均值的偶函数，所以其直流分量a0＝0，正弦分量的傅里叶系数bm＝0，其余弦分量的傅里叶系数：
[0023][0024]
式中，m为谐波次数，m为1-∞的正整数，m为偶数时，sin(mπ/2)＝0；m为奇数时，sin(mπ/2)为1或-1，令奇数m＝2n-1，n为1-∞的正整数，则am可以表示为：
[0025][0026]
由此可得r(t)的傅里叶级数表示为：
[0027][0028]
参考信号x(t)＝bcos(ω0t+θ)，r(t)与x(t)相称的结果为：
[0029][0030]
上式第一项为差频，第二项为和频，经过低通滤波的作用，n＞1的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n＝1的差频项为：
[0031][0032]
通过对比可知输入信号为方波参考信号为正弦波时，与输入信号参考信号都是正弦波时有完全类似的结果，并且输出信号幅度更大一些，两级乘法器及幅度相位计算功能完成输出后，低通滤波器滤除任何高频分量并输出与信号成比例的的同相i及正交q分量，则输入信号的幅度为并且可计算出激励与参考信号之间的相位
[0033]
通过输入信号的幅度可以计算出当前流体的流速，根据流速可进一步计算出当前流量。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1为本发明方法示意图。
[0036]
图2为前段模拟电路结构示意图。
[0037]
图3为fpga内部连接结构示意图。
具体实施方式
[0038]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0039]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围由权利要求指出。
[0040]
由以上技术方案可知的参见图1，图2，图3。
[0041]
实施例1:
[0042]
一种基于fpga的电磁水表信号处理方法，包括：
[0043]
前端模拟电路和fpga；
[0044]
前端模拟电路对传感器的输出信号进行放大调理。所述传感器连接有放大器，放大器选择具有高输入阻抗、高共模抑制比、低失调电压、低噪声的精密仪表放大器。仪表放大器本质是一个差分放大器，能够有效地抑制共模信号并对差分信号进行放大。这里选择共模抑制在100db以上，并且仪表放大器的增益设置小于100，以防止仪表放大器输出饱和。所述放大器将传感器的信号放大后输出至由r、c器件组成的抗混叠滤波器，信号经过抗混叠滤波器后由高分辨率σ-δ型adc转换成数字量。fpga控制整个过程完成传感器的励磁、流速信号到电信号的转换；前端模拟电路中的高分辨率σ-δ型adc将转化后的数字量传输进入fpga完成数字部分的功能，包括数字滤波、数字锁相环、两级乘法器及幅度相位计算功能。
[0045]
优选的，电磁传感器需要的励磁信号由fpga内部生成，也可使用外部信号激励，该信号为方波信号，经过线圈驱动电路驱动励磁线圈产生与励磁信号频率相同的交变磁场。线圈驱动电路可以采用h桥电路或h桥驱动芯片实现，并且在驱动电路中加入谐振电容器以减小励磁电流，谐振电容器的大小可根据励磁信号的频率来确定。
[0046]
优选的，高分辨率σ-δ型adc将模拟信号转换成数字量传输到fpga进行带通滤波。σ-δ型adc可以选择24位分辨率以提高测量精度，在fpga上采用硬件描述语言编写fpga与adc的通信接口，该接口完成adc工作所需的时序控制、adc寄存器配置以及与fpga的数据传输。adc采用过采样，采样速率设置在20ksps及以上，这种情况下传感器的上升沿未经滤波，adc的高分辨率可以准确的捕捉信号的上升沿及下降沿。带通滤波器中心频率与励磁信号频率相同允许有用信号通过，可以使用fpga内部的ip核实现数字带通滤波器。
[0047]
优选的，数字锁相环生成锁定至激励信号的参考正弦波，参考正弦波中的任何谐
波将与输入信号相乘，并且增加了第二个乘法级将测量信号乘以90度相移的参考信号，第二级的输出信号将与输入的反相分量成比例。数字锁相环采用fpga内部ip核实现，锁相环输出两路频率与励磁频率相同，相位差90
°
的参考正弦波信号，然后将adc采集到的数字量与连个参考正弦波信号做乘法运算，乘法运算使用fpga内部的乘法器实现。两个正弦波相乘所得的结果是一个具有和频与差频形式频率分量的信号。这里，两个正弦波具有相同的频率，因此结果是一个直流信号和一个两倍于原始频率的信号。负号表示它具有180
°
的相移。低通滤波器会滤除信号中直流分量以外的所有分量。
[0048][0049]
输入方波信号时，其周期为t，幅度为a，角频率为ω0＝2π/t，根据傅里叶分析的方法，可以展开为傅里叶级数：
[0050][0051]
式中a0为其直流分量，am为其余弦分量的傅里叶系数，bm为其正弦分量的傅里叶系数，各种系数的计算方法为：
[0052][0053][0054][0055]
由于输入信号为零均值的偶函数，所以其直流分量a0＝0，正弦分量的傅里叶系数bm＝0，其余弦分量的傅里叶系数：
[0056][0057]
式中，m为谐波次数，m为1-∞的正整数，m为偶数时，sin(mπ/2)＝0；m为奇数时，sin(mπ/2)为1或-1，令奇数m＝2n-1，n为1-∞的正整数，则am可以表示为：
[0058][0059]
由此可得r(t)的傅里叶级数表示为：
[0060][0061]
参考信号x(t)＝bcos(ω0t+θ)，r(t)与x(t)相称的结果为：
[0062][0063]
上式第一项为差频，第二项为和频，经过低通滤波的作用，n＞1的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩下n＝1的差频项为：
[0064][0065]
通过对比可知输入信号为方波参考信号为正弦波时，与输入信号参考信号都是正弦波时有完全类似的结果，并且输出信号幅度更大一些。
[0066]
优选的，两级乘法器及幅度相位计算功能完成输出后，低通滤波器滤除任何高频分量并输出与信号成比例的的同相i及正交q分量，则输入信号的幅度为并且可计算出激励与参考信号之间的相位通过输入信号的幅度可以计算出当前流体的流速，根据流速可进一步计算出当前流量。
[0067]
有益效果：
[0068]
本技术采用数字方式生成的参考正弦波的方法，优势在于可以通过调整数字精度获得极低的失真性能，并且不会增加任何噪声和漂移，本方法可以使得淹没在噪声下的小流量信号能够被提取，从而提高测量精度，解决了因参考信号和测量信号之间存在相移的问题。
[0069]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。以上所述的本技术实施方式并不构成对本技术保护范围的限定。