低功耗数字式涡街流量计 技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及到嵌入式系统与数字信号处理技术。
技术背景
涡街流量计一般采用压力敏感元件将涡街流量计旋涡发生体上受到的横向交变升力作用转换为电信号，从电信号中提取涡街频率，进而根据涡街频率与流体流量的关系得到被测流量。尽管涡街流量计具有种种优点，但在实际应用中出现的一些实际问题，影响到这种流量计的应用与推广。问题主要包括：(1)涡街流量计的下限量程远远高于理论上可能的最小值；(2)流量计的抗振性较差，工业现场普遍存在的阀、泵、压缩机等动力设备和现场随机出现的各种强振动源都可能使测量结果出现很大的误差，甚至导致流量计难以正常工作，这些情况在流量计的低量程范围内表现的尤为明显。前述问题的存在与涡街流量计的测量原理、旋涡发生体的结构设计、检测元件性能与结构、流量计的现场安装等都有关系，但是限制流量计性能最主要的因素则是涡街流量计的信号处理方法。
在信噪比较高的情况下，模拟信号处理方法处理流量计检测信号的效果是很好的。但是，当信噪比较低、检测信号中包含了幅值较大的周期性或冲击噪声时，模拟信号处理方法不能有效的滤除噪声成分，容易造成整形时的误触发，产生错误地测量结果。更重要的是，有用信号波形的峰值大致与流速(涡街频率)的平方成正比，因此当进行低流速测量时，涡街频率较低，信号幅值较小，信噪比降低，经常性的噪声(如流动噪声)的幅值则相对增强，以至于淹没有用信号；由于这些情况主要出现在测量的低量程段，信号处理方法的不足直接导致了流量计的量程的缩小。实际中，为了去除小流量时噪声对测量结果产生的严重影响，电路中一般要加入高通环节以切除测量的低频段；而由于不同管道口径、流体类型的对应需要切除的信号频带不同，配套电路的元件会进行相应的调整；上述情况人为的造成了涡街流量计测量范围窄、产品型号复杂、抗振性和互换性差的缺点。
目前涡街流量计数字信号处理使用尚不多见，已知的具有数字信号处理功能的涡街流量计一般采用的处理流程是：对测量信号进行采样并将采样序列传递给计算机或数字信号处理器；利用编制的频谱分析软件分析采样序列的频域特征；从分析结果中推断涡街频率。其中，频谱分析软件采用的信号处理方法是整个信号处理流程的关键。但目前采用的处理方法缺乏针对信号的特点和信号处理的需要来建立信号模型和确定仿真方案。由于涡街流量计检测信号中包含多种难以去除的周期性噪声成分，因此能够精确估计随机信号中多个周期性分量参数的这种算法对于有效提取噪声背景中的涡街频率信息、提高信号处理质量具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用嵌入式微控制器MCU与DSP组合的低功耗数字式涡街流量计，该流量计能够在强噪声背景中，完成精确的涡街频率信息提取，改变现有涡街流量仪表需要根据口径、介质更换电路元件的矛盾，并且能够扩展量程，尤其是能对微小流量信号和低信噪比信号的准确测量。
低功耗数字式涡街流量计，主要由涡街传感头1、电荷放大器2、差动放大器3、抗混迭滤波器4、嵌入式微控制器5以及数字信号处理器6等组成。流量信号经涡街传感头1接入模拟信号预处理电路(图2)中第一级电荷放大器2的输入端，转换为电压信号接入第二级运放组成的差动放大器3和抗混迭滤波器4(图2)。预处理成模拟电压信号输入嵌入式微控制器MCU(5)A/D转换接口中的任意一路P6.0(共八路)。由MCU(5)和数字信号处理器DSP(6)组成双核心中央处理单元，二者通过MCU任选的一组I/O接口P4连接DSP的HPI(主机接口)数据线HD0～7，P2和P3口的任意7根口线连接HPI的控制线(参照图4与图5)，一方面实现数据在MCU和DSP(6)之间互传，另一方面将存储于MCU程序空间的算法程序传入DSP中。由MCU(5)其余I/O接口的任意3根组成串行显示(图5)，通过PWM输出的P1.1接口组成远传电路，并利用MCU(5)的两组UART硬件中的任选一组作为通讯接口7(图5)，现场工作参数通过通信接口7由计算机写入微控制器的FlashROM单元中存储。本发明的硬件框图如图1所示，整个系统结构主要分为三部分：模拟信号预处理电路，数字信号处理电路和人机交换接口部分。涡街流量计中涡街传感头1输出的信号是含有各种噪声的电荷信号，并且幅值很小。模拟信号预处理电路通过以运算放大器为主体的模拟电路对采集到的电荷信号进行了三方面的处理：①通过输入级的电荷放大器2将流量计压电检测元件输出的交变电荷信号转换为电压信号；②通过差动放大器3和后续电路的放大功能实现了交变信号的幅值放大；③通过模拟低通滤波器构成的抗混迭滤波器4实现了信号模数转换之前的滤波。模拟信号预处理电路见图2所示。电荷放大器2(图2中的第一级放大器组成的电路)将输入电荷信号转换成电压信号输出的高阻抗前置放大器，其输出电压与输入电荷成正比。差动放大器3将数据采集之前的信号放大然后送入抗混迭滤波器4(图2中的第二级放大器组成的电路)。预处理后的信号输入MSP430F149微控制器5其中的一个A/D转换接口，MSP430F149集成的12位A/D转换器直接采集低通滤波后的涡街信号，使用任选的3根通用I/O接口连接串行控制的液晶显示器件(LCD)，保证整机的低功耗。MSP430F149的硬件UART接口实现与外部通讯，完成参数管理。数字信号处理器6作为数据处理核心，也从单片微控制器MSP430F149处得到数据，并将处理结果传送回MCU，实现数据传输的途径是通过DSP的主机接口(HPI)与MCU的I/O接口连接。由于DSP不具备非易失的程序存储器，本发明设计利用HPI接口将存储于MCU程序空间的DSP程序传入DSP中，并利用Bootloader功能启动DSP的运行。DSP中的核心算法采用松弛陷波周期图法对信号进行数字信号处理，该算法将周期图引入最大似然估计过程，易于实现实时处理。
松弛陷波算法是基于周期图法的一种最大似然估计法，即先对结果做粗略的估计，再使估计的错误逐渐减小直至结果趋近于真值。考虑到在周期图中，强谐波的谱峰总是影响较弱谐波的分辨，在这种情况下，松弛陷波算法通过去除强谐波，使较弱谐波凸显出来。其函数式为：
XM=X-Σm=1K-1α^mω(f^m)]]>
C=||X-Σm=1Kα^mω(f^m)||2]]>
满足局部收敛条件：ΔC ≤ε；ω(fi)＝[1，exp(j2πfi)，...exp[j2πfi(N-1)]]T
X-频域信号；M-陷波次数；K-谐波总数；ε则为根据实际情况确定的一个常数其中多谐波频率最大似然估计公式如下式：
f^k=maxf1N|Σn=0N-1exp(-2πfn)xk(n)|2]]>
此时，复幅值的最大似然估计见式
α^k=1NΣn=0N-1exp(-j2πf^kn)xk(n)]]>
其中：N--采样数；次谐波频率的最大似然估计；f--各谐波频率；
xk(n)--离散采样信号；次谐波幅值的最大似然估计；n＝0、1、...、N-1。
本发明的有益效果在于：选用的数字信号处理器和16位单片微控制器具有超低功耗、低电压、高抗干扰能力和高集成度，其中的MCU内部集成了定时器、通用I/O、12位200kbps的A/D转换器、60KB flash ROM存储器、2KB RAM寄存器、看门狗电路、硬件串行接口等丰富的功能模块，本发明正是利用这些特点减少外围电路，完成强大的控制功能，并与DSP芯片的高速计算能力相结合，实现了整个系统的智能化、低功耗和宽适用范围。实验数据表明，本发明能够有效的抑制了流量计在现场测量中存在的管道振动、流速噪声等干扰，从而实现小流量测量，扩大量程的下限，使涡街流量计的量程比有了较为明显的扩大。本发明的应用实例可以准确测量流速从0.18m/s～6.22m/s的涡街信号，使量程比到达1∶35，即(在25mm口径的管道上)可以准确测量到雷诺数为4.90×103(即频率在0.18m/s左右)的涡街信号，基本上接近了理论上的下限值(雷诺数为3×103)。
附图说明
附图1为本发明的系统整体框图。
附图2为模拟信号预处理电路图。
附图3为水流量实流标定实验装置原理图。
附图4为DSP(数字信号处理器)模块原理图。
附图5为MCU(微控制器模块)原理图。
附图6为由AM402芯片组成的4-20mA供电远传模块原理图。
附图7为DSP软件流程图。
附图8为MSP430主程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图3～附图8并通过实施例对本发明做进一步的说明。
首先本发明采用标准表法在水流量实验装置上进行水流量实流标定(如图3所示)。流量实验在25mm口径的装置上进行的，标准表是10mm和15mm口径的涡轮流量计。流量计A即本发明设计的涡街，流量计B就是传统的模拟仪表，用来作比较。实验数据表明，本发明能够有效的抗干扰从而扩大量程的下限，使涡街流量计的量程比有了较为明显的扩大。以25mm口径的涡街流量计为例，传统的模拟方法处理信号的涡街量程一般为1.1m3/h～11m3/h(量程比为1∶10)，此时涡街流速为0.62m/s～6.22m/s左右，这样只能覆盖很小一部分的涡街信号频带。实验表明，本发明可以准确测量流速从0.18m/s～6.22m/s的涡街信号，使量程比到达1∶35，即(在25mm口径的管道上)可以准确测量到雷诺数为4.90×103(即频率在0.18m/s左右)的涡街信号，基本上接近了理论上的下限值(雷诺数为3×103)，而同时使用的模拟方法的涡街流量计一般只能检测到流速在0.62m/s以上的涡街信号(雷诺数为15×103左右)，所以本发明在扩大涡街流量计的量程比的方面是卓有成效的。并且由于选用的芯片是超低功耗的，模块集成度高，所以系统的功耗可以控制在4mA以下，可实现4～20mA两线制远传，方便了现场仪表的安装与信号传输。
本实施例的DSP选用TMS320C5416(如图4)，它由TI公司生产是从属于TMS320C54x系列的16位定点DSP芯片。DSP作为数据处理核心，主要从单片微控制器MSP430F149处得到数据，并将处理结果传送回MCU，实现数据传输的途径是通过DSP的主机接口(HPI)与MCU的I/O接口连接，由于MSP430F149有6组8位I/O接口，在本实施例中选择P4口作为数据口连接DSP的HD0-7，P2和P3口的任意7根口线连接HPI的控制信号线。由于DSP不具备非易失的程序存储器，利用HPI接口将存储于MCU程序空间的DSP程序传入DSP中，并利用Bootloader功能启动DSP的运行。
微控制器5(MCU)选用TI公司的16位单片微控制器MSP430F149(如图5)。MSP430F149集成的12位A/D转换器直接采集低通滤波后的模拟涡街信号，省略了传统涡街的后续整形电路，提高了电路的通用性。使用任选的3根通用I/O接口连接串行控制的LCD显示器件，保证整机的低功耗。MSP430F149的一组硬件通用异步串行接口(UART)实现与外部通讯，完成参数管理，内部Flash ROM存储运行数据，WDT和DCOCLK电路模块保证整个系统上电复位、振荡器起振、程序运行的可靠性。另外，系统通过AM402和PS767D301电源芯片向微控制器系统和DSP的接口电路提供3.3V工作电压，向DSP芯片提供1.5V核电压，而且通过连接MSP430F149具备PWM输出的P1.1接口，AM402与其外围电路组成了4-20mA信号的远传模块(如图6所示)，使得工业现场的自动化监测和总线管理得以方便实现。
本发明采用主机接口HPI由MCU的Flash ROM向DSP导入程序，HPI初始化由MCU完成，然后DSP完成自身的中断和其他工作寄存器的初始化工作，进入查询状态，等待MCU将采来的数据送入指定空间，一旦完成采集和传送，DSP即开始进行松弛陷波周期图法的运算，并将计算所得频率f代入下式，完成最终的流量计算，计算结果由MCU取回进行后续的显示、存储等处理。DSP部分的软件设计流程如图7所示。
Q=3600×fK]]>其中Q--流体体积流量，K--标定的仪表系数。
MCU部分实现数据显示、存储及远传等功能，运行时，MSP430F149初始化先设置时钟频率和液晶驱动器，硬件串口，A/D转换模块，通用I/O接口等。然后MCU初始化HPI接口，并将DSP程序导入，启动DSP的工作。初始化完成后，MSP430F149检查串口有无参数输入，若没有参数置入，则调用过去的参数，后续程序参数管理通过中断实现。MCU进入主循环后，程序以1秒为周期，通过A/D连续采集数据，每256个数据一组传入DSP中，再取回上一次的运算结果，进行补偿修正，比较上下限，进行数据显示及远传处理，然后对相应的标志位进行置位，进入低功耗模式，再由定时中断返回后退出低功耗模式返回主循环。主程序流程图见图8所示。