0 引言
为了解决涡街流量计在应用中存在的问题，比如受流场稳定性和均匀性影响大，易受外界振动噪声的干扰，量程下限受限等，国内外专家将数字信号处理方法和DSP（数字信号处理器）技术应用于涡街流量计，取得很好的效果[1-5]。但是，以DSP芯片为处理器，电流消耗大，无法做到低功耗、实现两线制。而国内低功耗、两线制涡街流量计都是采用传统的信号处理方式[6-8]，单片机仅用于计数和流量计算。但是，这样的涡街信号处理系统抗干扰能力差，精度低。
针对以上问题，设计了一套涡街流量计处理系统，在采用数字信号处理方法的同时，实现了低功耗。选用MSP430F1611单片机（以下简称F1611）为处理和控制核心，利用其低功耗特性和较强的处理能力，运行数字信号处理算法，与模拟带通滤波器组结合，实现在低功耗情况下对涡街信号的处理和滤波。即单片机做少点数的FFT（快速傅里叶变换），进行功率谱分析和频率校正，确定涡街信号的频率，作为带通滤波器通道选择的依据。针对涡街信号强度变化大的特点，系统由低功耗运放和数字电位器组成可变增益程控放大器，配合峰值检测电路，实现对涡街信号幅值的最佳调整。系统采用模拟电路与数字电路分开供电的电源设计，并使用低成本的4～20mA环路电流变送器，结合F1611内部集成的DAC，实现两线制4～20mA电流输出。
1 系统概述
1.1 系统组成
图1为系统硬件框图。它主要由F1611、前向输入通道、带通滤波器组、输出电路、键盘输入电路等组成。
图1 系统硬件框图
1.2 信号处理过程
涡街流量计所使用的传感器为压电晶体，漩涡发生体产生的有序漩涡冲击压电晶体，在压电晶体内将流量信号转换为电信号，经电荷放大器、固定增益电压放大器、程控可变增益电压放大器、低通滤波器；然后分为3路：经电压跟随器送入F1611的ADC；经过峰值检测电路送入F1611的另一路ADC；经过带通滤波器组、多路模拟开关、施密特触发器整形，进入F1611的计数单元。F1611定时进行峰值采样和信号序列采样，根据当前的峰值调整可变增益电压放大器放大倍数，对信号进行频谱分析后，根据结果选定适合整形的带通滤波器通道。F1611的计数单元准确地记录涡街信号的脉冲数；根据记录的脉冲数，F1611定时计算出当前信号频率，再根据信号频率和预先设定的频率上、下限，进行4～20mA电流输出。根据标定的仪表系数，可以得到当前的瞬时流量和累积流量，供LCD显示。
2 系统硬件研制
2.1 前向输入通道和带通滤波器组
前向输入通道包括电荷放大器（电荷/电压转换型）、可变增益放大器、低通滤波器和保护电路。这一部分电路完成的功能有电荷信号向电压信号转换、信号可变增益放大、信号低通滤波等。
经过低通滤波器已经很好地将高频噪声消除，但是，在涡街流量计的工作频带内还存在着各种噪声，这些噪声将影响整形和计数，而低通滤波器对这些噪声是无能为力的。针对这个问题，采用“软件频谱分析加硬件带通滤波”的信号处理方式，将涡街信号可能出现的频率范围分为若干个频带，根据频谱分析的结果对涡街信号进行带通滤波，最大限度地消除噪声的影响。在频带如何划分上做了以下考虑：根据涡街信号的频率范围将整个频带分为8段；为保证系统有较高的信噪比、良好的品质因数以及噪声的分布特点，这8个频带的带宽是逐级递增的；根据涡街信号的波动程度，保证系统的稳定性，在相邻频带交界处设置了一定程度的覆盖。
经过带通滤波器组的流量信号为8路，但只能将最合适的那一路送入触发器整形。选用一个八选一的多路开关进行选择，多路开关通过控制线与F1611相连，由F1611根据频谱分析结果选择相应通道。
2.2 单片机
选用MSP430系列16位单片机作为系统信号处理和控制核心。选用的F1611供电电压低，电流消耗小，片内10KB数据存储器，可支持到256点实数FFT运算，无需外扩RAM.片上集成了丰富的外设，如硬件乘法器、串行通信模块、DMA控制器、ADC、DAC、FLASH存储器中的用户字节，以及带中断功能的I/O口等，这些外设为系统功能实现提供了保证，同时降低了系统功耗和设计成本。
2.3 4～20mA电流输出和电源管理电路
过程工业现场使用的流量仪表有些要求使用两线制24V、4～20mA环路供电。由于在两线制电流传输中信号线与电源线是复用的，所以，整个系统自身的电流消耗不能超过4mA.但经过实际测试，当F1611处于高频时钟运行，且所有外设全部工作的条件下，其电流消耗已经接近6mA，因此，电流输出和电源管理电路设计是整个系统能否实现低功耗的关键。
考虑到模拟部分和数字部分供电电压不同，模拟部分消耗电流小，数字部分消耗电流大，系统采用模拟与数字分开供电方案。图2为4～20mA电流输出和电源管理电路示意图，其中XTR115为4～20mA环路电流产生器件，它不仅能实现流量信号的V/I转换，同时内部集成了一个输出电压为+5V的线性稳压器。系统的模拟部分使用XTR115内部集成的线性稳压器供电。数字部分使用DC/DC供电，在DC/DC之前使用一个线性稳压器，将DC/DC输入电压稳定在10V，而DC/DC的输出电压为3V，由Vi·Ii·η=Vo·Io可得
所以，当DC/DC效率为85%以上时，从复用线上取1mA电流，就能为数字部分提供2.833mA以上电流，解决了数字部分消耗电流大于4mA的问题。
图2 4～20mA电流输出和电源管理电路
图2还标明了两线制4～20mA电流传输的原理和系统中各种电流的走向。根据XTR115的工作原理，有以下关系：
式中：Io为变送器实际输出电流；Isys为系统自身消耗的电流；Iin为F1611的DAC输出电压Rin经转换后的电流，即Iin=VDAC/Rin.
系统的输出电流值代表不同的频率，也就是代表不同的流量。频率的上下限对应于输出电流的上下限（20mA和4mA），按照比例关系，则每个信号频率值都对应一个电流输出值。这个电流输出值代表流量信号的大小，它由DAC输出电压控制，称之为理论输出电流值。在实际工作中，这种对应关系由F1611根据公式计算得出，再通过更新DAC输出实现。
3 系统软件设计
3.1 系统软件框图
系统的软件采用模块化设计方法。系统软件按功能分为主监控程序、初始化模块、峰值检测及程控放大调整模块、计算模块、电流输出模块、保护模块、中断模块、LCD显示模块及键盘监控子程序。软件总体框图如图3所示。
图3 系统软件总体框图
初始化模块完成系统初始化工作，系统初始化主要包括单片机的初始化和LCD的初始化。峰值检测模块检测信号幅值，并根据检测到的信号幅值调整程控放大器放大倍数，将当前信号幅值调整至最佳范围。计算模块进行信号序列采样、估计频率，并根据估计的频率值选择带通滤波器组通道。电流输出模块进行信号频率计算、流量计算和电流输出。
3.2 主监控程序
主监控程序是整个信号处理系统的“总调度”程序，调用各模块中的子程序，实现仪表所要求的功能，其流程如图4所示。它是一个死循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入不断查询标志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，首先查询峰值检测标志位是否置位，若置位，则调用峰值检测和程控放大倍数调整模块，处理完成后清除峰值检测标志位；其次，查询频谱分析标志位是否置位，若置位，则调用计算模块，估计信号频率，并选择带通滤波器通道，处理完成后清除频谱分析标志位；然后，查询输出标志位是否置位，若置位，则计算信号频率、流量，更新DAC输出，处理完成后清除输出标志位；接下来，查询按键标志位是否置位，若置位，则处理相应按键，处理完成后清除按键标志位；最后，查询LCD刷新标志位是否置位，若置位，则刷新LCD输出，处理完成后清除LCD刷新标志位。完成上述查询、处理功能后，主监控程序返回，重新开始下一轮查询、处理，不断循环。
图4 主监控程序流程
4 系统测试及实验结果
4.1 频谱分析实验
频谱分析作为通道选择的依据，需要考核其精度。使用AFG3101任意波形/函数发生器产生频率和幅值确定的信号，模拟流量传感器输出信号，考核和测试单片机进行频率估计的性能。为严格考核，输入信号为造成最大非整周期采样的频率值，即
式中：A为信号幅值；Δf为频率分辨率。
结果如表1所示。从表1可以看出：在整个频带范围内，频谱分析的绝对误差不超过2Hz，而带通滤波器组的相邻通道设有10Hz以上的覆盖带，不会造成通道误选，所以，少点数FFT进行频谱分析的计算结果完全符合系统要求。
4.2 峰值检测及程控放大器增益调节实验
对于峰值检测电路来说，主要是要检测它的峰值保持能力。经实际测试，在关断信号5s后峰值输出没有下降，说明峰值保持能力符合要求。对于可变增益程控放大器来说，主要测试放大倍数调整的精确度和调整的实时性。系统对于信号峰值的变化，可在2s内完成检测和调整，满足调整的实时性要求；程控放大器调整精度的测试结果如表2所示。
4.3 系统功耗实验
根据式（1）可知，实际输出电流等于理论输出电流与系统自身消耗电流中的较大者。所以，当把理论输出电流设置成小于系统自身消耗电流时，系统的实际输出电流就是系统自身消耗的电流。为此，进行了如下测试：
（1）使系统全速运行，将系统与某公司的40mm口径一次仪表相匹配，组成涡街流量计。使用鼓风机对流量计吹风，模拟气体流量，并改变流量的大小；
（2）设定理论输出电流值≥4.000mA，考核电流输出准确度；设为0.000mA，考核系统自身消耗电流值；
（3）将CA100小型校验仪串接在复用线上，测试系统的实际输出电流。
测试结果如表3所示。
由于4～20mA输出只能单端校准，系统在输出的中间点，即12.000mA处进行校准。由表3可以看出：在全速工作时，系统自身消耗电流为2.902mA；系统电流输出的最大误差为0.008mA（在41000mA端点处），这主要是由DAC的量化误差和XTR115输出误差造成。
4.4 系统测试
使用AFG3101任意波形/函数发生器产生信号，模拟涡街信号，测试在整个量程范围内系统的工作性能。由于在实际的应用中存在各种噪声，为了模拟真实的涡街信号，先在Matlab中产生混有噪声的正弦信号，然后，利用AFG3101的任意波形输出功能，将该信号输出。为严格考核，选择正弦信号为主信号，其频率全部位于带通滤波器组相邻通带的过渡带上（频率覆盖部分）；在噪声的选择上，考虑到现场的主要噪声为50Hz工频及其谐波、低频管道振动、系统固有频率（高频）和白噪声，选择50、150、20、4000Hz正弦波和白噪声作为噪声，叠加在主信号上。因此，信号发生器输出信号的表达式为
测试结果如表4所示。
5 结束语
研制了以MSP430单片机为核心的涡街流量计信号处理系统，采用数字频谱分析与模拟带通滤波相结合的方式，处理涡街流量传感器输出信号，与传统的涡街信号处理方法相比，引入了数字信号处理方法，在硬件上进行分段滤波，增强了系统的抗噪声能力，大大提高频率测量的精度。
采用低功耗设计，使得整个系统在全速工作时对电流的消耗不超过4mA，满足工业现场两线制4～20mA电流传输要求；同时系统配有LCD和键盘，可将流量信息实时就地显示，系统参数可根据需要实时修改。
经过实验和测试，频谱分析精度满足通道选择要求；峰值检测和放大倍数调整及时准确；系统功耗低，满足传输标准要求；系统抗噪能力强、测量精度高、输出稳定可靠。
研究的涡街信号处理方式和研制的涡街流量计数字信号处理系统，成本低，具有良好是可推广性。
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