1 引 言
涡街流量计因其介质适应性强、无可动部件、结构简单等优点,在许多行业得到了广泛应用。普通的涡街流量计采用模拟信号处理方法,抗干扰能力差,实际测量下限达不到其理论值(涡街频率的变化范围一般为1~2 500 Hz[1])。目前,关于涡街的抗震性及抗噪方面的研究取得了一些进步[2,3],但在低信噪比情况下信号的谱线出现谱线分裂和频率偏移现象,会导致频率分辨率下降[4],给涡街在低流速下的测量造成了困难。
针对涡街在低流速测量方面存在的问题,研发了一套基于双核技术的数字涡街流量计信号处理系统。信号处理采用松弛陷波周期图法[5],可以有效地克服低流速下涡街分辨率下降的问题。DSP与单片机相结合的双核技术的采用,集单片机的强大控制功能、DSP强大的计算能力及其低功耗特性于一体,构建了一套低功耗数字涡街信号处理系统,很好地解决了涡街流量计的测量问题。
2 系统概述
2.1 系统组成
系统基本结构如图1所示,整个系统主要分为三大部分:模拟信号预处理电路、控制及信号远传电路(以MSP430为核心)和数字信号处理电路(以DSP为核心)。
2.2 系统设计思想
系统的整体设计从抗干扰和低功耗两个角度出发。在解决抗干扰问题上,越来越多的设计者采用了数字信号处理的方法,文献[6]介绍了一些以DSP为核心的单一处理器的数字涡街,从设计的角度看,这种单处理器需要同时完成控制外围电路和大量计算的任务,但是绝大多数嵌入式应用的微处理器都是单线程工作的,且DSP控制功能不够强大,这导致系统很容易由于中断过多而造成流程上的冲突,而使系统的实时性和可靠性大打折扣;同时DSP本身集成的功能模块较少,需要外扩大量外围设备,因此本设计中采取了基于单片机和DSP相结合的双核技术来解决这一问题。
在解决低功耗的要求上,本设计从两方面解决这个问题,一方面尽量降低独立元件的功耗;一方面尽量减少器件个数。选用的DSP和单片机都是同类产品中超低功耗型号,系统的外围芯片均为低功耗器件;同时系统设计中通过充分利用MSP430单片机的高集成度和DSP的HPI接口的强大功能,省去了需要外接的12位A/D和用于存放DSP程序的FlashROM。
这样,以DSP与MSP430相结合的双核技术的采用,集合了MSP430强大的控制功能(12位A/D、现场显示、数据远传、参数设置、通讯等功能)、DSP的强大的数据处理能力(处理能力160 MIPS)及它们的超低功耗特性于一体。
3 硬件电路设计
3.1 模拟信号预处理电路
模拟信号预处理电路包括电荷放大器、差动放大器和抗混迭滤波器。涡街传感头输出的信号是微弱的含有各种噪声的电荷信号。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三方面的处理:①通过输入级的电荷放大器将涡街传感头压电检测元件输出的交变电荷信号转换为电压信号;②通过差动放大器和其它级电路的放大功能实现了交变信号的幅值放大;③通过抗混叠滤波器实现了信号ADC(模数转换)之前的抗混迭滤波。
3.2 控制及远传电路
控制及远传电路以MSP430F149单片机为核心,实现了数据采集、数据传输(包括与DSP间的数据传输和数字信号的远传)、显示、参数设置等功能。MSP430F149内部集成的12位A/D实现了高精度的实时数据采集,丰富的外部接口实现了键盘的操作、HPI模拟时序、LCD显示及对外通讯的功能,键盘采用三个组合键设定参数的方式,可以设置仪表系数、管道直径、被测介质等参数;LCD采用双排显示,可以同时显示瞬时流量和累积流量;通讯接口可实现RS-232通讯。这种强大的控制功能是DSP无法替代的。
3.3 数字信号处理电路
数字信号处理电路以DSP为核心,MSP430为辅助的电路,DSP选用TMS320C5416(简称5416),它是一个工作灵活、高速、低功耗的16位定点通用DSP芯片,操作速率可达160 MIPS,能够完全满足系统的大计算量和实时性的要求。
DSP的数据来源于单片机的12位A/D采集到的数据,DSP与单片机之间通过主机接口(HPI)进行高速通讯,当DSP接收到了涡街信号的数据后,采用松弛陷波周期图法对信号进行数字信号处理,处理后的结果再传回单片机。DSP与单片机的HPI接口电路的连接示意图如图2所示。
HPI-8为8位并行口,它提供DSP与外部主机的接口,它可以使主机直接访问DSP所有RAM空间。将HPI接口这一特性应用到两个方面:①应用到DSP的Bootloader中,即把DSP的程序存放在单片机的Flash里(DSP中没有程序存储器),在系统启动时,将程序通过HPI口以Bootloader的方式从单片机写到DSP的RAM中去,启动DSP,使DSP开始正常的信号处理工作,这样节省了一片用于为DSP存放程序的Flash ROM(即单片机和DSP分享单片机中的Flash);②DSP通过单片机的12位A/D采集数据,即单片机用自身的12位A/D采集数据,然后通过HPI接口把数据传输到DSP的RAM中,DSP再进行数据处理,处理后的结果再传回到单片机,这样节省了一片A/D,从而也降低了功耗。
4 系统软件设计
系统的信号处理过程的整体流图如图3所示。
4.1 DSP部分的软件设计
首先使DSP的MP/MC管脚保持低电平,使DSP工作在HPI模式的Bootloader状态下,准备接收单片机传输的程序代码,程序传输完成后,Bootloader状态结束,DSP进入正常工作,向单片机发出开启A/D请求,准备接收单片机传来的涡街信号数据,接收到数据后,对接受到的数据进行数字信号处理,将处理结果通过HPI口传回单片机。DSP部分的软件设计流程图如图4所示。
DSP的核心算法采用松弛陷波周期图法,它是基于周期图法的一种极大似然估计方法,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[7]。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,多谐波频率最大似然估计式为:
通过最大似然估计的公式,可以很明显地看出,这种估计是基于FFT变换的基础之上的,本系统中采用1 024点的FFT变换,作一次FFT变换需要计算5 120次的乘法和加法,这种计算量在单片机上实现是十分困难的,而在DSP上,是很容易实现的,5416的一个周期可以完成一次乘法和加法,并且5416的操作速率可高达160 MIPS,可以很容易地、实时完成这种大计算量的数据处理任务。
4.2 单片机部分的软件设计
单片机部分的任务是完成为DSP进行Bootload-er、数据采样、数据显示、存储及远传等功能。程序按照模块化设计思想设计,主要分为四大模块:数据采样程序、HPI通讯程序、液晶显示程序、存储及远传程序。
程序设计中,利用了MSP430的低功耗特点,在主程序中,对相应的标志位进行判断,由判断得到的结果来决定程序的执行情况,然后再返回低功耗模式。所有子程序模块都设计为一个中断服务程序,所有程序都是通过中断唤醒来执行,由中断返回后进入低功耗模式。主程序流程图如图5所示。
5 实验分析
实验是在25 mm口径的水流量装置上进行的,标准表是10 mm和15 mm口径的涡轮流量计,流量计1为本文所介绍的数字涡街流量计,流量计2为普通涡街流量计,将二者作一比较,实验装置原理如图6所示。
实验数据表明,数字涡街能够有效地从低信噪比的信号中准确地提取涡街频率信号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25 mm口径的涡街流量计为例,采用传统的模拟方法处理信号的普通涡街量程一般为1.6~16 m3/h(量程比为1∶10),此时涡街频率约为35~350Hz,这样只能覆盖很小一部分的涡街信号频带。实验表明,本系统可以准确测量从7~350Hz的涡街信号,使量程比到达1∶50。表1列出低频段的实验数据。
数据表中列出12个流量点的数据(在25 mm口径的管道上),每一个点测五次。由于该涡街流量计为智能化仪表,可以进行非线性修正,所以在此不考虑测量的线性度问题,只关注测量的重复性,根据《中华人民共和国国家计量检定规程》中规定,重复性的公式为:
可见,重复性的值越小说明测量的精度越高。
由表1的实验结果可以得出以下两个结论:
结论一,本系统(在25 mm口径的管道上)可以准确测量频率在7 Hz左右的涡街信号,接近了理论上的下限值,并且把涡街流量计的量程范围从传统的1∶10扩大到了1∶50左右,所以本系统在扩大涡街流量计的量程比的方面是卓有成效的。
结论二,从实验数据得出流量与平均仪表系数之间的关系(见图7),很明显,在小流量下(雷诺数低于4.5×103),仪表系数存在着弱非线性的特性。
从流体力学理论上讲,雷诺数在3×102~3×105范围内仪表系数基本上是一个常数,但是涡街流量计实际测量过程中,测得的是管道中心流速,而管道内流体速度剖面分布不是一个平面,所以涡街测量的流速不是管道内流体的平均流速,因此仪表系数存在着弱非线性特性。在表1中平均仪表系数浮动了0.96%,这样势必会给测量带来误差,所以引入了仪表系数非线性补偿方法[8],可以简单而精确地得到低流速下的管道中的流量值。
6 结束语
实验结果表明,DSP与MSP430相结合的双核式低功耗数字涡街流量计可以有效地扩大涡街的量程比,滤除各种现场的随机噪声及干扰,特别是对强脉冲干扰有着很好的效果。双核技术的采用,使系统运行的实时性和稳定性大大增强。该系统具有很好的应用前景。
[参考文献]
[1] 徐科军,等.基于小波变换的涡街流量计信号处理方法[J].仪器仪表学报,2001,22(6):636.
[2] 薛润林,等.涡街流量计防振措施的探讨[J].化工自动化及仪表,2001,28(3):69-72.
[3] 黄咏梅,等.用简单整系数滤波器处理涡街信号的方法[J].化工自动化及仪表,2002,29(6):55-57.
[4] 毕厚馥.功率谱估计[J].华东师范大学学报(自然科学报),1991,(3):44-50.
[5] 凌 箐.涡街流量计信号处理的松弛陷波周期图法[D].天津:天津大学研究生院,2002.
[6] 徐科军,等.基于DSP、具有谱分析功能的涡街流量计信号处理系统[J].仪器仪表学报,2001,22(3):255.
[7] Liu Z S,Li J,Petre S.Relax-based Estimation of Damped SinusoidalSignal Parameters[J].Signal Processing,1997,62:311-321.
[8] 张 涛,等.具有仪表系数非线性补偿功能的涡街流量变送器[J].化工自动化及仪表,1999,26(4):46-48.
