基于ＤＳＰ的低成本智能涡街流量计信号处理系统，其特征是由模拟信号调理模块、ＤＳＰ芯片及外扩ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、低电压监测电路、ＬＣＤ显示、键盘输入、模拟量输出、脉冲输出及电源管理模块组成；本发明专利技术系统采用周期图谱分析与数字滤波相结合的方法，处理涡街流量传感器的输出信号，在现场有管道振动和流体流场不稳定的情况下，准确测量流体的流量。该系统体积小、成本低、功能齐全。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种流量测量仪表，特别是一种以数字信号处理器(DSP)为核心、周期图谱分析与数字滤波相结合的低成本的涡街流量计信号处理系统。
技术介绍
涡街流量计因其测量部分无可动部件，磨损、压损小，理想量程比大，可测流体介质多，在流体流量测量领域应用广泛。但是，涡街流量传感器易受流体脉动、管道或其它振动源的影响，传统的信号处理方法，即放大、整形、滤波、计数不能有效地抑制噪声，所以测量精度不高；为了抑制噪声所设的门槛电平会影响量程比，导致无法测量小流量；对于不同量程、不同的被测流体，传统的信号处理系统需要更换不同的处理电路和参数。为此，国内外不少研究者对涡街流量计信号处理做了许多研究，并研制相应的系统。国外SCHLATTER，Gerald，L.对强噪声情况下的涡街传感器输出信号进行了研究，发现噪声信号和涡街信号频谱特性不同，可以对噪声和信号建立不同的模板，从而提出利用频域转换和互相关功率谱结果，根据建立的噪声模版和涡街信号模板消除信号中的强噪声(“Signal processing method and apparatus for flowmeter”，WO 90/04230，19April1990)。但是，噪声情况复杂，建立模板不易，实际应用困难。美国Foxboro公司采用两组滤波器来处理涡街传感器信号一组为即时的自适应带通滤波器，另一组为非即时的可调带通滤波器(“Adaptive filter with sweep filteranalyzer for a vortex flowmeter”，US6212975，10April 2001)。对于混有噪声的涡街流量传感器信号，同时分成两路进行处理。一路用自适应带通滤波器跟踪其涡街频率，滤掉噪声，得到流量；另一路用可调带通滤波器检测信号中噪声情况，观察流体流动状态，若发现异常情况就报警。在用自适应带通滤波器处理涡街信号时，必须先要知道当前涡街频率的具体范围，才能确定滤波器的参数，而涡街频率变化的范围较宽，当流量变化较大时，滤波器参数的配置需要较长时间或者配置不当，造成测量误差。日本Yokogawa(横河)公司研究先做谱分析再带通滤波的方法处理涡街信号，即先对涡街信号进行谱分析，确定当前涡街频率的大致位置；再选择相应的带通滤波器进行滤波(“VORTEX FLOWMETER”，JP2001153698，08 June 2001)。没有考虑到当气体流量大时，管道振动造成传感器信号出现较强的低频噪声干扰，这将使谱分析结果出错。国内重庆大学蒙建波等介绍采用基于最小均方自适应算法的现代谱分析处理流量信号(自动化学报，1992，18(3)362-366“自适应频率测量方法(AMF)在涡街流量计中的应用”)。由漩涡发生体、热线探针、前置处理电路和APPLE微机构成测量系统，验证了谱分析方法用于涡街流量计信号的处理的可行性。但是，没有研究计算的精度、实时性和小型化等关键技术问题，没有应用于实际的流量计中。此外，我们研究表明，这种方法对谐波干扰的抑制能力较差。合肥工业大学徐科军等分别采用周期图谱分析方法、基于Burg的现代谱分析方法、自适应陷波滤波方法和小波变换方法对涡街流量传感器的信号进行处理(仪表技术与传感器，1995，(5)22-25“涡街流量计信号处理的软件方法”；仪器仪表学报，2000，21(2)222-224“涡街流量计信号估计的自适应陷波方法”；仪器仪表学报，2001，22(3)255-260“基于DSP具有谱分析功能的涡街流量计信号处理系统”；仪器仪表学报，2001，22(6)636-639“基于小波变换的涡街流量计信号处理方法”)，并且选用ADSP2181作为微处理器，以周期图谱分析为核心算法，研制了涡街流量计数字信号处理系统(“涡街流量计数字信号处理系统”，中国专利技术专利，专利号ZL99101209.7，申请日1999.1.8，授权公告日2003.4.2)。该系统通过了安徽省流量仪表计量检定站的测试，结果证明谱分析方法可提高抑制噪声的能力和扩大量程比。但是，该系统器件较多，控制较复杂，体积偏大，与实际推广应用还有一定差距。天津大学张涛和段瑞峰等采用松弛陷波周期图谱方法分析涡街流量计信号，拓展流量计量程下限，并且以该算法为核心，研制了基于DSP和MSP430相结合的双核结构数字信号处理系统(“低功耗数字式涡街流量计”，中国专利，申请号200410019008.9，申请日2004.4.14)。双核结构的涡街流量计数字信号处理系统利用MSP430单片机的控制能力，实现数据的采样和系统外设的控制；DSP利用其HPI口接收MSP430采集的数据，进行信号处理，再将结果送回MSP430。该系统结构较复杂，成本较高。中南大学喻海清和黎亚龙采用自适应陷波滤波方法估计涡街频率，选用TMS320LF2407A为处理器，设计了涡街流量计数字信号处理系统的硬件框图和软件流程图(计算技术与自动化，2001，20(3)159-162“基于DSP的涡街流量计信号处理系统的设计”)。但是，论文中没有给出算法的计算结果、系统的具体实现方案、实验测试结果以及系统的性能指标。
技术实现思路
本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种体积小、成本低、功能齐全的基于DSP的低成本智能涡街流量计信号处理系统，以数字信号处理器为核心的、采用周期图谱分析与数字滤波相结合，处理涡街传感器的输出信号以及温度和压力传感器的信号，在现场有管道振动和流体流场不稳定的情况下，准确测量流体的流量。本专利技术解决技术问题的系统特点是由模拟信号调理模块、DSP芯片及外扩RAM、EEPROM、低电压监测电路、LCD显示、键盘输入、模拟量输出、脉冲输出及电源管理模块组成；所述系统接受传感单元输出的温度、压力及流量检测信号并经所述模拟信号调理模块处理后送到所述DSP；由所述DSP利用其内部集成的A/D转换模块和环形数据缓冲区对所述三路电信号进行定时采样、定时计算、边采样边计算；所述DSP对其采样得到的可能混有由干扰引起的噪声的流量传感器信号进行数字滤波，再采用周期图谱分析方法对滤波后的数据进行谱分析和频谱校正；根据多次计算结果进行平均，确定出最大功率谱值，得到它所对应的频率，即为信号的频率；再根据仪表系数和通过温度、压力补偿，实时计算得出瞬时流量和累积流量；所述DSP利用其内部定时器比较输出功能将瞬时流量数据以脉冲形式由脉冲输出单元输出；所述DSP利用其内部集成的SPI模块将瞬时流量数据发送给所述模拟量输出单元，以4～20mA电流的模拟量形式输出；所述的DSP将瞬时流量、累积流量、温度和压力显示在所述的LCD上；通过键盘进行设置的包括有仪表系数、系统采样频率、采样点数、多次谱分析的平均次数、数字滤波器系数；由所述EEPROM保存所述键盘输入的仪表系数和计算出的累积流量；所述低电压监测电路负责在系统掉电时向所述DSP提出中断请求，并在系统完全掉电之前将测量结果保存于所述EEPROM中。本专利技术系统特点也在于利用所述DSP芯片内部定时器的周期中断，实现对所述温度、压力和流量信号的定时采样，采样得到的数据放入环形数据缓冲区内，并且定时对采样得到的流量信号进行所述的功率谱分析，边计算边采样，相邻两次分析处理的流量数据部分重本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于ＤＳＰ的低成本智能涡街流量计信号处理系统，其特征是由模拟信号调理模块、ＤＳＰ芯片及外扩ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、低电压监测电路、ＬＣＤ显示、键盘输入、模拟量输出、脉冲输出及电源管理模块组成；所述系统接受传感单元输出的温度、压力及流量检测信号并经所述模拟信号调理模块处理后送到所述ＤＳＰ；由所述ＤＳＰ利用其内部集成的Ａ／Ｄ转换模块和环形数据缓冲区对所述三路电信号进行定时采样、定时计算、边采样边计算；所述ＤＳＰ对其采样得到的可能混有由干扰引起的噪声的流量传感器信号进行数字滤波，再采用周期图谱分析方法对滤波后的数据进行谱分析和频谱校正；根据多次计算结果进行平均，确定出最大功率谱值，得到它所对应的频率，即为信号的频率；再根据仪表系数和通过温度、压力补偿，实时计算得出瞬时流量和累积流量；所述ＤＳＰ利用其内部定时器比较输出功能将瞬时流量数据以脉冲形式由脉冲输出单元输出；所述ＤＳＰ利用其内部集成的ＳＰＩ模块将瞬时流量数据发送给所述模拟量输出单元，以４～２０ｍＡ电流的模拟量形式输出；所述的ＤＳＰ将瞬时流量、累积流量、温度和压力显示在所述的ＬＣＤ上；通过键盘进行设置的包括有仪表系数、系统采样频率、采样点数、多次谱分析的平均次数、数字滤波器系数；由所述ＥＥＰＲＯＭ保存所述键盘输入的仪表系数和计算出的累积流量；所述低电压监测电路负责在系统掉电时向所述ＤＳＰ提出中断请求，并在系统完全掉电之前将测量结果保存于所述ＥＥＰＲＯＭ中。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，王肖芬，陈智渊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
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