低功耗数字式涡街流量计制造技术

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。采用嵌入式微控制器ＭＣＵ与ＤＳＰ组成双核心中央处理单元，信号在ＭＣＵ中进行模数转换后经由主机接口传入ＤＳＰ，处理后的数据再经ＨＰＩ接口传回ＭＣＵ中，由微控制器完成显示、控制、存储及远传功能。本实用新型专利技术能在强噪声背景中，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、气液更换电路的矛盾。可准确测量流速从０．１８ｍ／ｓ～６．２２ｍ／ｓ的涡街信号，使量程比到达１∶３５，可以准确测量到雷诺数为４．９０×１０↑［３］的涡街信号，基本上接近了理论上的下限值。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于仪器仪表领域，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，用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，产生错误的测量结果。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。为了解决这一问题，本技术提供了新的涡街流量计，可有效提高信号的质量。
技术实现思路
本技术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Flash ROM单元中存储。本技术的硬件框图如图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，本技术设计利用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，应用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≤εω(fi)＝]TX——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复频率和复幅值的最大似然估计见下式f^k=maxf1N|Σn=0N-1exp(-2πfn)xk(n)|2]]>α^k=1NΣn=0N-1exp(-j2πf^kn)xk(n)]]>N——采样数； ——k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；k——k次谐波幅值的最大似然估计；n＝0、1、…、N-1。本技术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，本技术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，本技术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。本技术的应用实例可以准确测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征是流量信号经涡街传感头（１）接入模拟信号预处理电路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），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，实现数据在ＭＣＵ和ＤＳＰ（６）之间互传，并将存储于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，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），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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，孙宏军，段瑞峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：实用新型
国别省市：12[中国|天津]