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      渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號(hào):6138822閱讀:261來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種流量測(cè)量?jī)x表,特別是一種以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心、具有譜分析功能的渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)。
      渦街流量計(jì)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,其優(yōu)點(diǎn)是一次儀表內(nèi)無(wú)活動(dòng)部件,使用壽命長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定精度較高,可直接輸出數(shù)字信號(hào)等。但是,它也存在以下缺點(diǎn)(1)易受噪聲干擾。其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定精度和技術(shù)指標(biāo)。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的干擾主要來(lái)自流場(chǎng)的不穩(wěn)定,由于各種原因引起的管道振動(dòng),共模壓力變化和空氣噪聲等。而目前渦街流量計(jì)所采用的放大、濾波、整形和計(jì)數(shù)的信號(hào)處理方法,抗干擾能力較差。(2)理論上,渦街流量計(jì)的量程比為100∶1,但由于小信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生信號(hào)微弱,易被噪聲淹沒或難以與噪聲區(qū)別,而目前的信號(hào)處理方法對(duì)此無(wú)能為力,故通過(guò)限制測(cè)量范圍,犧牲量程比來(lái)解決此問(wèn)題。因此,目前的實(shí)際量程比是10∶1,小流量無(wú)法測(cè)量。(3)不同口徑的渦街流量計(jì)要配不同的處理電路。(4)測(cè)量氣體和液體也要配不同的處理電路。
      國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)蒙建波等介紹采用基于最小均方自適應(yīng)算法的現(xiàn)代譜分析處理流量信號(hào)(自動(dòng)化學(xué)報(bào),1992,18(3)362-366“自適應(yīng)頻率測(cè)量方法(AMF)在渦街流量計(jì)中的應(yīng)用”)。由漩渦發(fā)生體、熱線探針、前置處理電路和APPLE微機(jī)構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng),驗(yàn)證了譜分析方法用于渦街流量計(jì)信號(hào)的處理的可行性。但是,沒有研究計(jì)算的精度、實(shí)時(shí)性和小型化等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,沒有應(yīng)用于實(shí)際的流量計(jì)中。此外,我們研究表明,這種方法對(duì)諧波干擾的抑制能力較差。
      合肥工業(yè)大學(xué)徐科軍等分別對(duì)基于FFT的經(jīng)典譜分析和基于Burg的現(xiàn)代譜分析方法用于渦街流量計(jì)的信號(hào)處理進(jìn)行了仿真研究(儀表技術(shù)與傳感器,1995,(5)22-25“渦街流量計(jì)信號(hào)處理的軟件方法”)。但是,沒有深入考慮實(shí)用中擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題,也沒有研制相應(yīng)的系統(tǒng)。
      國(guó)外SCHLATTER,Gerald,L.提出在建立噪聲模板和信號(hào)模板的基礎(chǔ)上,用頻域轉(zhuǎn)換和互相關(guān)功率譜相結(jié)合的方法來(lái)消除渦街流量計(jì)中的強(qiáng)噪聲(“Signalprocessing method and apparantus for flowmeter“,WO 90/04230,19 April 1990)。但是,噪聲情況各種各樣,不易獲得噪聲的所有模板。并且,專利沒有說(shuō)明如何建立信號(hào)和噪聲的模板。
      本發(fā)明的目的是提供一種以DSP為核心的、基于FFT的、具有功率譜分析功能的渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng),處理流量計(jì)中傳感器輸出信號(hào),在現(xiàn)場(chǎng)有干擾的情況下,也能測(cè)準(zhǔn)流量信號(hào)的頻率,保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度。并且,擴(kuò)展量程比,實(shí)現(xiàn)小流量測(cè)量。還解決不同口徑、氣液要選配不同電路的問(wèn)題。
      本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的,采用了如下技術(shù)方案。該系統(tǒng)由ADSP2181(AD公司的DSP芯片)處理器、前向輸入通道、模擬量輸出電路、鍵盤輸入電路、保護(hù)電路、串行通信接口、液晶顯示(LCD)以及軟件組成。前向輸入通道由電荷放大器、程控放大器、低高濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。鍵盤輸入完成對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、顯示內(nèi)容選擇的功能。串行通信接口使系統(tǒng)可以和微機(jī)或單片機(jī)進(jìn)行通信。本發(fā)明以ADSP2181為處理核心,采用基于FFT的功率譜分析方法,處理流量計(jì)信號(hào),計(jì)算出頻率值,從而得到準(zhǔn)確的體積流量。
      流量計(jì)中的傳感器(例如,壓電傳感器)將所感受到流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào);壓電傳感器的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器、程控放大器、低高濾波器,送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;ADSP2181根據(jù)采樣頻率定時(shí)啟動(dòng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換結(jié)束之后,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器向ADSP2181發(fā)出中斷請(qǐng)求。ADSP2181接受中斷請(qǐng)求,讀入采樣數(shù)據(jù),送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。ADSP2181利用FFT將采樣數(shù)據(jù)變換到頻域,求出各個(gè)頻率上的功率譜;在進(jìn)行多次平均的基礎(chǔ)上,對(duì)功率譜值進(jìn)行比較,確定出最大功率譜值和它所對(duì)應(yīng)的頻率,即為信號(hào)的頻率。ADSP2181定時(shí)計(jì)算信號(hào)頻率,再根據(jù)儀表參數(shù)和通過(guò)溫度、壓力等補(bǔ)償,可以得到瞬時(shí)流量值、流量信號(hào)頻率值,進(jìn)而得到流量等流量參數(shù)。送入指定數(shù)據(jù)緩沖區(qū),供LCD顯示、模擬量輸出等。也可通過(guò)積算,給出累積流量。
      本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于處理系統(tǒng)具有窄帶濾波功能,有效地抑制了流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中必然存在的流體振動(dòng)、管道振動(dòng)、共模壓力變化和聲波噪聲等干擾,提高儀表抗干擾性能,保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度,實(shí)現(xiàn)小流量測(cè)量,擴(kuò)大量程比;處理系統(tǒng)采用了DSP和相應(yīng)的軟件措施,保證了處理的實(shí)時(shí)性;處理系統(tǒng)適用不同口徑和不同密度的一次儀表。
      下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。


      圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的硬件框圖,系統(tǒng)由ADSP2181處理器、前向輸入通道、模擬量輸出、鍵盤輸入、保護(hù)電路、串行通信接口和LCD顯示組成。
      圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖,包括電荷放大器、程控放大器、低高濾波器、為了接受壓力和溫度變送器的輸出信號(hào)而設(shè)置的轉(zhuǎn)換電路、發(fā)光二極管指示電路。
      圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖,包括由ADSP2181處理器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、4~20mA模擬量輸出電路、鍵盤輸入電路、保護(hù)電路、EPROM和邏輯控制電路。
      圖4是本發(fā)明系統(tǒng)的部分硬件原理圖,包括串行通信接口、LCD顯示電路。
      圖5是本發(fā)明系統(tǒng)的軟件框圖。
      圖6是本發(fā)明的監(jiān)控程序流程圖。
      渦街流量計(jì)是利用流體動(dòng)力學(xué)中卡門旋渦列的原理制成的。在儀表的管道中安裝漩渦發(fā)生體,就會(huì)在其下游兩側(cè)產(chǎn)生兩列有規(guī)律的旋渦,其振動(dòng)頻率與流量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,即Q=k*f (1)式中,Q為體積流量,k為儀表系數(shù),f為旋渦頻率。
      安裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)的傳感器(例如,壓電傳感器)將振動(dòng)信號(hào)拾取出來(lái),轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。傳感器輸出信號(hào)近似為正弦波,含有各種噪聲。該信號(hào)的特點(diǎn)是幅值小(毫伏級(jí)),且壓電傳感器的內(nèi)阻很大。因此,用電荷放大器處理信號(hào)的前置放大器要進(jìn)行阻抗變換,將傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗,同時(shí),對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。電荷放大器如圖2所示。運(yùn)放選用高輸入阻抗運(yùn)放OPA602,C102為反饋電容,R102為反饋電阻。C100、R101為輸入回路電阻和電容,C101、R103為平衡電容、電阻??烧{(diào)電阻VR1為放大器的調(diào)零電位器。傳感器的信號(hào)線要屏蔽,屏蔽層的一端接儀表的外殼,一端在放大器端接地。
      考慮到電荷放大器的幅頻特性不平坦,其放大倍數(shù)隨輸入信號(hào)的頻率變化而變化,而信號(hào)的頻率與流體的流量成正比,流量變化范圍很大,因而,信號(hào)幅值變化很大;同時(shí),為了將信號(hào)放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程,充分利用其轉(zhuǎn)換精度,在電荷放大器之后加入程控放大器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。程控放大電路如圖2。選用AD公司的程控放大器AD526(可調(diào)放大倍數(shù)為1,2,4,8,16)和BB公司的程控放大器PGA103(可調(diào)放大倍數(shù)為1,10,100),兩個(gè)程控放大器級(jí)聯(lián)使放大倍數(shù)調(diào)整范圍為1~1600。FOUT0~FOUT7為74373的鎖存輸出,74373鎖存ADSP2181從數(shù)據(jù)總線傳送的控制信號(hào),給程控放大器提供適當(dāng)?shù)目刂齐娖?。OPA602連接在PGA103的接地管腳,以保證對(duì)地的低阻抗,以保證放大精度。
      為了消除高頻干擾和防止數(shù)字信號(hào)處理時(shí)出現(xiàn)混迭現(xiàn)象,將程控放大器的輸出信號(hào)接入一個(gè)二階有源二階抗混疊低通濾波器。高通濾波器緊接在低通濾波器之后,減少直流漂移的影響。運(yùn)放OP2選擇OP285,OP285為雙運(yùn)放,OP2A為低通濾波器,截止頻率為w=1R130*R133*C130*C131*,]]>低通濾波電路的放大倍數(shù)為1+
      。OP2B為高通濾波器,其截止頻率為&omega;=1R136*R134*C132*C133,]]>高通濾波器的截止頻率比電荷放大器的截止頻率小。高通濾波電路的放大倍數(shù)為1。
      經(jīng)過(guò)高通濾波之后,信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過(guò)A/D之后,提交給ADSP2181進(jìn)行處理。因?yàn)橐M(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償,系統(tǒng)接收壓力、溫度變送器4~20mA DC信號(hào),經(jīng)過(guò)RCV420(精密的4~20mA環(huán)路電流接收器)將4~20mA DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5V電壓信號(hào),送到A/D轉(zhuǎn)換器,如圖2和圖3所示。
      A/D轉(zhuǎn)換器要進(jìn)行3路信號(hào)的轉(zhuǎn)換,選用BB公司的ADS7824,它內(nèi)部帶4路多路開關(guān)、采樣保持器、2.5V基準(zhǔn)源,輸入信號(hào)的范圍為-10~+10V,如圖3所示。由AD公司的DSP芯片ADSP2181的3根地址線A1,A2,A3和輸入輸出寄存器選擇線IOMS經(jīng)過(guò)譯碼器74HC138,形成AD7824的片選信號(hào)CS。ADSP2181的I/O口PF0和PF1控制ADS7824將要轉(zhuǎn)換哪一路信號(hào),輸出口FL1指定ADS7824輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高四位或低八位。PF2控制ADS7824讀/轉(zhuǎn)換信號(hào)。當(dāng)ADS7824轉(zhuǎn)換結(jié)束,BUSY信號(hào)變高,經(jīng)過(guò)一非門向ADSP2181發(fā)中斷信號(hào)。ADSP2181接收中斷信號(hào),在中斷允許的情況下,轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序,讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),放入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū),以供處理。
      選用DSP作為流量計(jì)處理系統(tǒng)的核心。DSP體積小,運(yùn)算速度快,指令周期是ns級(jí)的,且為并行處理方式,一條指令就可以完成一次乘法操作或移位運(yùn)算,還有多功能指令,完全可以在ms級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成信號(hào)的數(shù)字處理。DSP主要有兩大系列TMS320和ADSP。從運(yùn)算能力、片內(nèi)存儲(chǔ)量、程序編程和體積等幾個(gè)方面,對(duì)它們進(jìn)行比較,選用ADSP中的定點(diǎn)系列的ADSP2181為處理器。它內(nèi)部有倍頻電路,外接晶振頻率低,工作可靠,內(nèi)部有16K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和16K程序存儲(chǔ)器,不須外接高速RAM,體積小,指令周期為30ns,比同檔次的DSP芯片運(yùn)算速度快。
      ADSP2181內(nèi)部程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線(24位)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線(16位)在外部結(jié)合成24位的外部數(shù)據(jù)總線。外部數(shù)據(jù)總線的高16位與16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線相連。因此,在ADSP2181和外部設(shè)備進(jìn)行連接時(shí),應(yīng)將外部設(shè)備的數(shù)據(jù)線和ADSP2181外部數(shù)據(jù)線的低12位相連接ADS7824的DB0~DB11接至ADSP2181的DB8~DB19。ADS7824與ADSP2181之間的通信方式為中斷方式。ADSP2181根據(jù)采樣頻率設(shè)置定時(shí)器,在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)ADS7824。ADS7824在轉(zhuǎn)換結(jié)束之后,向ADSP2181發(fā)出中斷請(qǐng)求。ADSP2181在中斷服務(wù)程序中讀入采樣數(shù)據(jù),放在環(huán)形隊(duì)列數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。ADSP2181對(duì)其進(jìn)行數(shù)字處理。
      本發(fā)明從采樣要求、計(jì)算精度、對(duì)噪聲的抑制能力和實(shí)時(shí)性等方面,對(duì)基于伯格(BURG)算法為代表的現(xiàn)代譜分析方法和基于FFT的經(jīng)典譜分析方法進(jìn)行比較。基于FFT的譜分析方法對(duì)長(zhǎng)序列的計(jì)算精度高,對(duì)諧波的抑制能力強(qiáng),處理非過(guò)零采樣的數(shù)據(jù),計(jì)算精度不受影響;基于BURG算法的譜分析方法適用于短序列的分析,分辨率較高。對(duì)兩種方法進(jìn)行仿真之后,發(fā)現(xiàn)BURG算法抑制隨機(jī)噪聲能力強(qiáng),但抑制確定性噪聲,如渦街產(chǎn)生的低頻擺動(dòng)噪聲能力比FFT差,而選用的信號(hào)處理器ADSP2181可以在毫秒級(jí)完成4096點(diǎn)的FFT計(jì)算。因此,本發(fā)明采用基于FFT的功率譜分析方法,并采取一系列措施,有效地解決了該數(shù)字信號(hào)處理方法在應(yīng)用中存在的計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性這兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題。當(dāng)采樣為非整周期采樣時(shí),F(xiàn)FT的計(jì)算誤差小于或等于頻率分辨率的二分之一。所以,采用合適的頻率分辨率來(lái)控制非整周期采樣造成的誤差。并且,在頻域內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟逯?,進(jìn)一步提高測(cè)量精度。
      測(cè)量分辨率為|f0-f&prime;|&lt;fd=fsN----(2)]]>式中,f0為信號(hào)頻率,f′為測(cè)量到的信號(hào)頻率,fd為頻率分辨率,fs為采樣頻率,N為采樣點(diǎn)數(shù)。
      測(cè)量相對(duì)誤差為|f0-f&prime;|f0=fsf0*N-------(3)]]>為了提高測(cè)量精度,希望降低采樣頻率,增加采樣點(diǎn)數(shù)。但是,采樣頻率的減小是有限度的,采樣頻率要滿足采樣定理,大于最高信號(hào)頻率的兩倍以上。點(diǎn)數(shù)增加則增大計(jì)算量,增大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。在采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)一定的情況下,信號(hào)頻率越低,測(cè)量誤差越大。若在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)用同一采樣頻率,計(jì)算精度由信號(hào)最低頻率時(shí)的精度所決定。在采樣頻率不能減小的情況下,為滿足計(jì)算精度只能增大采樣點(diǎn)數(shù)。但是,信號(hào)的頻率范圍很寬(例如,10~2600HZ),這樣采樣點(diǎn)數(shù)要很多。為了減少采樣點(diǎn)數(shù)而同時(shí)滿足計(jì)算精度,分段設(shè)置采樣頻率。分段的原則是(1)確定采樣點(diǎn)數(shù);(2)采樣頻率要滿足采樣定理;(3)滿足精度要求;(4)頻率段之間有覆蓋段。根據(jù)以上原則,確定采樣點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn),計(jì)算精度優(yōu)于0.2%,分12個(gè)頻率段設(shè)置采樣頻率,最低采樣頻率為150HZ,最高采樣頻率為7500HZ。進(jìn)行采樣頻率切換后,由于采樣頻率發(fā)生變化,應(yīng)丟棄環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中原來(lái)的數(shù)據(jù),重新進(jìn)行采樣。在運(yùn)用中,為了避免頻繁切換采樣頻率,頻率段之間應(yīng)有覆蓋段。
      當(dāng)最低采樣頻率為150HZ時(shí),要采樣4096點(diǎn),需要27.31秒。若每次要采樣完4096后再進(jìn)行計(jì)算,則最多要27.31秒才計(jì)算一次,必不能滿足要求。因此,定時(shí)計(jì)算,邊計(jì)算邊采樣,設(shè)置4K的片內(nèi)RAM作為環(huán)形隊(duì)列數(shù)據(jù)緩沖區(qū),將最新采樣的數(shù)據(jù)刷新隊(duì)列里最老的數(shù)據(jù),每次計(jì)算都用最新采樣的4096點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。ADSP2181可以在毫秒級(jí)完成4096點(diǎn)的FFT計(jì)算,并且支持環(huán)形緩沖區(qū)??梢栽谥付ǖ囊欢螘r(shí)間(儀表顯示刷新時(shí)間)內(nèi)做若干次譜分析,例如在2秒中作16次譜分析,取其平均值后,送LCD顯示。
      當(dāng)信號(hào)頻率低于10Hz,如果用降低采樣頻率來(lái)保證計(jì)算精度,采樣時(shí)間會(huì)太長(zhǎng)。此時(shí),運(yùn)用頻域插值方法使計(jì)算精度優(yōu)于0.2%。用FFT進(jìn)行譜分析,得到的是離散功率譜,譜線間隔等于頻率分辨率。一般情況下,信號(hào)頻率不正好等于某一譜線,而是位于兩根譜線之間。用插值的方法進(jìn)行校正,可以提高計(jì)算精度。
      選用的LCD型號(hào)為DG12864。LCD有以下優(yōu)點(diǎn)低電壓工作,功耗小,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,平板顯示,器件體積小,屬于防爆型,可安裝在任何地方,光線強(qiáng)顯示清晰,可加背光源以適應(yīng)夜間工作。DG12864是全屏幕圖形點(diǎn)陣方式液晶顯示器,內(nèi)部帶控制器,驅(qū)動(dòng)器和LED背光板。只需輸入+5V電壓,無(wú)須輸入負(fù)電壓。LED背光板也只需+5V電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。DG12864與ADSP2181連接如圖3和圖4所示。DG12864的DB0~DB7連接至ADSP2181的DB8~DB15,DG12864的D/I、R/W、CS1、CS2、RST、E分別與ADSP2181的6個(gè)I/O口相連。它們將提供給DG12864相應(yīng)的讀寫、控制時(shí)序。由于DG12864的讀寫周期長(zhǎng),最少需要1μs,而ADSP2181的最長(zhǎng)讀/寫周期為240ns。在對(duì)DG12864進(jìn)行讀寫時(shí),禁止一切中斷,再將數(shù)據(jù)送上總線,延長(zhǎng)至DG12864已經(jīng)接收好數(shù)據(jù)或DG12864已經(jīng)將數(shù)據(jù)讀入之后再開中斷。由于啟動(dòng)ADS7824是在ADSP2181定時(shí)器中斷服務(wù)程序中進(jìn)行,禁止中斷會(huì)使定時(shí)器中斷請(qǐng)求1μs得不到響應(yīng),從而造成非均勻采樣。而ADS7824轉(zhuǎn)換時(shí)間的典型值為25μs,采樣數(shù)據(jù)的最高頻率為10KHZ,即采樣周期為1ms,相比之下,由于屏蔽中斷而造成的非均勻采樣可以忽略。
      保護(hù)電路由看門狗電路、EEPROM、低電壓檢測(cè)電路組成。設(shè)置看門狗電路以防止CPU在不正常工作下程序“跑飛”后不能恢復(fù)正常工作。在儀表工作時(shí),掉電時(shí)有發(fā)生。為了使儀表的參數(shù)在掉電時(shí)不致于丟失,導(dǎo)致重新設(shè)置參數(shù),加一串行EEPROM,保存儀表要設(shè)置的參數(shù)。低電壓檢測(cè)電路檢測(cè)系統(tǒng)電壓,使之免受低電壓狀況的影響。當(dāng)電壓降低到轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí),系統(tǒng)被復(fù)位,復(fù)位一直確保到電壓返回且穩(wěn)定為止。保護(hù)電路如圖3所示。選用芯片X25043,它把三種常見的功能看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)視和EEPROM組合在單個(gè)封裝內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)在超時(shí)周期之后仍未對(duì)X25043進(jìn)行任何操作,X25043將復(fù)位ADSP2181。超時(shí)周期可選100ms,600ms,1.4s,也可以禁止看門狗復(fù)位功能。利用X25043低Vcc檢測(cè)電路,可以保護(hù)系統(tǒng),使之免受低電壓狀況的影響。當(dāng)Vcc降低到轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí),系統(tǒng)被復(fù)位,復(fù)位一直確保到Vcc返回且穩(wěn)定為止。X25043與ADSP2181的連接如圖3。X25043的SCK,SI,SO,CS由ADSP2181的四個(gè)I/O口進(jìn)行控制,它們提供X25043所需要的讀、寫和控制時(shí)序。在RESET上有上拉電阻,這是因?yàn)閄25043有漏極開路輸出。在超時(shí)周期之后,若X25043的CS腳電平未發(fā)生任何變化,則復(fù)位ADSP2181。因此,在程序中應(yīng)加入改變I/O口FL0電平的程序段。ADSP2181共有十三個(gè)I/O口(包括SPORT1轉(zhuǎn)換特性的兩個(gè)I/口),X25043要用到四個(gè)I/O口,DG12864要用六個(gè)I/O口,為了避免擴(kuò)展I/O口,考慮到ADSP2181不會(huì)并行操作X25043和DG12864,可以采用I/O口復(fù)用。分別用兩個(gè)不同的I/O口作為兩個(gè)芯片的片選信號(hào),其他I/O口可以復(fù)用。
      模擬量輸出電路如圖3所示。AD421將輸出電流信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,直接輸出標(biāo)準(zhǔn)4~20mA環(huán)路電流。DN25用于驅(qū)動(dòng),抬高輸出電壓。AD421的DATA腳接至發(fā)送數(shù)據(jù)端DT0,為了使AD421和ADSP2181的接收和發(fā)送時(shí)序一致,將ADSP2181串行口的時(shí)鐘信號(hào)SCLK0、幀同步信號(hào)TFS0接非門后分別接至AD421的CLOCK、LATCH管腳。
      鍵盤接口電路如圖3所示。ADSP2181通過(guò)總線緩沖器74365定期讀取鍵值信號(hào)。鍵盤用四個(gè)鍵設(shè)定鍵、確認(rèn)鍵、↑鍵、↓鍵。采用一鍵多用及雙鍵復(fù)用技術(shù)使這四個(gè)鍵完成對(duì)參數(shù)設(shè)定、顯示內(nèi)容選擇的功能。這四個(gè)按鍵連接到總線緩沖器74HC365,由ADSP2181讀入74HC365的數(shù)據(jù)以確定是否有鍵按下。用軟件進(jìn)行“去抖”。儀表的顯示有兩種狀態(tài)顯示狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置狀態(tài)。在設(shè)置參數(shù)狀態(tài)下閃爍顯示。在顯示狀態(tài)下,儀表可以顯示流量、流速、信號(hào)頻率等。按↑鍵或↓鍵可以改變顯示內(nèi)容。按下設(shè)定鍵,進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)??梢栽O(shè)置密碼以確保參數(shù)的安全,以防參數(shù)被隨意修改而造成不良后果。進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定狀態(tài)后,連續(xù)按設(shè)定鍵可依次設(shè)定各個(gè)參數(shù),參數(shù)設(shè)定一輪結(jié)束,則自動(dòng)回到顯示狀態(tài),或同時(shí)按下設(shè)定鍵和確認(rèn)鍵,中止參數(shù)設(shè)定,回到顯示狀態(tài)。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí),按↑鍵或↓鍵循環(huán)顯示該參數(shù)的可選項(xiàng),按確認(rèn)鍵將當(dāng)前可選項(xiàng)設(shè)置為參數(shù)值,并進(jìn)行下一參數(shù)的設(shè)置,同時(shí)按下設(shè)定鍵和↑鍵進(jìn)行上一參數(shù)的設(shè)定。若要修改參數(shù)值,可用↑鍵或↓鍵進(jìn)行數(shù)值的遞增或遞減。同時(shí)按↑鍵和↓鍵后進(jìn)行高一位數(shù)的遞增或遞減。如初始狀態(tài)下對(duì)個(gè)位數(shù)的遞增或遞減,個(gè)位數(shù)閃爍顯示;同時(shí)按下↑鍵和↓鍵后可進(jìn)行十位數(shù)的設(shè)置,十位數(shù)閃爍顯示;再同時(shí)按下↑鍵和↓鍵可進(jìn)行百位數(shù)的設(shè)置等等。也可以進(jìn)行小數(shù)點(diǎn)的設(shè)置,用上述方法將小數(shù)點(diǎn)閃爍顯示后,可以用↑鍵或↓鍵將小數(shù)點(diǎn)左移或右移。
      由于ADSP2181內(nèi)部帶有兩個(gè)串行通信口SPORT0、SPORT1,可以和微機(jī)或單片機(jī)進(jìn)行串行通信。用SPORT1實(shí)現(xiàn)串行通信的功能,使儀表可以通過(guò)RS232口或RS485口與上位機(jī)進(jìn)行通信,構(gòu)成集散系統(tǒng)或用PC機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。串行通信電路如圖4所示。ADM232L進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換輸出。
      系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。軟件框圖如圖5所示。外部中斷服務(wù)程序、串行中斷服務(wù)程序和定時(shí)器中斷服務(wù)程序在中斷服務(wù)中調(diào)用,其他各功能子程序由監(jiān)控程序或初始化子程序調(diào)用。當(dāng)上位機(jī)向ADSP2181發(fā)出信號(hào),ADSP2181的串行口SPORT1接受后,向ADSP2181發(fā)中斷請(qǐng)求,ADSP2181在通信中斷服務(wù)程序中進(jìn)行相應(yīng)處理。通信中斷服務(wù)程序處理由SPORT1引起的中斷。主要處理上位機(jī),其他CPU或調(diào)試時(shí)PC機(jī)通過(guò)串行通信口傳送的信息。當(dāng)ADSP2181主動(dòng)向別的CPU發(fā)串行通信信號(hào),則在通信子程序中處理。外部中斷服務(wù)程序讀入A/D采樣值,送人環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于ADSP2181只有一個(gè)硬件定時(shí)器,而在應(yīng)用程序中至少需要四個(gè)定時(shí)定時(shí)計(jì)算FFT;定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;定時(shí)刷新顯示;定時(shí)掃描鍵盤。而這四個(gè)定時(shí)時(shí)間各不相同。因此,在硬件定時(shí)器的基礎(chǔ)上,根據(jù)需要設(shè)置幾個(gè)軟件定時(shí)器。先對(duì)軟件定時(shí)器進(jìn)行初始化裝載,在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中對(duì)軟件定時(shí)器進(jìn)行減一操作,當(dāng)軟件定時(shí)器為零時(shí),重新裝載定時(shí)器并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位,以讓監(jiān)控程序查詢。初始化子程序進(jìn)行ADSP2181初始化、看門狗定時(shí)器超時(shí)周期設(shè)置、從EEPROM讀入儀表相關(guān)參數(shù)、LCD初始化、計(jì)算程序變量初始化等。FFT計(jì)算子程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行譜分析,得出信號(hào)的頻率與幅值。幅值用來(lái)判斷信號(hào)頻率的可信程度和調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆妗Q算子程序進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償,得出流量參數(shù)。復(fù)位WATCHDOG子程序定期復(fù)位看門狗。EEPROM讀寫子程序在系統(tǒng)初始化的時(shí)候讀入儀表相關(guān)參數(shù),當(dāng)參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)置以后,調(diào)用該子程序更新EEPROM內(nèi)相應(yīng)單元,以防止掉電或關(guān)機(jī)之后參數(shù)丟失。鍵盤監(jiān)控子程序定期查詢鍵盤,當(dāng)有鍵按下時(shí),讀入鍵值,送入鍵盤緩沖區(qū),在系統(tǒng)不忙時(shí)進(jìn)行處理。LCD顯示子程序定時(shí)刷新儀表顯示。通信子程序則負(fù)責(zé)與其他CPU進(jìn)行通信。
      監(jiān)控程序流程圖如圖6所示。監(jiān)控程序由ADSP2181的上電中斷服務(wù)程序調(diào)用,上電之后即開始執(zhí)行。監(jiān)控程序完成系統(tǒng)初始化,儀表參數(shù)初始化,LCD和鍵盤初始化操作。之后,依次查詢各軟件定時(shí)器的標(biāo)志位,以進(jìn)行相應(yīng)操作。在儀表參數(shù)初始化中,從EEPROM讀入儀表參數(shù)。在儀表工作時(shí),當(dāng)參數(shù)被修改之后,刷新EEPROM中的相應(yīng)單元,以防止掉電或關(guān)機(jī)之后參數(shù)丟失。初始化結(jié)束之后,系統(tǒng)定時(shí)調(diào)用FFT計(jì)算子程序、換算子程序,計(jì)算流量等流體參數(shù),定時(shí)調(diào)用LCD顯示子程序、鍵盤監(jiān)控子程序,定時(shí)復(fù)位看門狗定時(shí)器。
      權(quán)利要求
      1.一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),由DSP芯片及邏輯控制電路部分、前向輸入通道部分、4~20mA變送器輸出部分、LCD顯示部分、鍵盤輸入部分、串行通信接口部分、保護(hù)電路部分以及相應(yīng)軟件組成;其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路部分和系統(tǒng)中的其它部分相連,構(gòu)成對(duì)渦街流量計(jì)的傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的系統(tǒng)。
      2.一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于流量計(jì)中的傳感器(例如,壓電傳感器)將所感受到流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào);壓電傳感器的輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器、程控放大器、低高通濾波器,送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;DSP根據(jù)采樣頻率定時(shí)啟動(dòng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;轉(zhuǎn)換結(jié)束之后,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求;DSP接受中斷請(qǐng)求,讀入采樣數(shù)據(jù),送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。DSP利用FFT將采樣數(shù)據(jù)變換到頻域,求出各個(gè)頻率上的功率譜;在進(jìn)行多次平均的基礎(chǔ)上,對(duì)功率譜值進(jìn)行比較,確定出最大功率譜值和它所對(duì)應(yīng)的頻率,即為信號(hào)的頻率;DSP定時(shí)計(jì)算信號(hào)頻率,再根據(jù)儀表參數(shù)和通過(guò)溫度、壓力等補(bǔ)償,可以得到瞬時(shí)流量值、流量信號(hào)頻率值,進(jìn)而得到流量等流量參數(shù);送入指定數(shù)據(jù)緩沖區(qū),供LCD顯示、模擬量輸出等;也可通過(guò)積算,給出累積流量;對(duì)渦街流量計(jì)的傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。
      3.根據(jù)權(quán)利1或權(quán)利2所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于DSP芯片及邏輯控制電路,對(duì)數(shù)字化后的流量信號(hào)進(jìn)行基于FFT的功率譜分析,得出流量參數(shù);DSP做為系統(tǒng)核心控制系統(tǒng)其他部分協(xié)調(diào)工作。
      4.根據(jù)權(quán)利1所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于前向輸入通道由電荷放大器、程控放大器、低高通濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、4~20mA變送器信號(hào)接收電路組成;對(duì)壓電傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行阻抗變換、程控放大、濾波和模/數(shù)轉(zhuǎn)換,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,提供給DSP進(jìn)行處理;接收4~20mA溫度、壓力變送器信號(hào),轉(zhuǎn)換為1~5V的電壓信號(hào),進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償。
      5.根據(jù)權(quán)利1所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于程控放大器的可調(diào)放大倍數(shù)范圍為1~1600,可以進(jìn)行寬范圍調(diào)整。
      6.根據(jù)專利1所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于串行通信接口可與上位機(jī)或其它儀表組成集散系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)。
      7.根據(jù)權(quán)利1所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于保護(hù)電路部分保護(hù)CPU正常工作,檢測(cè)低電壓、保存系統(tǒng)參數(shù)于EEPROM中。
      8.根據(jù)權(quán)利2所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于基于計(jì)算精度分段設(shè)置采樣頻率,相鄰兩段之間有覆蓋。
      9.根據(jù)權(quán)利2所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于利用環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū),實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)與計(jì)算并行。
      10.根據(jù)權(quán)利2所述的一種渦街流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng),其特征在于計(jì)算出信號(hào)幅值,調(diào)整程控放大器的放大倍數(shù)。
      全文摘要
      一種以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心、具有譜分析功能的渦街流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)。由DSP、前向輸入通道、輸出部分、鍵盤輸入部分、保護(hù)電路、串行通信接口以及軟件組成。它采用基于快速傅立葉變換(FFT)的功率譜分析方法對(duì)渦街流量計(jì)中傳感器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理,計(jì)算出信號(hào)的真實(shí)頻率,測(cè)出準(zhǔn)確的體積流量。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度,擴(kuò)大量程比,并適用于不同口徑和測(cè)量不同流體的一次儀表。
      文檔編號(hào)G01F1/32GK1230686SQ99101209
      公開日1999年10月6日 申請(qǐng)日期1999年1月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月8日
      發(fā)明者徐科軍, 呂迅竑, 陳榮保, 蘇建徽, 張崇巍 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)
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