基於快速傅立葉變換的低功耗兩線制渦街流量計的製作方法
2023-12-05 08:43:56
專利名稱：基於快速傅立葉變換的低功耗兩線制渦街流量計的製作方法
技術領域：
本發明涉及流量檢測領域，為一種低功耗兩線制渦街流量計，特別是一種以單片機 (MCU)為核心、基於快速傅立葉變換(FFT)的周期圖譜分析的低功耗、兩線制渦街流量計 信號處理系統。
背景技術：
中國發明專利公布了一種改進的低功耗兩線制渦街流量計(徐科軍，劉三山，劉家 祥，羅清林，朱志海.改進的低功耗兩線制渦街流量計，申請發明專利，200810246107.9， 申請日2008.12.22)。 一種改進的低功耗兩線制渦街流量計由壓電傳感器、差分電荷 放大器、電壓放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選 擇開關電路、峰值檢測電路、整形電路、單片機、人機接口電路、4 20raA輸出與電源 管理電路、恆流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器和16位模數轉換器組成。該 系統採用差分電荷放大器以提高提取渦街信號的能力，同時，增強抗幹擾能力；由高通 濾波器與低通濾波器級聯組成帶通濾波器，以獲得更好的通帶特性；將峰值檢測電路放 在帶通濾波器之後，以提高峰值檢測的精度；將比較器配置成觸發器對渦街信號進行整 形，利用定時器捕獲方式，採用多周期等精度的頻率測量方法，提高測量精度；將電路 的模擬地通過串聯電容和電感的方式，接至儀表外殼，以實現屏蔽和通過安全性能試驗； 採用少點數的FFT算法，粗估渦街流量傳感器輸出信號的頻率，作為選擇帶通濾波器的 依據。
發明內容
本發明系統採用基於快速傅立葉變換(FFT)的功率譜分析方法，處理渦街流量傳 感器的輸出信號，直接由周期圖法得到渦街信號的頻率來反映流量大小，而不是原先由 少點數FFT的功率譜粗估渦街頻率，來選擇合適的帶通濾波器對渦街信號進行濾波，再 根據脈衝計數來反映流量大小，所以，本發明系統的抗幹擾能力更強。原先系統是一種 數字與模擬相結合的兩線制渦街流量計，數字指的是少點數FFT，模擬是指模擬帶通濾 波器。本發明系統完全基於FFT方法，所以，為了與原先的系統相區別，稱本發明系統為基於FFT的低功耗兩線制渦街流量計。為了實時實現FFT方法，本發明系統不僅採用 新的超低功耗單片機，更為重要的是採用實數FFT算法，並採用彙編語言編制FFT程序， 以提高運算速度和減少內存容量。正因為採用FFT方法，才可以去掉渦街流量傳感器調 理電路中的程控放大器，減少發明系統的器件和降低成本。通過隔離DC/DC將外部24V 電源與供單片機和渦街信號調理電路相隔離，這樣可以將調理電路的模擬地接至儀表的 外殼，以提高抗50Hz工頻幹擾的能力，又能通過安全性能試驗。
基於FFT的低功耗兩線制渦街流量計，包括壓電傳感器、限幅放大器、低通濾波器、 電壓跟隨器、單片機、DA轉換器、4 20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、 LDO、時鐘管理、 復位電路、電源監測、按鍵輸入、LCD顯示電路。
壓電傳感器輸出的電荷信號經過電荷放大器轉變為電壓信號，再經過電壓放大器、 限幅放大器、低通濾波器和電壓跟隨器送至單片機的ADC輸入端，被單片機自帶的ADC 採樣和轉換，變成數字量，單片機對信號進行快速傅立葉變換(FFT)，做周期圖譜分析， 得到信號的頻率值，計算出瞬時流量和累計流量，將流量信息顯示在LCD上，由單片機 的SPI接口通過光耦連接到數模轉換器(DAC)進行轉換，由4 20raA輸出電路經過V/I 轉換成4 20mA電流信號輸出。計算出來的流量頻率由單片機U18的UART接口，通過 光耦U7隔離，再經過整形後，發至外部單片機，將流量信息送出。外部單片機通過光 耦U5.，再經過整形電路U6，與單片機U18的UART相連，對系統進行設置。
外部24V電源電壓通過DC/DC轉換成7V電壓，再通過隔離DC/DC，轉換成3. 3V， 再通過LD0轉換成3V電壓，供給模擬信號調理電路(電荷放大器、限幅放大器、低通濾 波器和電壓跟隨器)和單片機及外圍電路。
本發明的優點是採用實數FFT算法，並用彙編語言實現，與複數FFT算法相比， 可以節省近一半的運算時間和存儲量，使單片機可以實時實現2048點FFT算法，確定 渦街流量的頻率，與經過帶通濾波器後、再通過脈衝計數來測量頻率的方法相比，抗幹 擾能力大大加強；在算法中，採用幅值校正、頻率校正、去最大值、去最小值、平均和 加速等方法，提高計算精度和運算速度，減少波動；採用隔離的DC/DC為模擬信號調 理電路和單片機及外圍電路供電，使模擬信號調理電路的模擬地可以直接接至儀表的表 殼，增強了 50Hz工頻幹擾的能力，又能通過安全性能試驗；省去程控放大電路，節 省成本。
圖l是本發明系統的硬體框圖。
圖2是本發明系統中電荷放大器的電路原理圖。
圖3是偏置電平電路原理圖。
圖4是本發明系統中限幅放大器的電路原理圖。
圖5是本發明系統中低通濾波器和跟隨器的電路原理圖。
圖6是單片機晶片管腳接線示意圖。
圖7是本發明系統中用於4 20rnA電流輸出的光耦隔離的電路原理圖 圖8是本發明系統中4 20raA輸出電流控制電路的電路原理圖 圖9是本發明系統中DA轉換電路圖。 圖10是4 20mA輸出電路原理圖。 圖11是24V至3. 3V電源電路原理圖。 圖12是3. 3V到3V轉換電路原理圖。 圖13是光耦隔離和整形電路原理圖。 圖14是本發明系統軟體框圖。 圖15是本發明系統中主監控程序流程圖。 圖16是本發明系統中流量計算流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
本發明的設計思想是採用實數FFT算法，並用彙編語言實現，減少運算量和存儲 量，使單片機可以實時實現2048點FFT算法，確定渦街流量的頻率，提高抗幹擾能力； 在算法中，採用幅值校正、頻率校正、去最大值、去最小值、平均和加速等方法，提高 計算精度和運算速度，減少波動；採用隔離的DC/DC為模擬信號調理電路和單片機及 外圍電路供電，使模擬信號調理電路的模擬地可以直接接至儀表的表殼，增強了抗50Hz 工頻幹擾的能力，又能通過安全性能試驗；在電源部分採用隔離DC/DC進行電壓轉換， 信號輸出和通信採用光耦進行隔離；省去程控放大電路，節省成本。
本發明系統的總體結構如圖l所示。本發明系統包括壓電傳感器、限幅放大器、低 通濾波器、電壓跟隨器、單片機、DA轉換器、4 20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、 LDO、時鐘管理、復位電路、電源監測、按鍵輸入、LCD顯示電路。
本發明系統的工作過程為壓電傳感器輸出的電荷信號經過電荷放大器轉變為電壓 信號，再經過電壓放大器、限幅放大器、低通濾波器和電壓跟隨器送至單片機的ADC輸 入端，被單片機自帶的ADC採樣和轉換，變成數字量，單片機對信號進行快速傅立葉變 換(FFT)，做周期圖譜分析，得到信號的頻率值，計算出瞬時流量和累計流量，將流量 信息顯示在LCD上，由單片機的SPI接口通過光耦連接到數模轉換器(DAC)進行轉換， 由4 20mA輸出電路經過V/1轉換成4 20mA電流信號輸出。計算出來的流量頻率由 UART接口接至通信模塊，再通過光耦隔離，再經整形後，與外部單片機(MCU)通信，可 以將流量信息送出，也可以對系統進行設置。
如圖2所示，渦街流量傳感器，即壓電傳感器輸出的電荷信號經由放大器U14A、電 容C23、 C26、 C30、 C33 、 C34、電阻R36、 R43、 R46組成的電荷放大器放大，其中，C23、 C34是反饋電容，決定了電荷放大器的放大倍數。圖2和其它圖中的偏置電壓Vref由圖 3所示的偏置電平電路提供。偏置電平電路由運算放大器U14B、電阻R34、 R35和電容 C24組成，提供1.25V直流電壓。
經過放大後的信號通過隔直電容C27，去除直流成分後，送至由放大器U15B、電容 C25、 C31、電阻R37、 R39、 R40、 二極體D3、 D4組成的限幅放大器，如圖4所示。
經過限幅放大器後的信號送至低通濾波器和電壓跟隨器，如圖5所示。低通濾波器 由放大器U15D、電容C28、 C29、電阻R38、 R41、 R42組成。電壓跟隨器由放大器U15A 組成。
電壓跟隨器的輸出信號Signall,送至單片機的第7管腳P7. 6/A14,如圖6所示， 供單片機ADC採樣轉換後進行周期圖譜分析。本發明系統採用TI公司的單片機 MSP430F5418為處理核心，如圖6所示。由於本發明系統要做到超低功耗，同時，系統 在信號處理時用到FFT運算，需要大容量的SRAM，但外擴會大大增加系統功耗，而 MSP430F1611單片機具有16KB的SRAM。
單片機將計算出來的瞬時流量信息通過DAC轉換成模擬量，再經過V/I轉換，變成 4 20mA電流輸出。單片機的第21、 22和23腳輸出的給DAC的時鐘信號、數據信號和 片選信號分別接至光耦U9的第1、 4腳和光耦Ull的第2腳，如圖6和圖7所示。經過 光耦隔離後，對應的輸出是光耦U9的第7、 6腳和光耦U11的第6腳。這些引腳再分別接至比較器U10的第2、 6腳和比較器U12的第2腳，如圖8所示。最終由U10第1腳 輸出時鐘信號、第7腳輸出數據信號、U12第6腳輸出片選信號至DACU1，如圖9所示。 Ul將數位訊號轉換成模擬信號，通過R1接至圖10中的R2，送入4 20mA電路。
如圖10所示的4 20mA輸出模塊由4 20mA電流變送器U2 XTR115、三極體Ql、 穩壓管D2、電容C1、 C3、電阻R2、 R3、 R4、 R5組成，將瞬時流量信息變成4-20mA電 流輸出。
圖11是24V到3.3V的電源電壓轉換電路，包括非隔離DC/DC U3、隔離DC/DC U4、 電感L1、電容C6、 C7、 C8、 C9、 C4、 C5、電阻R6、 R8、 R7、 R9。 24V電源電壓通過非 隔離DC/DC U3轉換成7V，再通過隔離DC/DC U4將7V轉換成3. 3V。
圖12是3. 3V到3V的電源電壓轉換電路，包括LD0U13、電容C20、 C21、電阻R29、 R30、 R31。 U13將3.3V轉換成3V電壓輸出，為模擬信號調理電路和單片機及外圍電路 供電。
本發明系統的計算出來的流量信息還可以通過通信模塊向其它MCU發送，也可以接 收其它MCU發來的指令。圖13是光耦隔離和整形電路圖，由光耦U5、 U7、整形電路 U6、 U8、電容CIO、 Cll、 C12、 C13、電阻Rll、 R12、 R13組成。單片機U18要輸出 的數據，經第56腳通過電阻R13與光耦U7的第2腳相連，再通過整形電路U8的整形， 發至外部的MCU，分別如圖6和圖13所示。單片機U18要接收的外部數據是由Rll 接至光耦U5的第2腳，經過光耦後，再通過整形電路U6的第4腳接至單片機U18的 第57腳，實現數據的串行通信。
本發明系統軟體總體框圖如圖14所示，由主監控程序模塊、看門狗模塊、中斷模 塊、初始化模塊、鐵電存儲器模塊、時鐘管理模塊、人機接口模塊、算法模塊和通信模 塊組成。中斷模塊中包括定時器中斷、DMA中斷和通信中斷，其中，定時器中斷用於控 制計算累計流量的時間、掃描鍵盤、3分鐘保存1次數據；DMA中斷用於當採集完1組 數據(2100點)後，將指針移至數組的起始位置；通信中斷用於與其它MCU之間的信息交 換，即將渦街流量頻率和幅值送至其它MCU，從其它MCU接收指令和數據。
圖14中的主監控程序模塊是整個軟體系統的總調度程序，調用各個模塊中的子程 序，實現本發明系統的所要求的功能。主監控程序的流程如圖15所示。它是一個循環 程序，系統一上電，主監控程序自動運行，進入查詢和進行相應處理的循環中。基本過程為系統上電後，立即進行初始化；初始化後，首先查詢是否釆集滿2100點數據。 若採集滿，則進行流量計算；再刷新液晶，更新瞬時流量和累計流量等信息的顯示；然 後，進行數據通信，即與外部單片機進行通信。
基於FFT的低功耗渦街流量計採用的處理器為MSP430F5418，其RAM容量為16KB。 為了保證計算精度，需要計算2048點FFT。在計算中，需要設置1個放2100點數據的 循環數組；需要放2048點實部和2048點虛部的中間結果的數據；需要放1024點結果 的數據；而每個數據需要2個字節，這樣需要超過14KB內存。再加上頻譜校正和平均 等處理，內存將超過16KB。為此，本發明專利系統採用實數FFT算法。將2048點的實 數分成兩個1024點的實數系列，組成一個1024點的複數序列，其中2048點中的偶數 項為複數序列中的實部，奇數項為複數序列中的虛部，然後計算1024點的複數FFT，最 後通過公式將其轉化成為2048點的實數FFT。經過比較，此種方法比直接計算2048點 的實數FFT要節省4K的內存。
假設要計算一個長度為2N的實序列x(n)的DFT:X(k)， n=0， 1,…，2N-1 。首先將其 偶數項g(r)=x(2r)作為複數序列中的實部，奇數項h(r)=x(2r+l)為複數序列中的虛 部，r=0， 1，…，N-l，則組成的N點複數序列為 y(r)- g(r)+j*h(r) (1)
根據DFT的定義，y(r)的DFT為:
Y(k)=》(r)e w
W-l "'^j^
=S cos與+/<r) sin與妙]+ & ,) cos與*r - g(。 sin與Ar]
(2)
式中，4W = J>(r)C0S;^r，3 〃 ，=2>(。cos》，
s 〃 因此，rw(" = 4(A:) + :^(A:)，
，=，-，， ，-A:) = ^(H(A:)，
由定義可知，g(r)的DFT為:
W-1 一,、
=S) [cos與- sin與W
=>W + r ] + 4[， —，一A:)] (3) 同理，可求出h(r)的DFT為
w-i 2" 2;r
= J] Z O)[cos : ^ — / sin : ^r]
^KW + ^iV-AOl + y^I^iV —幻-( ) 又根據定義，長度為2N的實序列x(n)，其DFT為
2W—1
単)k=0, 1，…，2N-l
w=0
g(r)=x(2r) h(r)=x(2r+l)formula see original document page 10
其計算過程為
(1) 對2048點實數序列按照式(l)組成一個1024點的複數序列；
(2) 計算1024點複數FFT，其結果為式(2);
(3) 根據式(3)、 (4)計算G(k)和H(k);
(4) 根據式(5)計算出X(k)，即為長度為2N的實序列x(n)的DFT。
圖16是流量計算流程圖。對2048點數據做2次基於FFT的功率譜，即採用Welch (韋爾奇)方法進行功率譜，然後，求平均；對最大的3個峰值進行幅值校正，選出其 中最大的1個幅值；對這個幅值所在的頻率進行頻率校正，這樣就完成了 1次渦街流量 頻率的計算。在2秒鐘內，計算頻率5次，即做10次實數FFT運算。對這5個頻率值， 去掉l個最大值、l個最小值，再對剩下的3個頻率值做平均，得到頻率值。將這個頻 率填入1個可以放15個數據的數組。若連續2個頻率值為0，則結果為O;若連續2個 頻率值與前4秒時的頻率的差值的絕對值超過設定範圍，則清除這2個頻率值之前的數 據，取這2個頻率值的均值作為渦街流量頻率；在正常情況下，去掉2個最大值、2個 最小值以及O值，對剩下的頻率值求平均，作為渦街流量頻率。再計算瞬時流量和累計 流量。在流量計算中，做3種平均， 一是對兩次功率譜計算的結果進行平均；二是對5 次頻率值進行平均；三是對15個頻率結果進行平均。
權利要求
1、基於快速傅立葉變換的低功耗兩線制渦街流量計，包括壓電傳感器、限幅放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、單片機、DA轉換器、4～20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、LDO、時鐘管理、復位電路、電源監測、按鍵輸入、LCD顯示電路，其特徵在於壓電傳感器輸出的電荷信號經過電荷放大器轉變為電壓信號，再經過電壓放大器、限幅放大器、低通濾波器和電壓跟隨器送至單片機的ADC輸入端，被單片機自帶的ADC採樣和轉換，變成數字量，單片機對信號進行快速傅立葉變換，做周期圖譜分析，得到信號的頻率值，計算出瞬時流量和累計流量，將流量信息顯示在LCD上，由單片機的SPI接口通過光耦連接到數模轉換器進行轉換，由4～20mA輸出電路經過V/I轉換成4～20mA電流信號輸出。
2、 如權利要求1所述的基於快速傅立葉變換的低功耗兩線制渦街流量計，其特徵 在於:採用實數FFT算法，將2048點的實數分成兩個1024點的實數系列，組成一個1024 點的複數序列，其中2048點中的偶數項為複數序列中的實部，奇數項為複數序列中的 虛部，然後計算1024點的複數FFT，最後通過公式將其轉化成為2048點的實數FFT。
3、 如權利要求l所述的基於快速傅立葉變換的低功耗兩線制渦街流量計，其特徵 在於對2048點數據做2次基於FFT的功率譜，即採用韋爾奇方法進行功率譜，然後， 求平均；對最大的3個峰值進行幅值校正，選出其中最大的l個幅值；對這個幅值所在 的頻率進行頻率校正，這樣就完成了 1次渦街流量頻率的計算；在2秒鐘內，計算頻率 5次，即做10次實數FFT運算；對這5個頻率值，去掉l個最大值、l個最小值，再對 剩下的3個頻率值做平均，得到頻率值；將這個頻率填入1個可以放15個數據的數組； 若連續2個頻率值為0，則結果為O;若連續2個頻率值與前4秒時的頻率的差值的絕 對值超過設定範圍，則清除這2個頻率值之前的數據，取這2個頻率值的均值作為渦街 流量頻率；在正常情況下，去掉2個最大值、2個最小值以及0值，對剩下的頻率值求 平均，作為渦街流量頻率；再計算瞬時流量和累計流量。
4、 如權利要求1所述的基於快速傅立葉變換的低功耗兩線制渦街流量計，其特徵 在於在電源電路部分，釆用隔離的DC/DC為模擬信號調理電路和單片機及外圍電路供 電，模擬信號調理電路的模擬地直接接至儀表的表殼。
5、 如權利要求1所述的基於快速傅立葉變換的低功耗兩線制渦街流量計，其特徵 在於在信號輸出和通信部分採用光耦進行隔離。
全文摘要
本發明涉及流量檢測領域，為一種基於快速傅立葉變換(FFT)的功率譜分析的低功耗兩線制渦街流量計，包括壓電傳感器、限幅放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、單片機、DA轉換器、4～20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、LDO、時鐘管理、復位電路、電源監測、按鍵輸入、LCD顯示電路。採用彙編語言實現實數FFT算法，用周期圖法處理渦街傳感器信號，進行幅值和頻率校正，計算瞬時和累積流量，輸出4～20mA直流電流、兩線制工作。本發明運算速度快，運算精度高，抗幹擾能力強，節省存儲空間，實時性強，製造成本低。
文檔編號G01F1/32GK101614566SQ20091011717
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月29日 優先權日2009年6月29日
發明者劉三山, 全 周, 徐科軍, 羅清林 申請人:合肥工業大學