基于DSP的小流量科氏流量計二次儀表設(shè)計與實現(xiàn)*

牟澤龍， 涂亞慶， 陳 鵬， 馬 新

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事物流系，重慶 401311；2.重慶澳凱龍醫(yī)療科技股份有限公司，重慶 401120)

0 引 言

科氏流量計[1～5]在小流量測量時，其接收的拾振信號相對微弱，這對二次儀表的性能提出了更高的要求,早期研究采用單片機(micro controller unit,MCU)作為二次儀表核心[6]，方法運算速度極慢，不能嵌入復(fù)雜的信號處理算法，限制了測量精度。文獻[7]采用數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)與現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)作為二次儀表核心，將系統(tǒng)功能分開，以減輕芯片負(fù)擔(dān)，方便實現(xiàn)系統(tǒng)功能，但增加了成本，且FPGA的軟件開發(fā)相對困難。文獻[8] 采用DSP與MCU作為二次儀表核心，二者并行工作提升整個系統(tǒng)運行速度，但該方法往往使得整個系統(tǒng)的軟硬件變得復(fù)雜，同時增加了成本。目前，DSP芯片已經(jīng)具有豐富的外設(shè)模塊，通過合理的編程即可實現(xiàn)二次儀表的所有功能。

對于信號處理算法，即相位差測量方法，目前主要有過零檢測方法[9]、傅里葉變換方法[10]、鎖相環(huán)方法[11]、正交解調(diào)方法[12]、相頻匹配[13]方法等。相頻匹配法是基于時域信號處理的算法，相較于其他方法其改善了信號非整周期采樣帶來的誤差，減小了噪聲的影響，相位差計算精度接近克拉美—羅下限。

本文設(shè)計了基于DSP的小流量科氏流量計二次儀表硬件和軟件，并嵌入了基于相頻匹配的流量檢測算法，通過小流量測量實驗驗證了二次儀表的有效性。

1 二次儀表設(shè)計

選用TMS320F28335芯片作為二次儀表的核心，通過配套的CCS軟件進行C語言編程，下載至DSP芯片中。

1.1 硬件設(shè)計

硬件主要分為6個功能模塊，如圖1所示。

1)信號調(diào)理模塊：對檢測線圈采集的信號進行放大和模擬電路濾波，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital conversion,ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)字量進入DSP芯片中，根據(jù)相應(yīng)的算法進行數(shù)字處理。模塊的放大器采用INA 128儀用放大器，ADC選用24位的TI ADS1255。兩片ADC分別通過其串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)接口與DSP的多通道緩沖串行口(multi-channel butfered serial port,McBSP)連接。

2)模擬驅(qū)動模塊：利用正反饋電路使流量管滿足自激振蕩的幅值和相位條件，同時利用負(fù)反饋電路控制流量管的振動幅值，使科氏流量計流量管維持穩(wěn)幅振動。模擬驅(qū)動電路主要采用基本的運算放大器實現(xiàn)。

3)溫度采集模塊：采用DS18B20數(shù)字傳感器測量環(huán)境溫度，由DSP進行運算處理。

4)人機交互模塊：實現(xiàn)在上位機和屏幕上實時讀取流量測量值，并對運算參數(shù)進行修改。人機交互主要依賴于DSP自帶的串行通信接口(serial communication interface,SCI)硬件模塊，同時屏幕選用人機界面(human machine interface,HMI)串口觸摸屏幕，方便調(diào)試，可擴展性強。

5)外擴存儲模塊：在實際開發(fā)中，DSP的軟件嵌入常常需要將程序直接下載到RAM空間中執(zhí)行，以大幅提高每次下載速度，本文片外RAM選用IS61LV6416芯片。

6)電源管理模塊：將輸入的交流電壓轉(zhuǎn)換為各硬件芯片的工作電壓。

圖1 小流量科氏流量計二次儀表硬件框圖

1.2 軟件設(shè)計

儀表的各項功能通過模塊化軟件編程實現(xiàn):

1)程序初始化模塊：包括系統(tǒng)初始化、接口功能初始化、算法參數(shù)初始化等，為DSP的正常運行提供基本條件。

2)信號采集模塊：包括ADC采樣和直接存儲器存取(direct memory access,DMA)數(shù)據(jù)讀取2部分。兩片24位高精度ADC將拾振信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入DSP的McBSP寄存器中，DSP以DMA方式直接讀取。

3)運算處理模塊：包括標(biāo)度轉(zhuǎn)換、頻率估計、相位差估計、結(jié)果處理4部分。標(biāo)度轉(zhuǎn)換對采樣數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后利用頻率估計算法和相位差估計算法計算兩路信號的頻率和相位差，根據(jù)儀表的標(biāo)定系數(shù)得到最終的測量結(jié)果。

4)通信模塊：包括上位機串行通信和屏幕串行通信。根據(jù)指定的協(xié)議編寫相應(yīng)程序，將計算值轉(zhuǎn)換后，通過DSP內(nèi)置的SCI串行通信模塊進行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。

在編寫程序時，為了合理分配硬件資源，當(dāng)程序在信號采集模塊獲得足夠的ADC采樣數(shù)據(jù)時，進入通信模塊，當(dāng)獲得足夠采樣數(shù)據(jù)后，再進入運算處理模塊。同時在實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，流量信號發(fā)生異常時，運算處理模塊會輸出非常大的假數(shù)據(jù)，導(dǎo)致DSP內(nèi)存溢出，為解決這個問題，在流量監(jiān)測算法中加入數(shù)據(jù)限制，將過大或過小的數(shù)據(jù)強制置零。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

圖2 小流量科氏流量計二次儀表軟件流程

2 流量檢測算法

為提高小流量檢測精度，采用基于相位匹配的頻率估計算法[14]得到信號頻率，在此基礎(chǔ)上采用基于相頻匹配的相位差估計算法[14]，得到相位差值。此種方法基于時域信號處理，改善了信號的非整周期采樣影響，運算速度快，受噪聲的影響較小,設(shè)科氏流量計的2路離散拾振信號為

x(n)=Acos(nω+θ1),y(n)=Bcos(nω+θ2),1≤n≤N

(1)

式中N為x(n)，y(n)的長度；A，B分別為x(n)，y(n)的幅度；θ1,θ2分別為x(n)，y(n)的初相位；ω為x(n)，y(n)的頻率。

2.1 頻率估計

1)計算其中1路采樣信號x(n)的自相關(guān)信號

(2)

式中k≤round(0.5(N-1))，round(x)為四舍五入取整。

2)利用式(3)對拾振信號進行粗略的頻率估計

(3)

3)利用式(4)對頻率粗估計值ω1進行修正，即得到頻率估計的精確值ω0，本文以ω0作為采樣信號的頻率ω

(4)

2.2 相位差估計

(5)

2)計算x(n)，y(n)2路正弦信號及其正交分量的互相關(guān)信號r1,N(i)和r2,N(i)

(6)

3)互相關(guān)信號r1,N(i)和r2,N(i)的期望為

E[r1,N(i)]=ABcos(iω+θ1)E[r2,N(i)]

=ABsin(iω+θ2)

(7)

2路傳感器信號的相位差為

Δθ=θ2-θ1=arctan(r2,N(0)/r1,N(0))

(8)

從式(8)可以看出，基于相頻匹配的相位差估計算法，不受2路傳感器信號幅值的影響，這在實際應(yīng)用中非常有價值，因為實際二次儀表信號調(diào)理電路并不能做到2路傳感器信號幅值完全一致，總會受到印刷電路板(printed circuit board,PCB)布線、元器件差異等的影響。

3 實驗驗證

本文設(shè)計的小流量科氏流量計二次儀表實物如圖3所示，實現(xiàn)了需求功能。為了驗證設(shè)計的二次儀表性能，分別進行了模擬電信號測試和小流量實測實驗。

圖3 小流量科氏流量計二次儀表實物

3.1 模擬電信號測試

利用F20A型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器生成兩路頻率相同、幅值相同、相位差可調(diào)的正弦信號作為模擬拾振電信號，將信號直接送入二次儀表的拾振信號輸入端，測試其頻率計算和相位差計算的效果，結(jié)果如表1、表2所示。

可見，頻率從10～200 Hz變化時，相對誤差小于0.5 %，相位差從0.1°～2°變化時，相對誤差小于0.6 %，說明二次儀表測量性能良好，其硬件和軟件設(shè)計方法可行。

表1 模擬正弦電信號的頻率測量結(jié)果

表2 模擬正弦電信號(60 Hz)的相位差測量結(jié)果

3.2 小流量計量測試

為了測試小流量科氏流量計二次儀表流量測量的實際性能，將一次儀表與二次儀表組裝，選用精度較高的蠕動泵和水作為流量源，對0～3kg/h的小流量進行測量驗證。流量測量算法直接輸出相位差計算結(jié)果，不能直接作為流量測量值。根據(jù)相位差與流量值的線性關(guān)系，在測量之前對二次儀表進行校準(zhǔn)，記錄給定流量值下的相位差計算值， 將給定流量值和相位差計算值分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)繪制折線圖，如圖4所示，可見圖形近似一條直線，說明相位差與流量值近似成一次函數(shù)的線性關(guān)系，校準(zhǔn)可靠。將給定流量值作為一次函數(shù)的因變量y，將相位差計算值作為自變量x，利用最小二乘法計算得到一次函數(shù)的斜率k與截距b，即可將相位差計算值轉(zhuǎn)化為流量測量值，采用校準(zhǔn)后的二次儀表測量給定流量值，結(jié)果如表3所示。

圖4 二次儀表校準(zhǔn)情況

表3 小流量測量結(jié)果

分析測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場小流量實測的精度略低于函數(shù)信號發(fā)生器生成信號的測量精度，這是一次儀表產(chǎn)生的拾振信號信噪比略低于函數(shù)發(fā)生器生成信號所致，但測量誤差仍可控制在1 %以內(nèi)，說明二次儀表進行現(xiàn)場小流量實測時具有較高的精度。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了以DSP為核心的小科氏流量計二次儀表，通過嵌入式編程實現(xiàn)了基于相頻匹配的頻率估計算法和的相位差估計算法，并進行了實驗驗證，對小流量科氏流量計的研制進行了有益的探索。結(jié)果表明，小流量科氏流量計二次儀表的研制方法可行，能以較高的精度實時測量小流量的質(zhì)量流量。