DSP在聲吶流量計中的應用

李云龍

摘 要：基于DSP芯片TMS320F28335設計實現了一種聲吶流量計，其具有精度高、適應性好、操作方便和成本低廉等特點。整個系統以穩定、實用、可靠為設計目標。在保證實現基本功能的基礎上，充分優化硬件電路和軟件架構。本系統充分利用了DSP的高速處理信號的特性，在提高測量精度的同時，還簡化了硬件電路設計，從而降低了系統的生產成本。

關鍵詞：TMS320F28335；聲吶；流量計

中圖分類號：TP216 文獻標志碼：A

0 引言

流量是工業生產過程中的重要參數，流量測量數據是企業進行生產自動化控制、進行經濟核算的重要依據。隨著工業檢測領域對流量檢測儀表的性能要求越來越高，現有的常規流量計，如基于差壓式、容積式、渦街式、電磁式、超聲時差法和多普勒頻移法原理的流量儀表，由于在不同程度上受限于流體的物理性質、流體流動的特性、安裝工藝條件、維護需求及經濟性等原因，不能完全適用復雜的管道流體應用環境。隨著聲吶檢測技術的發展，研發高可靠性、高精確性的聲吶在線流量計，成為市場的迫切需求。聲吶流量計采用非接觸式測量，其流量測量準確度幾乎不受測量介質的壓力、濃密度、溫度等參數的影響，同時該測量方式可解決其他流量儀表所難以測量的易結垢、非導電性、強腐蝕、易燃易爆及介放射性介質的流量測量問題。

本文詳細介紹了聲吶流量計的工作原理和產品設計，在借鑒吸收國外聲吶測量技術的基礎上設計了基于TMS320F28335單片機的流量檢測儀表。聲吶流量計是目前最先進的流量檢查技術，目前國際上只有美國一家公司擁有基于此原理的產品。在產品設計中高度重視系統的穩定性，在軟件設計時，采用溫度補償、傅里葉變換等方法修正測量精度。

1 工作原理

由模擬計算及實驗所測信號可以發現，單純從時域的湍流脈動信號難以得到與流速相關的信息。傅里葉變換可以很方便地得到各個通道信號的頻域信息，但是由于空間只有8個傳感器得到的8個信號數據，難以通過二維傅里葉變換同時得到時間和空間的頻率信息。通過應用陣列信號處理領域的多重信號分類算法（Multiple Signal Classfication，MUSIC算法）破解了該難題，通過應用該算法對8路陣列信號數據進行數據處理，得到了波數-頻率域的對流脊曲線，進而得到了對應的流速。詳細介紹如下。

根據MUSIC算法基本原理，信號協方差矩陣為：

（1）

將Rxx進行特征值分解，得Rxx=[U]∑[U]H，其中矩陣∑為特征值對角陣，矩陣[U]為特征向量矩陣，包括信號特征向量矩陣[Us]和噪聲特征向量矩陣[UN]。故有空間譜函

（2）

計算空間譜隨波數k的變化情況， 對所選頻率范圍內進行相同的算法處理，可以得到對應不同頻率的PMUSIC的值。湍流脈動的能量是對應特定空間波數和時間頻率的函數。能量的集中區域為一屋脊狀結構，稱為對流脊，它代表了湍流脈動信號的空間和時間頻率特征。湍流的脈動流速與管中平均流速大致接近（大約為平均流速的90%左右，與流速、管徑等參數有關），該流速與空間頻率時間頻率之間存在如下關系：

（3）

由此公式可知，能量集中的對流脊區域進行識別，得到其斜率，即可得到湍流的脈動流速，經過進一步的校準，就可以得到管中流速。

2 產品設計

2.1 主控系統

主控系統分為模擬和數字兩個部分：模擬部分包括前置放大電路、信號采集電路（包括對數放大電路、濾波電路、AD轉換電路、DA轉換電路等）；數字部分包括TMS320F28335主控系統、人機界面、繼電器輸出和控制輸出電路等。在硬件設計過程中充分考慮成本和性能兩個方面，力求性能穩定，結構簡單，功能完善，存在擴展功能。

2.2 傳感器前置放大系統

根據PVDF壓電薄膜的電荷等效模型設計了前置放大電路，其包括前級信號采集設計、濾波器設計以及整體電路設計，以下做具體說明：

前級信號采集電路有遠大于PVDF薄膜的輸入阻抗，使得PVDF產生的電荷盡可能多地積累在電容上，有效減少了電荷泄漏，而輸入的電阻很大，電容的放電時間常數很大，這樣可以提高電路的低頻測量能力和信號幅度，減少負載效應。

濾波器的幅頻特性與階數有關，階數越多特性越好，同時電路的復雜程度也越高。本設計采用有源巴特沃斯低通濾波器加無源低通濾波器的設計，使得通帶內的增益穩定，不會出現在截止頻率附近的增益隆起現象。

2.3 信號處理主控系統

信號處理主控系統具有信號調理、信號采集、信號處理和結果輸出等功能。信號調理單元以可變增益放大器組合為核心，前段設計有抗混疊濾波器；信號采集單元須完成8路音頻模擬信號采集。由FPGA控制協同8路傳感器信號的同步采集，實現快速的實時性要求，因為工藝管道中流體流速很快；信號處理單元采用DSP陣列算法對采集到數據進行處理，通過專有編制的流量算法模型實現流量結果輸出；以太網通信、鍵盤顯示控制、模擬/數字信號輸出（Modbus/RTU RS-485/232通信）等輔助功能外圍單元設計以單片機為核心來完成。

3 儀表測試及數據分析

聲吶流量計采用標準表法確定檢測精度，測量系統主要由水池、水泵、電磁流量計、聲吶流量計、溫度傳感器、壓力傳感器、閥門及管道等組成，通過調節水泵和速度調節閥控制流量的大小，在循環系統中安裝的電磁式流量計用于標定聲吶流量計。實驗要求在1.0m/s～4.0m/s的流速變化范圍內進行對比測試。測量范圍內每變化0.5m/s選擇1個流量標定點，標準表（電磁流量計）與被測表（聲吶流量計）的累積流量值由水流量控制系統實時記錄，通過對比分析計算得到測量精度。

水流量控制系統采集多個流速點，累積后得到流量值，確定的8個測試流速點分別是：1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，3.5m/s，4.0m/s，4.5m/s，標定實驗要求對各流速點進行往復5次的重復測試實驗。流量從1.0m/s～4.5m/s范圍內，聲吶流量計的平均誤差小于0.13%，由此可以反映出兩種流量計的波動趨勢相近，聲吶流量計能夠準確反映流量變化情況，滿足工藝現場自動控制要求。

結語

本設計采用TMS320F28335作為系統的主控芯片，由于它具有高速信號處理能力，測量的實時性得到了有效的保證。聲吶流量計除了具有流量計算功能模塊之外，還設計相關的功能模塊：顯示模塊、存儲模塊、人機界面模塊、電源模塊等。現場應用表明：其安全可靠，體積小，操作維護方便，成本低廉，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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