国内精品久久人妻性色av_日本人妻久久久中文字幕_国产精品一区二区四区av_久久亚洲美女精品国产精品_ewp绞死vk失禁编_91精品免费观看老司机_色欲色香天天天综合网www_黄色avav_日本一区二区三区电影免费

摘 要：介紹了將DSP用于HK-CMF科氏質(zhì)量流量計信號處理、解算的全新的設(shè)計思路。利用高速并行A/D將信號完整取樣，借助DSP芯片的較強運算能力對信號進行深入地分析與處理，精確計算兩路信號的相位差，進而解算出流體的質(zhì)量流量和密度，輔以單片機實現(xiàn)系統(tǒng)的控制與顯示。文中給出了系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵軟件的設(shè)計流程。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)有效提高了系統(tǒng)的零點穩(wěn)定性和測量精度，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

關(guān)鍵字：DSP HK-CMF科氏質(zhì)量流量計 信號處理

    HK-CMF科里奧利質(zhì)量流量計（簡稱為質(zhì)量流量計，即CMF）由傳感器和二次儀表組成。其中，傳感器敏感被測質(zhì)量流量，輸出與流量相關(guān)的振動信號；二次儀表根據(jù)傳感器輸出的振動信號確定被測流體的質(zhì)量流量和密度。相對于其他質(zhì)量流量測量方式或通過測量體積流量和密度來間接測量流體質(zhì)量流量的方法，其具有許多突出優(yōu)點：

    ① 測量范圍大、精度高，一般CMF產(chǎn)品的量程比為10~100，典型流量測量精度為±0.2%R±零點穩(wěn)定度，高者可達±0.1%R±零點穩(wěn)定度，重復(fù)性一般為±（0.05%~0.1%）；
    ② 測量管內(nèi)無零部件，穩(wěn)定性好，不會因管內(nèi)零部件的磨損而降低測量精度，且可測量高粘度流體、含固體顆粒的流體；
    ③ 對流場不敏感，對被測流體的溫度、壓力、粘度等參數(shù)不敏感，受流場和流體參數(shù)的影響小；
    ④ 是一種多功能的測量儀表，可同時測量流體密度、兩種液體組成的混合流體的比例等。

    但由于其工作機理和傳統(tǒng)信號處理方式的限制，目前此類流量計在現(xiàn)場應(yīng)用中存在種種實際問題：

    ① 對環(huán)境噪聲敏感，安裝在現(xiàn)場的質(zhì)量流量計會受到各種振動噪聲的影響，傳統(tǒng)利用模擬電路檢測兩路信號相位差的方法在實際應(yīng)用中不能很好抑制這些噪聲影響。
    ② 現(xiàn)場流體情況復(fù)雜，現(xiàn)有的流量計不能很好地對流體狀態(tài)加以診斷。
    ③ 信號處理大多采用模擬電路將兩路正弦信號的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號，由積分式A/D實現(xiàn)信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并由單片機對質(zhì)量流量進行解算的原理。模擬電路穩(wěn)定性較差，積分式A/D采樣速度低等，因此在使用中存在著零點穩(wěn)定性差，響應(yīng)時間長，運算精度低等缺點。

    本文介紹一種全新的以數(shù)字信號處理器（以下簡稱DSP）TMS320VC33為核心、高速高精度并行A/D為手段的高速信號處理系統(tǒng)，實時處理流量計中兩個敏感元件輸出的兩路信號，輔以現(xiàn)代信號處理算法，精確計算兩路信號的頻率和相位差，從而得到被測流體的質(zhì)量流量和密度等信息。而且利用DSP的強大運算能力，輔以人工智能算法對流量計實時進行檢測和故障診斷，提高了HKC科氏質(zhì)量流量計的使用可靠性和精度。

    1 系統(tǒng)綜述

    該系統(tǒng)由激、拾振電路，信號放大濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，信號處理電路，單片機，LCD顯示電路，鍵盤輸入電路，報警電路，通信電路（包括RS-232、485串口，4~20mA電流輸出，1~5V電壓輸出和0~10kHz頻率輸出）以及相應(yīng)的處理軟件組成，其具體硬件框圖如圖1所示。

    激、拾振電路由89C2051單片機、AD和DA及相應(yīng)的控制電路組成，實現(xiàn)傳感器的閉環(huán)自激振蕩，自動跟蹤傳感器的一階固有頻率，并且保持傳感器的振幅穩(wěn)定。信號放大濾波電路完成對微弱信號的放大和帶通濾波，為了減小此部分模擬電路對兩路信號相位的影響，低通濾波的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器的一階固有頻率，而高通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳感器的一階固有頻率。A/D轉(zhuǎn)換電路由采樣時鐘控制電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片及數(shù)據(jù)鎖存器組成。完成對信號的不間斷采樣和數(shù)據(jù)的傳輸處理。LCD顯示電路由專門的單片機控制，完成實時數(shù)據(jù)的顯示和各種診斷信息的報告顯示。鍵盤輸入完成對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、顯示單位選擇、時間校準(zhǔn)等功能。報警電路由蜂鳴器及其控制電路組成，完成對各種異常情況的報警。通信電路用于與PC機的通信與控制，以及與其他智能儀表通信。系統(tǒng)軟件分為單片機和DSP軟件兩類，單片機軟件包括監(jiān)控程序、系統(tǒng)白檢程序、瞬時質(zhì)量流量計算程序、流體密度計算程序、溫度補償程序、數(shù)據(jù)傳輸程序、LCD顯示控制程序、鍵盤輸入程序、通信程序等子程序。DSP軟件包括監(jiān)控程序、實時數(shù)據(jù)采集預(yù)處理程序、頻率計算程序、相位差計算程序、累計量計算程序、系統(tǒng)故障診斷程序、數(shù)據(jù)傳輸程序。具體結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    2.1 信號放大濾波電路及A/D轉(zhuǎn)換電路

    信號放大濾波電路主要對閉環(huán)系統(tǒng)輸出的微弱信號進行放大及濾波處理，滿足后續(xù)處理電路對信號的要求。該電路采用低噪聲放大器OPA604，輔以精密電阻和高精度電容，對閉環(huán)系統(tǒng)的拾振器拾取的兩路振動信號進行幅度放大及低通濾波。為了減小濾波電路對兩路信號相位的影響，該低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號頻率。

    A/D轉(zhuǎn)換電路采用兩片16位100kHz采樣率的AD676進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部集成了采樣/保持電路，輸出采用并行16位方式，片內(nèi)具有輸出鎖存器，各邏輯控制和輸出接口適合大部分微處理器，可以方便地實現(xiàn)與DSP的數(shù)據(jù)通信。兩片AD676工作在連續(xù)采樣模式，采樣時鐘由晶振經(jīng)過分頻后提供，兩個由兩片AD676產(chǎn)生的BUSY售信號經(jīng)過或門后輸出給DSP，產(chǎn)生INTO中斷，由DSP實時將兩路共32位數(shù)據(jù)采集到DSP的RAM中進行數(shù)據(jù)處理。

    2.2 DSP及其控制電路

    信號處理電路以TI公司的TMS320VC33-120浮點運算高速信號處理器為核心，輔以2Mbit Flash構(gòu)成最小信號處理系統(tǒng)。由于TMS320VC33工作在3.3V，而A/D轉(zhuǎn)換電路工作在5V電平，因此在地址、數(shù)據(jù)總線及控制信號都利用SN74LVTH16245作為平轉(zhuǎn)換。TMS320VC33與兩路AD676進行數(shù)據(jù)傳輸時采用中斷方式，當(dāng)兩片AD676均采樣完畢時，BUSY信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑駾SP申請INTO中斷，DSP響應(yīng)中斷后利用地址譯碼選中AD676進行數(shù)據(jù)讀取。兩路信號的采樣值在DSP中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)實時數(shù)字濾波處理，由DSP主程序完成兩路信號相位差和頻率的計算。

    2.3 液晶顯示及鍵盤輸入電路

    測量結(jié)果包括瞬時質(zhì)量流量、累積質(zhì)量、溫度、瞬時體積流量、累積體積、密度、組分甲的百分含量，組分甲的密度要通過液晶實時顯示給用戶，而且用戶設(shè)置的相關(guān)信息也要通過液晶顯示。選用MGLS-19264作為測試系統(tǒng)的顯示設(shè)備。結(jié)果的顯示采用很友好的圖形界面，使用者可以很方便地讀取相關(guān)的測量和記錄的信息。液晶顯示器由單獨的一顆8051單片機控制，實現(xiàn)實時測量結(jié)果的顯示與處理，這也是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種體現(xiàn)。

    為了提供用戶一個良好的操作環(huán)境，方便用戶對測量儀表的控制與管理，鍵盤設(shè)計中采用組合鍵的方式，在不同的選用模式下，每個鍵盤的功能不同，這樣可以大大減少鍵盤的使用數(shù)量，簡化了面板設(shè)計。

    3 軟件設(shè)計

    軟件設(shè)計中由于涉及到DSP和多個單片機的開發(fā)，因此程序結(jié)構(gòu)有所差異，下文著重介紹DSP軟件的結(jié)構(gòu)、計算相位差和頻率的計算方法。

    3.1 DSP系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

    DSP系統(tǒng)軟件的程序流程如圖3所示。

    DSP系統(tǒng)主要由系統(tǒng)監(jiān)控程序完成各組成部分的協(xié)調(diào)管理。監(jiān)控程序主要完成對各個標(biāo)志位的檢查，判斷各種狀態(tài)是否有效，若為有效則調(diào)用相應(yīng)的子程序完成指定功能。數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理程序主要針對AD采樣數(shù)據(jù)更新后對其進行讀取、帶通數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)的存儲。頻率、相位差、累積量等計算程序主要負(fù)責(zé)對緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)算法的計算，完成對頻率、相位差和累積量的解算。數(shù)據(jù)傳輸程序完成DSP與單片機的實時數(shù)據(jù)通信，當(dāng)計算結(jié)果更新后，DSP將數(shù)據(jù)按指定地址寫到相應(yīng)的鎖存器中，并向單片機申請中斷，完成數(shù)據(jù)的傳輸。由于在此系統(tǒng)中，DSP與單片機的數(shù)據(jù)交換是單方向的，始終是DSP將計算結(jié)果傳輸給單片機，因此鎖存器也是單方向。系統(tǒng)故障診斷程序完成系統(tǒng)各種故障信息的判斷，如諧振管在測量過程中突然停止振動、出現(xiàn)較強的氣液兩項流等現(xiàn)象時，故障診斷程序會根據(jù)各種相關(guān)信息給以準(zhǔn)確的判斷，并將相應(yīng)的判斷信息通過數(shù)據(jù)傳輸程序傳輸給單片機進行相應(yīng)的顯示和報警處理。

    3.2 頻率和相位差算法

    計算頻率和相位差的算法采用過零點提取的辦法來實現(xiàn)。雖然此種算法沒有復(fù)雜的理論作為依據(jù)，但在此系統(tǒng)中也是比較有效而且代碼效率較高的算法之一。

    對于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波y=Asint而言，過零點即y=0在一個周期[0，2π]中存在3個：t₀=0，t₁=π，t₂=2π，則正弦波的頻率為

    這樣只要利用算法提取正弦波的過零點信息，即可計算出正弦波的頻率f。由于兩路正弦信號進行同時采樣，即時間軸是統(tǒng)一的，所以相位差也采用過零點的方法來進行計算，對于另一路正弦信號y′=A′sin（t+θ），則在t₀′=-θ，t₁′=π-θ，t₂′=2π-θ三個點，y′=0，所以y和y′的相位差為Δφ=t₀-t₀′。

    首先在計算前，將原始數(shù)據(jù)進行帶通濾波處理（這項工作由數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理程序完成），以濾除各種干擾信號對算法精度的影響。本設(shè)計采用8階FIR帶通濾波器，利用布萊克曼窗對原始信號進行處理，即利用8個存儲單元存儲原始數(shù)據(jù)，當(dāng)采集的新數(shù)據(jù)讀入DSP后，首先將8個存儲單元中的個數(shù)據(jù)丟棄，然后將其他7個地址單元中的數(shù)據(jù)依次向前移動一個地址單元，然后將新數(shù)據(jù)存放到這8個存儲單元的個地址單元，緊接著對這8個數(shù)據(jù)進行濾波處理，結(jié)果存入指定的地址單元，以便計算頻率和相位差使用。其次，計算兩路信號的過零點，提取信號的頻率和相位差信息。通過程序?qū)V波后的數(shù)據(jù)進行判斷，尋找過零點的初步位置，即過零點一定在數(shù)據(jù)由正轉(zhuǎn)為負(fù)或者是由負(fù)轉(zhuǎn)為正的時刻之間。然后提取粗測過零點附近前后20個數(shù)據(jù)進行2次曲線擬合，利用牛頓法對擬合曲線進行方程求解，即可得出正弦信號的過零點。在利用過零點進行計算頻率和相位差時，采用4個信號周期平均的方式，得到最后的頻率和兩路信號的相位差。

    4 實驗結(jié)果

    利用HF33210A數(shù)字信號發(fā)生器給出正弦信號，同時輸出到兩路放大濾波電路中，由于兩路輸入信號來自同一個信號發(fā)生器的輸入，所以理論的相位差為零。測量結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果

    從測量結(jié)果中可以看出，頻率測量的相對誤差為0.023%，滿足預(yù)期的設(shè)計要求。零相位差的測量結(jié)果表明，由于信號放大部分存在有高通濾波器的影響，頻率較低時，模擬電路本身造成了兩路信號的相位差較大；而頻率較高時，影響較小。

    為了初步驗證實驗系統(tǒng)對相位差的測量，設(shè)計了一個簡單的低通濾波電路（R=50kΩ，C=1μs），將一路信號經(jīng)過此低通電路后，利用其產(chǎn)生一個微小的相移（Δφ=1.82378°）來模擬傳感器在有流量時的輸出信號，利用示波器初步檢驗電路的相位測量誤差。實際的測量結(jié)果初步表明檢測電路能夠?qū)崿F(xiàn)對相位差的高精度檢測。為了達到實用化的目的，筆者正在利用實際的流量標(biāo)定裝置對此套測量系統(tǒng)進行全面的標(biāo)定，進一步確定傳感器參數(shù)。

    5 結(jié)束語

    將DSP和現(xiàn)代信號處理技術(shù)應(yīng)用于HK-CMF科里奧利質(zhì)量流量計中，充分利用了DSP強大的運算能力，實現(xiàn)了信號的帶通濾波、頻率、相位差及累積量的計算，并在測量精度和實時性方面超過以往的模擬系統(tǒng)。而且數(shù)字系統(tǒng)可以很好地抑制使用現(xiàn)場存在的流體、管道振動和其他各種干擾對測量精度的影響。下一步將針對實際樣機進行測試研究。