CN101413814A - 基于cpld的涡街流量计及其修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流量测量技术领域，涉及一种基于CPLD的涡街流量计，包括电源电压转换电路，用于产生的涡街信号的压电传感器，前置信号处理电路，标准脉冲整形电路，CPLD及其外围电路，为CPLD提供时钟的晶振电路，精密压流转换电路，其中，压电传感器、前置信号处理电路、标准脉冲整形电路依次相连，由标准脉冲整形电路输出的PWM信号被送入CPLD；CPLD内存储有反映修正前后涡街频率对应关系的查找表，CPLD根据输入的PWM信号，对涡街信号进行计数，并利用查找表，对计数值进行修正，输出反映流量大小的频率信号。本发明同时提供该种流量计的修正方法。本发明具有低功耗、性能可靠、实时性好的优点。

Description

基于CPLD的涡街流量计及其修正方法

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种涡街流量计。

背景技术

涡街、涡轮等频率信号输出的流量传感器在较宽流量范围内都能获得具有良好重复性的输出信号。涡街流量计在正常流量范围内，其仪表系数基本为一常数，但在测量小流量时，却表现出明显的非线性，制约了涡街流量计测量范围和测量精度。例如，普通模拟涡街确保仪表系数非线性误差在±1％以内时的量程比只能达到1：10，远低于理论量程1：100。随着工业技术的发展和进步，对于宽量程高精度流量仪表的需求日渐迫切，各种仪表系数非线性修正方法和应用相继出现。

最早出现的是采用硬件电路进行修正，在传感器前置放大电路增加一些硬件电路，人为掺加(或减少)一个固定频率信号，从而使传感器实际输出信号频率得到修正，改善其仪表系数的非线性程度。此方法的缺点是只适用于单调上升(或下降)的曲线形状，而且硬件补偿灵活性差、补偿精度不太高。但由于是硬件电路设计，保证了良好的稳定性和可靠性。

随着电子技术特别是单片机技术的迅猛发展，这一问题得到了更好解决。根据实际标定的结果可以回归出仪表系数与频率的函数表达式，将表达式存入单片机系统的程序存储器中。测量时测出传感器信号频率，根据函数表达式计算出此时的仪表系数来进行计算，从而达到对仪表系数非线性的修正。这种方法操作简单，而且通用性好，补偿精度更高、更灵活。但是由于该方法是靠软件补偿来实现，编程时出现的微小纰漏与应用现场复杂情况造成的不确定性，都易使得程序偏离正常的路径，进而造成死机或者程序“跑飞”的现象，造成使用上的不稳定。

传统的方法是将平均仪表系数作为传感器仪表系数的唯一值来使用，以致流量仪表在保证测量精度前提下的测量范围较窄。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种低功耗、性能可靠、实时性好的涡街流量计，同时提供一种通过对仪表系数的非线性修正而提高测量精度，并能扩展测量范围的测量方法。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种基于CPLD的涡街流量计，包括电源电压转换电路，用于产生的涡街信号的压电传感器，前置信号处理电路，标准脉冲整形电路，CPLD及其外围电路，为CPLD提供时钟的晶振电路，精密压流转换电路，其中，压电传感器、前置信号处理电路、标准脉冲整形电路依次相连，由标准脉冲整形电路输出的PWM信号被送入CPLD；CPLD内存储有反映修正前后涡街频率对应关系的查找表，CPLD根据输入的PWM信号，对涡街信号进行计数，并利用查找表，对计数值进行修正，输出反映流量大小的频率信号。

本发明的基于CPLD的涡街流量计，最好还包括精密压流转换电路，用于将CPLD的输出信号转换成4～20mA的电流输出信号。

本发明同时提供一种基于CPLD的涡街流量计所采用的修正方法，包括下列步骤：

a)利用水流体流量标准测量装置，在正常流量范围内选取流量点进行实验，然后再选取正常范围以下的小流量点进行实验，最终优选出两个范围内试验重复性均小于0.2％的流量点作为插值点；

b)利用计算机处理实验数据，采用三次样条插值法对步骤(1)中实验数据进行逼近，得到流量点与涡街频率的对应关系，然后生成反映修正前后涡街频率的对应关系的查找表；

c)在CPLD里写入基于查找表的修正程序，完成对涡街频率的修正。

上述的修正方法，其中的步骤(2)可以按下列步骤执行：

1)初始化，根据实验结果，确定插值结点、插值步长、时钟频率c、仪表精度等级L；

2)根据 $\begin{array}{c}{K}_{\min }=\stackrel{\‾}{K}-\stackrel{\‾}{K}L/2\\ K_{\max }=\stackrel{\‾}{K}+\stackrel{\‾}{K}L/2\end{array},$ 计算在L精度内的K，K_min，K_max，其中，K为正常流量范围的平均仪表系数；

3)根据三次样条插值方法，对整个量程范围内步长时隔的频率点进行插值，得到K_i，i＝1，2，...，n，n为插值点数，根据计数值N、涡街频率f和时钟频率c之间的关系式 $N=\frac{c}{f},$ 计算相应的N_i；

4)对于每个N_i，根据计算 $N_{i\min }=\frac{N_i{K}_i}{K_{\max }}$ 和 $N_{i\max }=\frac{N_i{K}_i}{K_{\min }};$

5)若N_i min<N_i<N_i max，则不需要进行修正， $N_i^{\&prime;}=N_i;$ 反之，则需要将不满足条件的m个点筛选出来，以备修正，m<n；

6)对于待修正的N_i，i＝1，2，…，m，总有一个满足线性度条件的区间N_i min～N_i max与之对应，且相邻k个N_i的N_i min～N_i max区间存在重叠部分，将这k个N_i修正为同一个使得

落在k个N_i min～N_i max区间的交集。

本发明具有如下的技术效果：

[1]高度的稳定性与可靠性。基于乘积项的CPLD器件内部基本结构为“与-或阵列”，本质上是纯硬件结构的，因此在工作时，它通过编译程序语言，完成门电路的组合和内部电信号的传递，实现逻辑功能，而无需依靠执行语句来完成。这就从根本上克服了软件系统中易出现的死机与程序“跑飞”现象，提高了稳定性与可靠性。

[2]设计简单。在软件上，靠查找表实现修正功能；硬件电路上，CPLD芯片采用JTAG下载方式而无需配置芯片，同时接口丰富、兼容性强，加之其高度的抗干扰能力，都大大降低了电路设计的复杂性。在以前的研究中，人们针对基于单片机的涡街系统做了大量工作，而将CPLD引入涡街系统中还未见报到。表1对比了CPLD与单片机系统的性能和特点。

表1 CPLD与单片机系统的性能和特点

 

	CPLD	单片机
			结构	门电路组成的纯硬件结构	单线程软件结构
工作方式	经程序固化成门电路组合	按时钟信号顺序读取语句
			时钟速度	核心频率可以到几百兆	仅可达几十兆
运行方式	并行运行	串行运行
			处理能力	所有进程都同时运行，处理能力强	调用中断资源响应事件，处理能力有限

[3]运行速度快。从表中对比发现，CPLD的时钟可以达到几百兆，而且几个进程可以同时进行，相比单片机，运行速度大大提高。因此实时性更好。而且，以往利用单片机的非线性修正方法需要将标定后的仪表系数与频率的函数关系式存入单片机中，传感器的频率值需要与仪表系数作运算才能得到流量值，实现最终修正。而利用CPLD进行修正的方法，将函数关系拟和、非线性修正方法全部在上位机(计算机)中完成，只得到修正前后的频率对应关系表(查找表)，将该表作为核心部分写入CPLD程序中，最终实现仪表系数的非线性修正。相比单片机而言，这种方法省去了计算，且节约了资源。

[4]灵活方便的非线性修正。由于CPLD的涡街系统其修正方法主要是在上位机中进行，因此可以利用计算机中丰富的软件工具对仪表系数与频率函数关系进行分析，最终得到最能反映其关系的曲线。本发明利用上位机进行matlab曲线拟和，其优点是软件内部包含许多实用的曲线拟和、插值函数，可以直接调用，而且无需产生函数关系式，只需将待插值的频率点输入就能产生对应的仪表系数。使用起来灵活方便。

[5]低功耗。随着单片机技术的发展，通过选择合适的芯片在完成非线性修正的同时实现低功耗已经成为可能。同样，基于CPLD的涡街系统也存在这个问题，通过合理的选择CPLD主控芯片，加之软件、硬件上的优化设计最终也能实现低功耗的设计目标，提供4～20mA电流输出。

综合以上分析，提出了本发明：首先通过优化涡街前置信号处理电路，使其仪表系数在较宽的量程范围内保持良好的重复性。然后通过CPLD，对信号进行采集，利用脉冲捕获的方法辨识其输入频率，当该频率段仪表系数线性度较好时，无需修正；当其线性度不满足精度要求时，通过查找表的方式进行系数修正，最终实现输出。为实现系统的低功耗指标，本发明从CPLD芯片选型、模拟电路设计和VHDL程序优化等多方面入手，始终注重降低系统的功耗，并最终成功将系统动态功耗降低至4mA以下，实现了4～20mA电流输出。

附图说明

图1本发明的基于CPLD的低功耗涡街流量计；

图2采用三次样条插值法对仪表系数进行拟合的曲线；

图3采用线性插值法对仪表系数进行拟合的曲线；

图4采用最小二乘法(阶数为5)对仪表系数进行拟合的曲线；

图5采用最小二乘法(阶数为6)对仪表系数进行拟合的曲线；

图6本发明采用的各个程序模块之间关系图；

图7查找表程序流程图；

图8利用三次样条差值实现的仪表系数修正图，L＝0.01；

图9利用三次样条差值实现的仪表系数修正图，L＝0.008；

图10利用三次样条差值实现的仪表系数修正图，L＝0.005。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步描述。

参见图1，本发明的涡街流量计采用集两线制电流与三线制脉冲两种输出方式为一体的设计，主要从双通道输出和低功耗的角度考虑，设计了基于CPLD涡街流量计的整体电路。

如图所示，压电传感器、仪表的整体结构可分为压电传感器、涡街前置信号处理电路，标准脉冲整形电路，精密压流转换电路，电源电压转换电路，晶振电路以及最为核心的CPLD主控芯片电路，下面分别对各个部分予以说明。

1.压电传感器

压电传感器中封装有压电陶瓷片，当流体通过涡街流量计时，在漩涡发生体下游产生频率稳定的交替排列的两列漩涡，压电陶瓷片受到这种交变应力的作用产生出与涡街频率一致的交变电荷信号。

2.前置信号处理电路

此部分电路已十分成熟，许多厂家都在延用。出于对系统的低功耗特性和输出的驱动能力两方面的考虑，分别选用了美国德州仪器(简称TI)公司的单电源、低电压、低功耗的TLV2254四运算放大器和TLV2252两运算放大器，来实现涡街流量计的前置放大电路。

此部分电路是非线性的修正的基础，保证可以产生宽测量范围且重复性好的涡街脉冲信号。

3.标准脉冲整形电路

来自模拟涡街电路的脉冲信号，虽然波形整齐，方波的前后沿较陡，但是方波的脉冲信号并不规范，不足以驱动CPLD芯片的I/O端口，因此，为使CPLD捕获到含有流量与频率关系的脉冲信号，就需要标准脉冲整形电路对模拟信号进行整形。通常的方法，是选用单稳态触发器进行整形变换，将方波信号转换成高电平脉宽确定而频率相同的PWM波信号，由于两波频率相同，且经整形后，PWM驱动能力增强，因此确保了CPLD对涡街信号的有效提取，同时保持了一定的精度。这里选用集成单稳态触发芯片CD4538构成该标准脉冲整形电路。

4.压流转换电路

压流转换电路选用集成的电流转换芯片AM402，其内部由高精度仪用放大器，内部基准电压源，压控电流输出三个功能模块组成。有两线制和三线制两种工作方式。既可实现将差动电压转换成电流输出，也可将单电压输入的信号转换成电流输出。本发明为AM402的两线制应用，即输出4～20mA电流，供电电压为+12/+24V。输出电流由两部分组成：4mA的偏置电流和输入电压转换成的电流。其中，偏置电流由芯片的8，9脚输入的差动电压来产生，进行压-流转换的电压由芯片7脚外接可变电压产生，即PWM波经RC滤波之后的输出电压。

5.电源电压转换电路

电源模块的设计是仪表能够正常运行的重要保证，特别对于CPLD，提供可靠和较低的供电电压尤其重要。选用了两片供电电压分别为1.8V和3.3V的AAT3221芯片分别作为CPLD与其他模拟芯片的供电电源，该芯片主要特征为：1.1uA静态电流；最大150mA的输出电流；2％的精密度；输出电压范围为1.6V-3.5V。选用AAT3321芯片的主要考虑其低功耗的特点。

6.晶振电路

本发明选用的晶振电路为由“与非门”构成的经典电路，选取的芯片为CD4011BC芯片。采用该电路主要有两个目的：一是降低晶振电路的功耗。经电流测试与比较可知，与有源晶振、反相器74LS04和74HC04分别构成的晶振电路比较，该电路工作电流最低，功耗最小。第二个目的则为了提升驱动能力，使时钟信号更有效地驱动CPLD。

此外，CD4011与非门对晶振波形的整形效果较好，可使输出波形更接近理想正弦波。并且通过调节负载电容，可使晶振频率误差低于0.5‰。

7.CPLD主控芯片电路

本发明在进行芯片选型时，主要考虑了功耗和逻辑资源数两方面的影响，最终选取EPM570GT100芯片。该芯片是MAXII系列的一款芯片，MAX II系列器件是美国的ALTERA公司，在近15年的CPLD发展和创新基础上最新推出的CPLD器件，号称是迄今为止成本最低、功耗最小、密度最高的CPLD器件。

作为整个涡街系统的控制核心，能否将CPLD主控芯片的功耗降至较低水平，将决定整个系统低功耗设计的成败。因此在CPLD的设计中，为了减小功耗主要进行了以下措施：

①合理选型，选取少逻辑单元数与低内核电压的器件。不同器件的系统功耗相差很大，逻辑资源数量越多，内核电压越高，功耗越高。这里选用的EPM570GT100芯片，其内核和I/O端口供电电压均为1.8V。

②降低系统频率。当部分端口或信号无需工作在高频状态时，降低其工作频率，可以降低系统输入电流与功耗。这里晶振频率选择1M。

③减少输入端口数量，可有效减小器件所消耗的动态与静态电流。本身系统的输入只有一个端口。

④减小芯片逻辑单元使用量。逻辑单元使用量越少，功耗越低。根据EPM570GT100芯片手册，其资源与功耗适中。

⑤优化程序与算法。该部分在软件设计中重点介绍。

⑥其他优化设计，包括软件编译优化，减短PCB布线长度，降低I/O端口电平。

将整个电路系统依照功能，重新划分为压流转换与电源模块、涡街检测模块、晶振模块与CPLD模块，对每个模块在不同电源电压供电情况下的输出电流进行独立的测试。测试结果可见表2：

系统各模块电流消耗表2

 

	压流转换与电源模块	涡街检测模块	晶振模块	CPLD模块
					供电电压	24V	3.3V	3.3V	1.8V
电流	0.82mA	0.25mA	0.42mA	1.94mA

整体电路的消耗电流是在整个涡街系统正常工作状态下测出的有效动态电流，经测量，在24V电源供电时，二线制输出电流最低为3.48mA，低于4mA的要求。因此，电路系统成功实现了在低功耗指标上的设计，证实了本系统低功耗设计与应用的可行性。

非线性修正方法的选择：

本发明希望通过对小流量时的仪表系数进行非线性修正，进而实现扩展测量下限的目的。因此，修正方法是关键。通过对比三种修正方法：线性插值法、三次样条插值法以及最小二乘法，最终确定了使用三次样条插值法对仪表系数进行拟和，然后利用上位机编写matlab程序，产生CPLD程序中所需要的查找表，该查找表反映了修正前后涡街频率的对应关系，是整个软件设计的关键。为了实现低功耗，受CPLD芯片资源的限制，查找表的生成也需要特别设计。

三次样条插值法基本思想是，在由两相邻结点所构成的每一个小区间内用低次多项式来逼近，并且在各结点的连接处又保证是光滑的(即导数连续)。

设在区间[a，b]上给定一组结点X：

a＝x₀<x₁<x₂<…<x_n＝b

和一组与之对应的函数值Y：

y₀，y₁，y₂，…，y_n

若函数S(x)满足下列条件：

(1)在每一个子区间[x_k-1，x_k](k＝1，2，…，n)上，S(x)是一个不超过三

次的多项式；

(2)在每一个结点上满足S(x_i)＝y_i，i＝0，1，…，n

(3)S(x)在区间[a，b]上为二次连续可微函数。

则称S(x)为在结点X上插值于Y的三次样条函数。

从理论上分析，三次样条插值相比线性插值和最小二乘法有其优点：线性插值法虽然计算简单，但是在各个小区间的连接处其导数不连续，会引起函数的失真。而三次样条插值法在各结点连接处光滑且连续。从流量计标定角度分析，首先要保证各检定点在精度范围内，其次是其余各点，而最小二乘法的思想是使全局达到误差最小，这样有可能在检定点附近出现较大的误差，而三次样条插值则克服了这一缺点，不仅检定点上保证无误差，在其余检定点也能保证在误差范围内。该结论通过试验也得到最终验证，以DN25水流量标准装置试验为例：表3中列出了不同拟和方法与试验点之间的误差，图2-5给出了各方法的拟和效果。

表3：拟和结果与实验结果比较

软件总体设计：

由于CPLD的程序设计可以同时进行多个进程，因此将程序分为四个模块，即四个进程，提高了程序运行速度。以下将分别介绍：

时钟模块：各模块的运行都要有一个时钟基准，此模块提供了时钟频率c。由前述分析可知，时钟频率的大小也会影响到功耗，因此这里选择用一个1M的无源晶振经32分频后得到的c＝31250Hz作为整个电路的时钟基准。

频率采集模块：由于涡街信号是一个脉冲信号，因此利用脉冲捕获方法进行计频。相邻脉冲上升沿的时间间隔通过高频时钟c来进行计数，计数值N、涡街频率f和时钟c存在如下关系

$N=\frac{c}{f}---\left(1\right)$

这样，通过对每个脉冲间隔进行计数，就间接获得了涡街频率。

频率修正(查找表)模块：对计数值N按照三次样条插值法进行修正，得到N′。

脉冲(或PWM波)输出模块：将修正后的计数值N′，根据公式(1)，对高频时钟c进行N′分频，最终将修正后的涡街频率以方波(或PWM波)形式输出。

各模块之间关系如图6所示。

查找表法的选择：

查找表法常用于FPGA的设计中。在FPGA设计中常常要实现一些复杂运算(如乘法、除法、三角函数等)，而这些运算会占用大量的逻辑单元，且速度难以满足信号实时处理的要求，查找表法是解决这一问题的最简单、有效的方法。其基本原理为：将函数所有输入变量的运算结果写入FPGA的存储单元中，同时以这些输入变量作为该存储单元的地址。当运算时，通过读取存储单元地址的方式获取计算结果，这样一来，不仅大幅减少了运算所需逻辑单元，又满足了实时运算的要求。

仪表系数非线性修正方法的本质其实是对频率的修正，即对于每个输入频率信号，总有一个进修正后的输出频率信号与之对应，可见这种方法尤其适宜采用查找表的方法来实现。

在CPLD设计中采用查找表的方法，需通过程序语言，将一定数目的逻辑单元划分为等效的存储单元，以输入信号的信息为地址，读取修正结果，修正点越多则等效存储器越大，消耗逻辑单元数越多。经比较，基于查找表的修正方法在资源消耗量上，远小于函数运算的方法。函数运算修正方法需要大量的乘法和除法运算器，而每个运算器常常消耗数以千记的逻辑单元数，这远非资源量有限的CPLD可以承受。而查找表法则以等效存储器取代乘法器与除法器，消耗更少的资源，满足了CPLD资源量的要求。

在涡街系统的应用中，可根据查找表的对应关系，分为基于频率值修正的查找表法与基于脉冲间隔数修正的查找表法。

基于频率值修正的查找表法：

在基于频率值修正的查找表法中，查找表反映的是实验得到的涡街频率f与修正后频率f′的对应关系，在同一流量点下，有如下关系：

$\frac{f}{K}=\frac{f\&prime;}{K\&prime;}---\left(2\right)$

则修正后的仪表系数 $K\&prime;=\frac{f\&prime;K}{f},$ 其中K为实验得到的仪表系数，即修正前的仪表系数。因此，查找表中直接反映的是修正前后的f-f′值。使用这种查找表进行修正的优点在于物理意义明显，即查找表中直接可以观测修正前后的信号频率，便于比对修正效果。然而资源消耗量过大的缺点也十分明显。

由前文可知，CPLD提取的涡街信号信息是高频时钟下的计数值N，需经式(5-1)的除法运算才可得到涡街频率f；而修正频率f′同样需经式(1)的除法运算才可得到输出脉冲计数值N′。因此，当时钟频率为31250Hz时，至少需要两个16位除法器，才能得到查找表的输入频率与输出计数值，消耗资源量较大。经测试，以频率值修正法编写的程序，在未嵌入查找表的情况下，消耗616个逻辑单元，需使用比EPM570资源更多的芯片，这便不满足了系统的功耗要求。

基于脉冲间隔数修正的查找表法：

与上述方法不同的是，基于脉冲间隔数修正的查找表法中，查找表反映的是输入与输出脉冲间隔N-N′的对应关系，可分别直接读取与输出这两个脉冲间隔数，因此，无需引入除法器，这就大大节省了资源消耗数。经测试，在31250Hz时钟下，以脉冲间隔数修正法编写的程序，在未嵌入查找表的情况下，消耗200个逻辑单元，满足EPM570的资源要求；同时为实现修正，可最多嵌入约150个查找表，满足了精度的要求。

查找表资源优化与实现：

受CPLD资源数以及功耗的限制，要求在满足涡街流量计线性度的前提下，尽可能地利用较少的CPLD资源对仪表系数进行修正，使涡街流量计的量程可以扩大，这里主要是对流量下限进行扩展。而程序中查找表占据了CPLD的大部分资源，因此对其进行优化是十分必要的。

为了说明修正思想及如何优化查找表，仍以前述DN25实验数据进行说明，采用三次样条插值法进行频率修正。如图8所示，在正常流量范围内1～9.3m³/h(频率20.41～185.87Hz)，线性度在1％以内，在此范围的流量点不需要仪表系数修正。流量在0.5～1m³/h(频率10.86～20.41Hz)时，可以保证良好的重复性，因此可以通过修正将仪表系数修正到正常流量范围所在的仪表系数区间K_min～K_max。

K_min＝K-KL/2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

K_max＝K+KL/2

其中，K为正常流量范围的平均仪表系数，L为精度等级，对于液体涡街流量计L＝0.01，气体涡街流量计L＝0.015。这样，涡街流量计的量程得以扩展。

基于以上思想，首先利用Matlab在上位机编写查找表生成程序，将生成的查找表拷贝到CPLD程序中，最终完成整个CPLD程序的编写。由于查找表程序是整个程序设计的核心，兼顾着非线性算法实现以及资源优化的双重使命，因此以下将进行详细介绍。查找表程序流程图如图7所示。

对每一个步骤作具体说明：

(1)初始化：根据实验结果，设置插值结点，选择线性度范围内的6个检定点和最小流量点(图7)；设置新插值点的插值步长sf，在整个量程范围内每0.01Hz插一个点；高频时钟频率c，设置为31250Hz；仪表的精度等级L＝0.01。

(2)根据实验结果，计算在L精度内的K，K_min，K_max(式3)。

(3)根据三次样条插值方法，对整个量程范围内步长间隔为sf的频率点f_i进行插值，得到K_i，i＝1，2，…，n，n为插值点数。按照式(1)，得到相应的N_i。

(4)各插值点的K_i若要保证在线性度范围内，必须使K_i落在K_min～K_max区间，相应地，其N_i必须落在N_i min～N_i max，根据式(1)可得

$N_{i\min }=\frac{N_i{K}_i}{K_{\max }}---\left(4\right)$

$N_{i\max }=\frac{N_i{K}_i}{K_{\min }}---\left(5\right)$

(5)若N_i min<N_i<N_i max，则不需要进行修正， $N_i^{\&prime;}=N_i.$ 反之，则需要将不满足条件的m个点筛选出来，以备修正，m<n。

(6)对于待修正的N_i，i＝1，2，…，m，总有一个满足线性度条件的区间N_i min～N_i max与之对应。在计算中发现，相邻k个N_i的N_i min～N_i max区间存在重叠部分，因此可以将这k个N_i修正为同一个使得

落在k个N_i min～N_i max区间的交集中。这种方法可以大幅度减少查表的数量，使CPLD资源得到优化。

利用此程序得到修正后的结果如图8、图9、图10所示，无论精度等级要求如何，都能将所有超出K_min～K_max的各点修正到该区间内，扩大了涡街流量计的测量范围。

该程序的另一特点是，可以根据实际需要改变L的大小以获得更高的精度，当然，这是以牺牲资源(查找表个数)来换取的。对前述实验数据进行分析，不同精度下所需查找表个数如表4：

表4：不同精度下查找表个数

 

精度L	查找表个数
		0.01	34
0.008	53
		0.005	191

可见，精度要求越高，超出线性度范围内的点越多，即待修正的点越多，因此需要的查找表个数就越多。在实际应用中，根据具体要求协调二者之间的矛盾。

试验结果：通过在DN25和DN50水装置上试验，经CPLD修正后的涡街流量计测量范围较修正前均有所扩展，而且完全可以实现4～20mA电流输出。

表5：不同厂家DN25和DN50液体涡街流量计的性能比较

由表5可明显看出，本发明基于CPLD的涡街流量计仪表系数非线性修正很好的解决了低流量下涡街测量的问题，与模拟涡街流量计比较，下限有了明显的扩展，虽然与数字涡街相比还存在一定的差距，但本发明实现简单且运行稳定可靠，成本低廉，不失为一款值得推广的宽量程高精度涡街流量计。

Claims (4)

1.一种基于CPLD的涡街流量计，包括电源电压转换电路，用于产生的涡街信号的压电传感器，前置信号处理电路，标准脉冲整形电路，CPLD及其外围电路，为CPLD提供时钟的晶振电路，精密压流转换电路，其中，压电传感器、前置信号处理电路、标准脉冲整形电路依次相连，由标准脉冲整形电路输出的PWM信号被送入CPLD；CPLD内存储有反映修正前后涡街频率对应关系的查找表，CPLD根据输入的PWM信号，对涡街信号进行计数，并利用查找表，对计数值进行修正，输出反映流量大小的频率信号。

2.根据权利要求1所述的基于CPLD的涡街流量计，其特征在于，所述的涡街流量计包括精密压流转换电路，用于将CPLD的输出信号转换成4～20mA的电流输出信号。

3.一种权利要求1所述的基于CPLD的涡街流量计所采用的修正方法，包括下列步骤：

(1)利用水流体流量标准测量装置，在正常流量范围内选取流量点进行实验，然后再选取正常范围以下的小流量点进行实验，最终优选出两个范围内试验重复性均小于0.2％的流量点作为插值点。

(2)利用计算机处理实验数据，采用三次样条插值法对步骤(1)中实验数据进行逼近，得到流量点与涡街频率的对应关系，然后生成反映修正前后涡街频率的对应关系的查找表。

(3)在CPLD里写入基于查找表的修正程序，完成对涡街频率的修正。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，其中的步骤(2)按下列步骤执行：

1)初始化，根据实验结果，确定插值结点、插值步长、时钟频率c、仪表精度等级L；

2)根据式 $\begin{array}{c}{K}_{\min }=\stackrel{\&OverBar;}{K}-\stackrel{\&OverBar;}{K}L/2\\ K_{\max }=\stackrel{\&OverBar;}{K}+\stackrel{\&OverBar;}{K}L/2\end{array}$ ，计算在L精度内的K，K_min，K_max，其中，K为正常流量范围的平均仪表系数；

3)根据三次样条插值方法，对整个量程范围内步长间隔的频率点进行插值，得到K_i，i＝1，2，…，n，n为插值点数，根据计数值N、涡街频率f和时钟频率c之间的关系式 $N=\frac{c}{f},$ 计算相应的N_i；

4)对于每个N_i，根据计算 $N_{i\min }=\frac{N_i{K}_i}{K_{\max }}$ 和 $N_{i\max }=\frac{N_i{K}_i}{K_{\min }}$

5)若N_i min<N_i<N_i max，则不需要进行修正， $N_i^{\&prime;}=N_i$ ；反之，则需要将不满足条件的m个点筛选出来，以备修正，m<n；

6)对于待修正的N_i，i＝1，2，…，m，总有一个满足线性度条件的区间N_i min～N_i max与之对应，且相邻k个N_i的N_i min～N_i max区间存在重叠部分，将这k个N_i修正为同一个

，使得

落在k个N_i min～N_i max区间的交集。

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