CN101614566A - 基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流量检测领域，为一种基于快速傅里叶变换(FFT)的功率谱分析的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4～20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、LDO、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路。采用汇编语言实现实数FFT算法，用周期图法处理涡街传感器信号，进行幅值和频率校正，计算瞬时和累积流量，输出4～20mA直流电流、两线制工作。本发明运算速度快，运算精度高，抗干扰能力强，节省存储空间，实时性强，制造成本低。

Description

基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种低功耗两线制涡街流量计，特别是一种以单片机(MCU)为核心、基于快速傅里叶变换(FFT)的周期图谱分析的低功耗、两线制涡街流量计信号处理系统。

背景技术

中国发明专利公布了一种改进的低功耗两线制涡街流量计(徐科军，刘三山，刘家祥，罗清林，朱志海.改进的低功耗两线制涡街流量计，申请发明专利，200810246107.9，申请日：2008.12.22)。一种改进的低功耗两线制涡街流量计由压电传感器、差分电荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4～20mA输出与电源管理电路、恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和16位模数转换器组成。该系统采用差分电荷放大器以提高提取涡街信号的能力，同时，增强抗干扰能力；由高通滤波器与低通滤波器级联组成带通滤波器，以获得更好的通带特性；将峰值检测电路放在带通滤波器之后，以提高峰值检测的精度；将比较器配置成触发器对涡街信号进行整形，利用定时器捕获方式，采用多周期等精度的频率测量方法，提高测量精度；将电路的模拟地通过串联电容和电感的方式，接至仪表外壳，以实现屏蔽和通过安全性能试验；采用少点数的FFT算法，粗估涡街流量传感器输出信号的频率，作为选择带通滤波器的依据。

发明内容

本发明系统采用基于快速傅里叶变换(FFT)的功率谱分析方法，处理涡街流量传感器的输出信号，直接由周期图法得到涡街信号的频率来反映流量大小，而不是原先由少点数FFT的功率谱粗估涡街频率，来选择合适的带通滤波器对涡街信号进行滤波，再根据脉冲计数来反映流量大小，所以，本发明系统的抗干扰能力更强。原先系统是一种数字与模拟相结合的两线制涡街流量计，数字指的是少点数FFT，模拟是指模拟带通滤波器。本发明系统完全基于FFT方法，所以，为了与原先的系统相区别，称本发明系统为基于FFT的低功耗两线制涡街流量计。为了实时实现FFT方法，本发明系统不仅采用新的超低功耗单片机，更为重要的是采用实数FFT算法，并采用汇编语言编制FFT程序，以提高运算速度和减少内存容量。正因为采用FFT方法，才可以去掉涡街流量传感器调理电路中的程控放大器，减少发明系统的器件和降低成本。通过隔离DC/DC将外部24V电源与供单片机和涡街信号调理电路相隔离，这样可以将调理电路的模拟地接至仪表的外壳，以提高抗50Hz工频干扰的能力，又能通过安全性能试验。

基于FFT的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4～20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、LDO、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路。

压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过电压放大器、限幅放大器、低通滤波器和电压跟随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行快速傅立叶变换(FFT)，做周期图谱分析，得到信号的频率值，计算出瞬时流量和累计流量，将流量信息显示在LCD上，由单片机的SPI接口通过光耦连接到数模转换器(DAC)进行转换，由4～20mA输出电路经过V/I转换成4～20mA电流信号输出。计算出来的流量频率由单片机U18的UART接口，通过光耦U7隔离，再经过整形后，发至外部单片机，将流量信息送出。外部单片机通过光耦U5，再经过整形电路U6，与单片机U18的UART相连，对系统进行设置。

外部24V电源电压通过DC/DC转换成7V电压，再通过隔离DC/DC，转换成3.3V，再通过LDO转换成3V电压，供给模拟信号调理电路(电荷放大器、限幅放大器、低通滤波器和电压跟随器)和单片机及外围电路。

本发明的优点是：采用实数FFT算法，并用汇编语言实现，与复数FFT算法相比，可以节省近一半的运算时间和存储量，使单片机可以实时实现2048点FFT算法，确定涡街流量的频率，与经过带通滤波器后、再通过脉冲计数来测量频率的方法相比，抗干扰能力大大加强；在算法中，采用幅值校正、频率校正、去最大值、去最小值、平均和加速等方法，提高计算精度和运算速度，减少波动；采用隔离的DC/DC为模拟信号调理电路和单片机及外围电路供电，使模拟信号调理电路的模拟地可以直接接至仪表的表壳，增强了抗50Hz工频干扰的能力，又能通过安全性能试验；省去程控放大电路，节省成本。

附图说明

图1是本发明系统的硬件框图。

图2是本发明系统中电荷放大器的电路原理图。

图3是偏置电平电路原理图。

图4是本发明系统中限幅放大器的电路原理图。

图5是本发明系统中低通滤波器和跟随器的电路原理图。

图6是单片机芯片管脚接线示意图。

图7是本发明系统中用于4～20mA电流输出的光耦隔离的电路原理图

图8是本发明系统中4～20mA输出电流控制电路的电路原理图

图9是本发明系统中DA转换电路图。

图10是4～20mA输出电路原理图。

图11是24V至3.3V电源电路原理图。

图12是3.3V到3V转换电路原理图。

图13是光耦隔离和整形电路原理图。

图14是本发明系统软件框图。

图15是本发明系统中主监控程序流程图。

图16是本发明系统中流量计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的设计思想是：采用实数FFT算法，并用汇编语言实现，减少运算量和存储量，使单片机可以实时实现2048点FFT算法，确定涡街流量的频率，提高抗干扰能力；在算法中，采用幅值校正、频率校正、去最大值、去最小值、平均和加速等方法，提高计算精度和运算速度，减少波动；采用隔离的DC/DC为模拟信号调理电路和单片机及外围电路供电，使模拟信号调理电路的模拟地可以直接接至仪表的表壳，增强了抗50Hz工频干扰的能力，又能通过安全性能试验；在电源部分采用隔离DC/DC进行电压转换，信号输出和通信采用光耦进行隔离；省去程控放大电路，节省成本。

本发明系统的总体结构如图1所示。本发明系统包括压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4～20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、LDO、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路。

本发明系统的工作过程为：压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过电压放大器、限幅放大器、低通滤波器和电压跟随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行快速傅立叶变换(FFT)，做周期图谱分析，得到信号的频率值，计算出瞬时流量和累计流量，将流量信息显示在LCD上，由单片机的SPI接口通过光耦连接到数模转换器(DAC)进行转换，由4～20mA输出电路经过V/I转换成4～20mA电流信号输出。计算出来的流量频率由UART接口接至通信模块，再通过光耦隔离，再经整形后，与外部单片机(MCU)通信，可以将流量信息送出，也可以对系统进行设置。

如图2所示，涡街流量传感器，即压电传感器输出的电荷信号经由放大器U14A、电容C23、C26、C30、C33、C34、电阻R36、R43、R46组成的电荷放大器放大，其中，C23、C34是反馈电容，决定了电荷放大器的放大倍数。图2和其它图中的偏置电压Vref由图3所示的偏置电平电路提供。偏置电平电路由运算放大器U14B、电阻R34、R35和电容C24组成，提供1.25V直流电压。

经过放大后的信号通过隔直电容C27，去除直流成分后，送至由放大器U15B、电容C25、C31、电阻R37、R39、R40、二极管D3、D4组成的限幅放大器，如图4所示。

经过限幅放大器后的信号送至低通滤波器和电压跟随器，如图5所示。低通滤波器由放大器U15D、电容C28、C29、电阻R38、R41、R42组成。电压跟随器由放大器U15A组成。

电压跟随器的输出信号Signal1，送至单片机的第7管脚P7.6/A14，如图6所示，供单片机ADC采样转换后进行周期图谱分析。本发明系统采用TI公司的单片机MSP430F5418为处理核心，如图6所示。由于本发明系统要做到超低功耗，同时，系统在信号处理时用到FFT运算，需要大容量的SRAM，但外扩会大大增加系统功耗，而MSP430F1611单片机具有16KB的SRAM。

单片机将计算出来的瞬时流量信息通过DAC转换成模拟量，再经过V/I转换，变成4～20mA电流输出。单片机的第21、22和23脚输出的给DAC的时钟信号、数据信号和片选信号分别接至光耦U9的第1、4脚和光耦U11的第2脚，如图6和图7所示。经过光耦隔离后，对应的输出是光耦U9的第7、6脚和光耦U11的第6脚。这些引脚再分别接至比较器U10的第2、6脚和比较器U12的第2脚，如图8所示。最终由U10第1脚输出时钟信号、第7脚输出数据信号、U12第6脚输出片选信号至DAC U1，如图9所示。U1将数字信号转换成模拟信号，通过R1接至图10中的R2，送入4～20mA电路。

如图10所示的4～20mA输出模块由4～20mA电流变送器U2 XTR115、三极管Q1、稳压管D2、电容C1、C3、电阻R2、R3、R4、R5组成，将瞬时流量信息变成4-20mA电流输出。

图11是24V到3.3V的电源电压转换电路，包括非隔离DC/DC U3、隔离DC/DC U4、电感L1、电容C6、C7、C8、C9、C4、C5、电阻R6、R8、R7、R9。24V电源电压通过非隔离DC/DC U3转换成7V，再通过隔离DC/DC U4将7V转换成3.3V。

图12是3.3V到3V的电源电压转换电路，包括LDO U13、电容C20、C21、电阻R29、R30、R31。U13将3.3V转换成3V电压输出，为模拟信号调理电路和单片机及外围电路供电。

本发明系统的计算出来的流量信息还可以通过通信模块向其它MCU发送，也可以接收其它MCU发来的指令。图13是光耦隔离和整形电路图，由光耦U5、U7、整形电路U6、U8、电容C10、C11、C12、C13、电阻R11、R12、R13组成。单片机U18要输出的数据，经第56脚通过电阻R13与光耦U7的第2脚相连，再通过整形电路U8的整形，发至外部的MCU，分别如图6和图13所示。单片机U18要接收的外部数据是由R11接至光耦U5的第2脚，经过光耦后，再通过整形电路U6的第4脚接至单片机U18的第57脚，实现数据的串行通信。

本发明系统软件总体框图如图14所示，由主监控程序模块、看门狗模块、中断模块、初始化模块、铁电存储器模块、时钟管理模块、人机接口模块、算法模块和通信模块组成。中断模块中包括定时器中断、DMA中断和通信中断，其中，定时器中断用于控制计算累计流量的时间、扫描键盘、3分钟保存1次数据；DMA中断用于当采集完1组数据(2100点)后，将指针移至数组的起始位置；通信中断用于与其它MCU之间的信息交换，即将涡街流量频率和幅值送至其它MCU，从其它MCU接收指令和数据。

图14中的主监控程序模块是整个软件系统的总调度程序，调用各个模块中的子程序，实现本发明系统的所要求的功能。主监控程序的流程如图15所示。它是一个循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入查询和进行相应处理的循环中。基本过程为：系统上电后，立即进行初始化；初始化后，首先查询是否采集满2100点数据。若采集满，则进行流量计算；再刷新液晶，更新瞬时流量和累计流量等信息的显示；然后，进行数据通信，即与外部单片机进行通信。

基于FFT的低功耗涡街流量计采用的处理器为MSP430F5418，其RAM容量为16KB。为了保证计算精度，需要计算2048点FFT。在计算中，需要设置1个放2100点数据的循环数组；需要放2048点实部和2048点虚部的中间结果的数据；需要放1024点结果的数据；而每个数据需要2个字节，这样需要超过14KB内存。再加上频谱校正和平均等处理，内存将超过16KB。为此，本发明专利系统采用实数FFT算法。将2048点的实数分成两个1024点的实数系列，组成一个1024点的复数序列，其中2048点中的偶数项为复数序列中的实部，奇数项为复数序列中的虚部，然后计算1024点的复数FFT，最后通过公式将其转化成为2048点的实数FFT。经过比较，此种方法比直接计算2048点的实数FFT要节省4K的内存。

假设要计算一个长度为2N的实序列x(n)的DFT：X(k)，n＝0，1，…，2N-1。首先将其偶数项g(r)＝x(2r)作为复数序列中的实部，奇数项h(r)＝x(2r+1)为复数序列中的虚部，r＝0，1，…，N-1，则组成的N点复数序列为：

y(r)＝g(r)+j*h(r)                                (1)

根据DFT的定义，y(r)的DFT为：

$Y\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y\left(r\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}}$

$=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[g\left(r\right)+\mathrm{jh}\left(r\right)]e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}}$

$=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[g\left(r\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}+h\left(r\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}]+j\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}[h\left(r\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}-g\left(r\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}]$

$=Y_{\mathrm{er}}\left(k\right)+Y_{\mathrm{or}}\left(k\right)+j[Y_{\mathrm{ei}}\left(k\right)-Y_{\mathrm{oi}}\left(k\right)]$

$=Y_R\left(k\right)+j{Y}_I\left(k\right)---\left(2\right)$

式中， $Y_{\mathrm{er}}\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g\left(r\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr},$

$Y_{\mathrm{or}}\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(r\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr},$

$Y_{\mathrm{ei}}\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(r\right)\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr},$

$Y_{\mathrm{oi}}\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g\left(r\right)\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}.$

因此，Y_R(k)＝Y_er(k)+Y_or(k)，

Y_I(k)＝Y_ei(k)-Y_oi(k)，

Y_R(N-k)＝Y_er(k)-Y_or(k)，

Y_I(N-k)＝Y_ei(k)+Y_oi(k)。

由定义可知，g(r)的DFT为：

$G\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g\left(r\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}}$

$=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g\left(r\right)[\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}-j\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}]$

$=Y_{\mathrm{er}}\left(k\right)-j{Y}_{\mathrm{oi}}\left(k\right)$

$=\frac{1}{2}[Y_R\left(k\right)+Y_R(N-k)]+j\frac{1}{2}[Y_I\left(k\right)-Y_I(N-k)]---\left(3\right)$

同理，可求出h(r)的DFT为：

$H\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(r\right)[\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}-j\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kr}]$

$=Y_{\mathrm{ei}}\left(k\right)-j{Y}_{\mathrm{or}}\left(k\right)$

$=\frac{1}{2}[Y_I\left(k\right)+Y_I(N-k)]+j\frac{1}{2}[Y_R(N-k)-Y_R\left(k\right)]---\left(4\right)$

又根据定义，长度为2N的实序列x(n)，其DFT为

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_{2N}^{\mathrm{kn}},$ k＝0，1，…，2N-1

令

g(r)＝x(2r)

h(r)＝x(2r+1)

则 $X\left(k\right)=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(2r\right)W_{2N}^{k\·2r}+\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x(2r+1)W_{2N}^{k(2r+1)}$

$=\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}g\left(r\right)W_N^{k\·r}+W_{2N}^k\underset{r=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(r\right)W_N^{k\·r}$

$=G\left(k\right)+W_{2N}^{k}H\left(k\right),$ k＝0，1，…，2N-1               (5)

其计算过程为：

(1)对2048点实数序列按照式(1)组成一个1024点的复数序列；

(2)计算1024点复数FFT，其结果为式(2)；

(3)根据式(3)、(4)计算G(k)和H(k)；

(4)根据式(5)计算出X(k)，即为长度为2N的实序列x(n)的DFT。

图16是流量计算流程图。对2048点数据做2次基于FFT的功率谱，即采用Welch(韦尔奇)方法进行功率谱，然后，求平均；对最大的3个峰值进行幅值校正，选出其中最大的1个幅值；对这个幅值所在的频率进行频率校正，这样就完成了1次涡街流量频率的计算。在2秒钟内，计算频率5次，即做10次实数FFT运算。对这5个频率值，去掉1个最大值、1个最小值，再对剩下的3个频率值做平均，得到频率值。将这个频率填入1个可以放15个数据的数组。若连续2个频率值为0，则结果为0；若连续2个频率值与前4秒时的频率的差值的绝对值超过设定范围，则清除这2个频率值之前的数据，取这2个频率值的均值作为涡街流量频率；在正常情况下，去掉2个最大值、2个最小值以及0值，对剩下的频率值求平均，作为涡街流量频率。再计算瞬时流量和累计流量。在流量计算中，做3种平均，一是对两次功率谱计算的结果进行平均；二是对5次频率值进行平均；三是对15个频率结果进行平均。

Claims (5)

1、基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器、单片机、DA转换器、4～20mA输出和隔离和非隔离DC/DC、LDO、时钟管理、复位电路、电源监测、按键输入、LCD显示电路，其特征在于：

压电传感器输出的电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，再经过电压放大器、限幅放大器、低通滤波器和电压跟随器送至单片机的ADC输入端，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量，单片机对信号进行快速傅立叶变换，做周期图谱分析，得到信号的频率值，计算出瞬时流量和累计流量，将流量信息显示在LCD上，由单片机的SPI接口通过光耦连接到数模转换器进行转换，由4～20mA输出电路经过V/I转换成4～20mA电流信号输出。

2、如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于：采用实数FFT算法，将2048点的实数分成两个1024点的实数系列，组成一个1024点的复数序列，其中2048点中的偶数项为复数序列中的实部，奇数项为复数序列中的虚部，然后计算1024点的复数FFT，最后通过公式将其转化成为2048点的实数FFT。

3、如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于：对2048点数据做2次基于FFT的功率谱，即采用韦尔奇方法进行功率谱，然后，求平均；对最大的3个峰值进行幅值校正，选出其中最大的1个幅值；对这个幅值所在的频率进行频率校正，这样就完成了1次涡街流量频率的计算；在2秒钟内，计算频率5次，即做10次实数FFT运算；对这5个频率值，去掉1个最大值、1个最小值，再对剩下的3个频率值做平均，得到频率值；将这个频率填入1个可以放15个数据的数组；若连续2个频率值为0，则结果为0；若连续2个频率值与前4秒时的频率的差值的绝对值超过设定范围，则清除这2个频率值之前的数据，取这2个频率值的均值作为涡街流量频率；在正常情况下，去掉2个最大值、2个最小值以及0值，对剩下的频率值求平均，作为涡街流量频率；再计算瞬时流量和累计流量。

4、如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于：在电源电路部分，采用隔离的DC/DC为模拟信号调理电路和单片机及外围电路供电，模拟信号调理电路的模拟地直接接至仪表的表壳。

5、如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计，其特征在于：在信号输出和通信部分采用光耦进行隔离。

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