CN101614566A - 基于快速傅里叶变换的低功耗两线制涡街流量计 - Google Patents
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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
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:
式中,
因此,YR(k)=Yer(k)+Yor(k),
YI(k)=Yei(k)-Yoi(k),
YR(N-k)=Yer(k)-Yor(k),
YI(N-k)=Yei(k)+Yoi(k)。
由定义可知,g(r)的DFT为:
同理,可求出h(r)的DFT为:
又根据定义,长度为2N的实序列x(n),其DFT为
令
g(r)=x(2r)
h(r)=x(2r+1)
则
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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