CN101893465B - 一种基于dsp的电磁流量计信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，包含硬件系统与软件系统。硬件系统由励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块组成。信号处理控制模块以DSP为核心。系统采用高频方波励磁控制方案，由DSP产生励磁时序控制励磁驱动模块对励磁线圈进行高频方波励磁；信号调理采集模块对电磁流量计输出信号进行放大、滤波及模数转换并送给DSP；软件系统对采集信号进行处理以获得流量测量结果并传送给液晶显示；仪表参数的设定由键盘操作或由上位机通过通讯模块与之交互实现。本发明能够实现对流体流量进行高精度、高速度测量，尤其是能够实现对浆液等液一固两相流体流量的测量。

Description

一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统

技术领域

本发明涉及流量检测领域，为一种电磁流量计信号处理系统，特别是一种针对接触式电磁流量计一次仪表，以数字信号处理器(DSP)为核心，采用高频方波励磁、基于梳状带通滤波和统计分析与信号重构的信号处理方法实现对单相流体介质和浆液流体高精度、高速度测量的电磁流量计信号处理系统。

背景技术

电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量导电液体体积流量的仪表。由励磁线圈将磁场施加给被测流体，通过检测磁场中运动流体的感应电动势，并进行信号处理来实现流量准确测量。由于其测量管内部不含有阻挡部件，且可靠性高、耐腐蚀性强、测量精度高、不受流体密度、粘度、温度、压力变化的影响等优点，因此，在工业中得到广泛应用，尤其适用于浆液等固-液两相流体的流量测量。电磁流量计的技术难点主要在于消除各种噪声如正交干扰、同相干扰、工频干扰、极化干扰、白噪声等，尤其是浆液流量测量时的浆液干扰及低电导率流体流量测量时的流动噪声等。其中，浆液干扰的消除仍是当今电磁流量计技术的一大难题，浆液流量测量技术因而也是电磁流量计应用中的一项关键技术。另外，电磁流量计的高精度、高速度测量在当前工业应用中的要求也越来越高。

当前，国内研究方面主要针对纯水等单相流体介质，采用低频方波励磁方式及单片机信号处理系统来解决单相流体介质的流量测量问题。但是，低频方波励磁无法克服浆液干扰的影响，且限制了测量响应速度的提高；运算能力相对较低的单片机系统也往往无法承担运算量较大的浆液信号处理任务及高精度、高速度的流量测量信号处理任务。国外研究方面，则已有针对浆液流量测量的电磁流量计技术方面的研究及相关产品，采用高频方波励磁或双频励磁控制方式来有效克服浆液干扰，并结合相应的信号处理系统来解决浆液流量测量问题。但是，所披露的信号处理方法复杂，较难实现。为此，需要开展电磁流量计浆液流量测量技术及电磁流量计高精度、高速度测量的信号处理系统的研究。

现有技术中，电磁流量计的高精度测量已有较成熟的解决方法，但往往是以牺牲测量速度为代价。而基于高频方波励磁或双频励磁以提高电磁流量计测量精度和测量速度及解决浆液流体测量的技术则仅有国外少数企业掌握，且技术较为复杂。公开号为CN101451867A(顾志祥.浆液型电磁流量计)的中国发明专利是关于浆液型电磁流量计的研究，提出采用“智能模糊算法”处理浆液噪声，但只给出系统设计框图，未提到任何系统设计及算法处理流程步骤等技术细节。公开号为CN87101677A(小林保，黑森健一，俊藤茂，松永义则，鸟丸尚，宿谷宪弘，田半上忠.电磁流量计)的中国发明专利中阐述了双频电磁流量计技术，提出采用双频励磁的方案，并通过信号采样及幅值解调的方法分别提取出传感器输出信号中的低频分量的幅值和高频分量的幅值，然后分别通过低通滤波器和高通滤波器进行滤波并将两路滤波结果相加得到最终去除浆液干扰及其它噪声干扰的信号幅值大小，进而获得流体流量大小。但是，双频励磁控制及相应的信号处理技术复杂，实现困难，其对应的产品有日本横河的双频电磁流量计。高频方波励磁及相应的浆液信号处理方法对应的产品则有日本东芝的高频浆液型电磁流量计，但是，未见文献披露具体的技术细节。为此，本发明专利提出一种能够用于高精度、高速度测量尤其是能进行浆液流体流量测量的电磁流量计。

发明内容

本发明要解决现有电磁流量计技术中存在的一些问题，针对接触式电磁流量计，提供一种基于数字信号处理器(DSP)的，能够用于高精度、高速度测量及浆液等复杂流体测量的电磁流量计信号处理系统。

本发明所采用的技术方案是：基于高频方波励磁，针对纯水等单相流体介质的测量，提出基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法，以提高电磁流量计单相流量测量的精度和速度；针对液-固两相等浆液流体流量的测量，提出基于统计分析与信号重构的浆液信号处理方法，以提高电磁流量计用于浆液流体测量的测量精度和测量速度；采用公开号为CN101644591(徐科军，杨双龙，王刚等.一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统)的中国发明专利中所述的高频励磁控制方案，从而保证电磁流量计在高频方波励磁时具有稳定的信号零点并实现准确的励磁电流检测，进而为高精度、高速度测量及克服浆液干扰提供前提条件；以数字信号处理器(DSP)为信号处理和系统控制核心，研制电磁流量计信号处理硬件系统，包含励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块，从而为电磁流量计高精度、高速度流量信号处理及浆液流量信号处理的复杂运算提供系统平台；基于硬件系统，研制电磁流量计软件系统，包含初始化模块、驱动模块、数据处理模块、通讯模块、人机接口模块及看门狗模块。

本发明的工作过程为：由电磁流量计信号处理系统中的数字信号处理器(DSP)发出励磁时序控制信号；励磁驱动模块根据励磁时序控制信号对电磁流量计励磁线圈进行高频方波励磁，同时检测励磁电流并进行模数转换送给数字信号处理器(DSP)；信号调理采集模块对电磁流量计输出信号进行放大、滤波及模数转换，并送入数字信号处理器(DSP)；针对单相介质流量测量，数字信号处理器(DSP)采用基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法对所采集的电磁流量计传感器信号及励磁电流信号进行信号处理；针对液-固两相等浆液型介质的流量测量，数字信号处理器(DSP)采用基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理方法对所采集的电磁流量计传感器输出信号及励磁电流信号进行信号处理；数字信号处理器将流量信号处理结果传送给人机接口模块的液晶显示器进行液晶显示，同时接受人机接口模块的键盘操作请求，并对其进行处理；当电磁流量计信号处理系统通过串口模块与上位机建立连接时，系统实时接受上位机的指令监控。

本发明的积极效果是：能够实现对流体流量进行高精度、高速度测量，尤其是能够实现对浆液等液-固两相流体的测量。其特征在于：能够对电磁流量计励磁线圈进行高频方波励磁，且同时能保证电磁流量计电极感应输出信号的零点稳定性，进而可有效克服浆液干扰；以数字信号处理器(DSP)为核心从而具有很强的运算处理能力；采用所提出的单相介质流量信号处理方法和浆液等液-固两相流体流量信号处理方法实现对流体流量的高精度、高速度测量及浆液等液-固两相流的流量测量。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的系统信号处理控制模块功能框图；

图3是本发明具体实施例DSP引脚接线图；

图4是本发明具体实施例外扩存储器电路原理图；

图5是本发明具体实施例通讯模块电路原理图；

图6是本发明的软件功能模块框图；

图7是本发明的基于梳状带通滤波的单相流量信号处理流程图；

图8是本发明的基于梳状带通滤波的单相流量各步信号处理结果示意图；

图9是本发明的电磁流量计感应输出信号偏置调整结果示意图；

图10是本发明的基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理流程图；

图11是本发明的基于统计分析与信号重构的浆液流量各步信号处理结果示意图；

图12是浆液测量时励磁半周期数与幅值解调结果间的近似高斯分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的设计思想是：采用基于线性电源的高频方波励磁控制方案来实现保证稳定信号零点的同时，对电磁流量计一次仪表进行高频方波励磁，进而为加快测量响应速度、克服浆液噪声干扰提供条件；采用数字信号处理器(DSP)作为信号处理和系统控制核心，研制电磁流量计二次仪表系统，为高精度、高速度测量或浆液测量提供具有足够运算能力的系统平台；二次仪表信号调理采集电路中，采用高阻抗前置差分放大电路对信号进行差分放大，并克服工频共模干扰，通过数字信号处理器控制数模转换器(DAC)输出模拟偏置调整量的方式来克服信号二次放大饱和，采取两级二阶低通滤波放大电路对调整偏置后的信号进行二次放大滤波以进一步提高信噪比；在信号处理中，针对纯水等单相介质的流量测量，采取先梳状带通滤波，以衰减叠加在信号上的各种噪声，再幅值解调获取反映流体流速大小的信号幅值，然后，再对信号进行励磁电流修正，以避免励磁电流变化对处理精度造成影响，最后，再对其进行滑动均值滤波以进一步平滑处理结果，以得到反映流速变化的平稳输出；在信号处理中，针对浆液流体测量，采取先幅值解调以获得一次仪表输出信号的幅值信息，再对其进行统计分析排序，以获取有效幅值并去除浆液干扰，接着进行信号幅值重构，以恢复出去除浆液干扰后的信号幅值点，然后，通过重构梳状带通滤波器对重构幅值点进行滤波，之后采取与单相介质的流量测量信号处理流程中梳状带通滤波之后相同的信号处理流程。系统由人机接口模块的键盘和液晶实现人机交互，并可通过上位机实现监控。

本发明的电磁流量计信号处理系统框图如图1所示，包括励磁驱动模块1，信号调理采集模块2、信号处理控制模块3、人机接口模块4、通讯模块5及电源管理模块6。

所述励磁驱动模块1采用已申请发明专利《一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统》中所述的高频励磁控制方案，由恒流源电路7、励磁控制电路8、检流电路9及A/D转换电路10组成，接收信号处理控制模块3发出的励磁控制信号，对励磁线圈进行方波励磁，并将检测到的励磁电流转换为数字信号送给信号处理控制模块3。

所述信号调理采集模块2由前置差分放大电路11、偏置调整电路12、低通滤波放大电路13及A/D转换电路14组成，实现对电磁流量计传感器输出信号的放大、滤波及模数转换(A/D转换)，并将转换结果送给信号处理控制模块3。

前置差分放大电路11由高输入阻抗运算放大器组成，用于对电磁流量计一次仪表差分输出信号Signal进行差分放大，去除共模干扰，并根据偏置调整电路12输出的偏置调整量VB调节差分放大后的信号的基准，以避免信号漂移出调理电路的线性工作区；偏置调整电路12由数模转换器(DAC)与滤波器组成，接收DSP最小系统15中的数字信号处理器(DSP)U1输出的数字偏置调整量，将其转换为模拟量并滤波输出VB；一次仪表信号Signal经前置差分放大电路11及偏置调整电路12放大调整后再送给由两级二阶低通滤波放大电路级联组成的低通滤波放大电路13进行低通滤波及二次放大；二次放大后的信号则由A/D转换电路14进行模数转换并将数字量传送给DSP最小系统15中的数字信号处理器(DSP)U1进行信号处理以获取流量信号。

所述信号处理控制模块3主要由DSP最小系统15与外扩存储器(SRAM)16组成，承担整个系统的协调控制和信号处理的任务。DSP最小系统15包含数字信号处理器(DSP)U1、时钟电路、复位电路、JTAG口，是整个系统的信号处理和控制核心。系统信号处理结果传送给人机接口模块4的液晶17进行显示。图2所示为系统信号处理控制模块3的功能框图。

图3为系统信号处理控制模块3中的数字信号处理器(DSP)U1的引脚接线图。U1的92脚、93脚、94脚用于控制输出数字偏置量至信号调理采集模块2中偏置调整电路12中的数模转换器(DAC)；U1的95脚、106脚、107脚用于控制读取信号调理采集模块2中A/D转换电路14与励磁驱动模块1中A/D转换电路10的转换结果；U1的102脚、103脚用于控制发出空管侦测信号P3.4、P3.5至信号调理采集模块2的前置差分放大电路11中；U1的45脚、53脚、55脚用于控制励磁驱动模块1工作；U1的61脚、62脚、63脚、72脚用于扫描键盘状态；U1的117脚、122脚、123脚、124脚用于控制液晶显示；U1的155脚、157脚用于串行异步通讯，149脚用于检测通讯设备连接状态；U1的25脚用于发出同步触发输出信号EXTO；U1的49脚用于扫描外部同步触发输入信号EXTI；U1的地址线和数据线与外扩存储器(SRAM)16的地址线和数据线连接，并由U1的42脚、84脚及133脚控制外扩存储器(SRAM)16的选通及读写操作。

图4为系统信号处理控制模块3中的外扩存储器(SRAM)16的电路原理图。外扩存储器(SRAM)16电路主要包含存储器U2及电容C30、C31。电容C30、C31起U2的电源退耦作用。U2的6脚接系统信号处理控制模块3中U1的133脚，用于控制选通；U2的17脚和41脚分别接U1的84脚和42脚，用于存储器读写操作时的选通时序控制。

所述人机接口模块4由液晶显示17与键盘18组成，液晶显示器采用带背光的点阵式LCD，键盘采用4键组合的方式实现参数设定及液晶显示切换功能。

所述通讯模块5由电平转换电路组成，通过9芯接口COM实现与上位机的连接。

图5为系统通讯模块5的电路原理图。通讯模块5主要由串口电平转换芯片U3、电容C29、C32、C33、C34、C35及9芯RS232接口COM组成。U3的9脚和11脚分别接系统信号处理控制模块3中U1的157脚和155脚，U3的8脚和13脚分别接COM的3脚和2脚。C29主要用于U3供电电源退耦；U3结合电容C32、C33、C34、C35将U1发出的CMOS逻辑电平信号SCITXD转换为标准RS232电平信号TXD并通过COM输出，将COM口接收的标准RS232电平信号转换为CMOS逻辑电平信号SCIRXD并传送给U1，进而实现串行异步通讯。

所述电源管理模块6采用开关电源原理将220V市电转换为系统各模块正常工作所需的工作电源。

本发明软件系统采取模块化设计，主要包含初始化模块、驱动模块、数据处理模块、通讯模块、人机接口模块及看门狗模块，由主程序统一调度、协调运行。系统的软件功能模块框图如图6所示。

初始化模块：负责系统内F2812、过程参数变量及各外设初始工作状态的初始化。系统将软件程序下载至内部Flash中，并在系统初始化时将调用频繁的子程序从Flash中拷贝到内部RAM中运行以提高程序执行效率。外设初始化主要包括励磁驱动模块1的励磁控制使能、励磁驱动模块1中A/D转换电路10中的模数转换器(ADC)与信号调理采集模块2中A/D转换电路14中的模数转换器(ADC)的同步启动、信号调理采集模块2中的偏置调整电路12中的数模转换器(DAC)的初始输出。

驱动模块：主要包括励磁控制与空管侦测两个子模块。励磁驱动控制主要通过软件控制GPIO口产生励磁控制信号CE_SIG和CE_DIR。系统励磁前，先通过GPIO使能励磁驱动模块1中的励磁时序输出。信号调理采集模块2与励磁驱动模块1中的模数转换器(ADC)对信号采取同步整周期采样的方式，所以，当模数转换器(ADC)采样频率由外部晶振确定后，直接根据采样点数来决定是否切换励磁方向即可准确控制励磁方式和励磁频率。空管侦测由EV模块定时产生1KHz的方波信号输出至信号调理采集模块2的耦合输入端P3.4或P3.5。

数据处理模块：主要包括数据采集、流量计算和偏置调整三个子模块。数据采集通过捕获中断(CAP1)通知数字信号处理器(DSP)读取数据，由GPIOA3/8/9模拟SPI功能来同步读取励磁驱动模块1中的模数转换器(ADC)和信号调理采集模块2中模数转换器的转换结果。偏置调整则通过设置上下幅值门限，当信号最大值超过幅值上限或其最小值小于幅值下限时，则计算信号基准线与零基准线之间的差值作为偏置调整量，并由GPIOA2选通信号调理采集模块2中偏置调整电路12中的数模转换器(DAC)，由GPIOA0/1模拟SPI口输出数字偏置调整量，以将信号基准拉回至0。流量计算中，针对纯水等单相流体介质的测量采用基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法，针对液-固两相等浆液流体的测量采用基于统计分析与信号重构的浆液信号处理方法，以提高电磁流量计用于浆液流体测量的测量精度和测量速度。

通讯模块：系统中采用F2812片上SCIA模块实现与上位机交互，采用SCI接收中断方式监听上位机控制指令。在进入SCI接收中断后先读取接收寄存器中的上位机指令信息，再据此决定下一步是接收上位机信息还是向上位机传送信息。系统SCI与上位机数据交互中采用FIFO模块进行数据信息批量处理，并根据上位机指令动态调整FIFO级数以提高系统自身通讯效率。SCI通讯波特率由上位机设定，F2812采用自动侦测的方式与上位机进行波特率匹配。当F2812位于上位机建立连接时，其处于侦测开启状态，当其与上位机建立正确连接后即关闭自动侦测功能。

人机接口模块主要用于将流量处理结果及各种信息传送给液晶模块显示，并处理键盘操作请求。看门狗模块主要用于防止系统程序跑飞，避免系统“死机”。

本发明所提出的针对单相介质流量测量的基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法流程如图7所示，依次为梳状带通滤波→幅值解调→电流修正→滑动均值滤波→流量转换。其各步流程信号处理结果如图8所示。

步骤一：梳状带通滤波。采用IIR梳状带通滤波器，滤波带通中心频率基频取为电磁流量计方波励磁频率f_e，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3f_e、5f_e、7f_e......)。用于消除单相流体测量时电磁流量计传感器输出信号白噪声、工频噪声、低频极化漂移等各种频率不等于方波励磁频率及其奇次倍频率分量的噪声干扰，以提高信噪比。梳状带通滤波器Z域传递函数如下式：

$\frac{Y\left(z\right)}{U\left(z\right)}=b\×\frac{1-z^{-n}}{1+a{z}^{-n}}$

式中，b、a为梳状带通滤波器参数，n为滤波器阶数(等于励磁半周期采样点数)，U(z)为采样序列u的Z域变换式，Y(z)为梳状滤波结果序列y的Z域变换式。则IIR梳状带通滤波计算式为：

y(k)＝bu(k)-bu(k-n)-ay(k-n)

式中，u(k-n)为上一励磁半周期的第k采样点，y(k-n)为上一励磁半周期第k采样点的滤波结果，u(k)为当前励磁半周期的第k采样点，y(k)为当前励磁半周期第k采样点的滤波结果。梳状带通滤波的软件实现即为解上述差分方程。

步骤二：幅值解调。用于求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅值大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小。电磁流量计传感器输出信号每励磁半周期幅值大小按正负励磁半周期有效信号幅值之差的二分之一的绝对值度量，励磁电流每励磁半周期幅值大小按正负励磁半周期有效电流信号幅值的绝对值度量。有效信号幅值数据均取每励磁半周期的后边沿平稳数据。图8所示梳状带通滤波结果的幅值解调式为：

$D\left(k\right)=\frac{1}{4}\·|H\left(k\right)+H(k-2)-2H(k-1)|$

式中，H(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-1)为上一励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，D(k)则为当前励磁半周期的电磁流量计感应信号幅值解调结果。励磁电流幅值解调与此类似。设励磁电流幅值解调结果为I(k)。

步骤三：电流修正。将电磁流量计输出信号的幅值解调结果与励磁电流解调结果相除得出修正结果j(k)，其计算式为：

J(k)＝D(k)/I(k)。

步骤四：滑动均值滤波。对电流修正结果进行多点幅值平均。设均值滤波点数为N，则滤波算式为：

$S\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}J(k-i)$

式中，J(k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果J(k)及过去1个励磁半周期电流修正结果J(k-1)至过去N-1个励磁半周期电流修正结果J(k-N-1)，S(k)为当前励磁半周期滑动滤波结果。

步骤五：流量转换。将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并去除零点K2，得出当前流体流速大小v(k)，其计算式为：

v(k)＝K1·S(k)+K2

图9为电磁流量计感应输出信号偏置调整示意图。系统软件中，只有在检测到感应信号幅值超过设定幅值上限或幅值下限时，才进行偏置调整量计算并输出。图9所示为当电磁流量计感应输出信号幅值超过幅值上限时，即在其下一个励磁半周期进行偏置调整量计算并输出以调整信号调理采集模块2中前置差分放大电路11的偏置输入量VB，进而将感应信号拉回至零基准线以避免二次放大饱和。偏置量计算式为：

V_BIAS＝-(A1+A2)/2

式中，V_BIAS为偏置量，A1为上一励磁半周期(即发生信号幅值超限的励磁半周期)后边沿数据段的均值，A2为上个励磁周期后边沿数据段的均值。偏置量计算好后，即可通过硬件电路的各级放大倍数来计算偏置调整量输出值的大小，然后通过GPIOA0/1/2模拟SPI输出偏置调制量至信号调理采集模块2中偏置调整电路12中的数模转换器(DAC)，实现偏置调整。偏置调整时，由于已知偏置调整时刻及偏置调整量，所以，在软件算法中可直接克服偏置调整对处理结果的影响。

本发明所提出的针对浆液等液-固两相流流量测量的基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理方法流程如图10所示，依次为幅值解调I→统计分析→幅值重构→梳状带通滤波→幅值解调II→电流修正→滑动均值滤波→流量转换。其各步流程信号处理结果如图11所示。

步骤一：幅值解调I。用于求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅值大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小。电磁流量计传感器输出信号每励磁半周期幅值大小按正负励磁半周期有效信号幅值之差的二分之一的绝对值度量，励磁电流每励磁半周期幅值大小按正负励磁半周期有效电流信号幅值的绝对值度量。有效信号幅值数据均取每励磁半周期的后边沿平稳数据。图8所示梳状带通滤波结果的幅值解调式为：

$L\left(k\right)=\frac{1}{4}\·|F\left(k\right)+F(k-2)-2F(k-1)|$

式中，F(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，F(k-1)为上一励磁半周期后边沿数据段的均值，F(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，L(k)则为当前励磁半周期的电磁流量计感应信号幅值解调结果。励磁电流幅值解调与此类似。设励磁电流幅值解调结果为I(k)。

步骤二：统计分析。流量平稳时，由于受浆液噪声干扰的影响，幅值解调I的解调结果序列L中会有少数点的幅值出现较大波动。对序列L进行统计分析可知，长时间内L序列中位于某一幅值范围内的幅值点数(由于是每励磁周期解调一次幅值，所以幅值点数即为相应的励磁半周期数)与该幅值范围的幅值均值成近似高斯分布关系，如图12(a)所示。图12(a)表明，信号幅值解调结果序列L中受浆液干扰影响致使幅值偏大或偏小的点均为少数，而不受浆液干扰影响的解调结果则占绝大多数。浆液干扰的励磁半周期数与其导致的幅值解调结果误差之间亦成近似高斯分布，如图12(b)所示。图12(b)表明，电磁流量计一次仪表输出信号中不受浆液干扰影响的励磁半周期数占绝大多数。所以，采取对幅值解调结果序列L中的M点数据[L(k-M+1)，L(k-M+2)0，...，L(k-2)，L(k-1)，L(k)]进行排序，然后取其中间数据段作为有效数据并取平均得出不受浆液干扰影响的幅值解调结果Y(k)。

步骤三：幅值重构。采取递推计算的方法，根据已统计分析计算得到的幅值解调结果序列T重构信号幅值序列R。幅值重构计算式为：

R(k)＝4[T(k)+T(k-1)]·(-1)ⁱ-3[R(k-2)-R(k-1)]+R(k-3)

式中，幅值重构点R(k)位于励磁正半周期时，取i＝0；幅值重构点R(k)位于励磁负半周期时，取i＝1。幅值重构结果序列R中的每点代表对应半励磁周期平稳态的幅值。

步骤四：梳状带通滤波。采取重构IIR梳状带通滤波器的方法，对幅值重构的结果序列R进行滤波消噪。IIR梳状带通滤波器滤波带通中心频率基频取为电磁流量计方波励磁频率f_e，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3f_e、5f_e、7_e......)。设IIR梳状带通滤波器Z域传递函数如下式：

$\frac{Y\left(z\right)}{U\left(z\right)}=b\×\frac{1-z^{-n}}{1+a{z}^{-n}}$

式中，b、a为梳状带通滤波器参数，n为滤波器阶数(等于励磁半周期采样点数)，U(z)为采样序列u的Z域变换式，Y(z)为梳状滤波结果序列y的Z域变换式。则重构IIR梳状带通滤波器如下式：

$\frac{H\left(z\right)}{R\left(z\right)}=b\×\frac{1-z^{-1}}{1+a{z}^{-1}}$

式中，R(z)为幅值重构结果序列R的Z域变换式，H(z)即为重构IIR梳状带通滤波结果序列H的Z域变换式。则当前励磁半周期幅值重构结果R(k)经重构IIR梳状带通滤波的计算式如下：

H(k)＝bR(k)-bR(k-1)-aH(k-1)

重构IIR梳状带通滤波结果序列H为去除浆液干扰和其它噪声后的对应于每个励磁半周期平稳态的幅值。

步骤五：幅值解调II。对重构IIR梳状带通滤波结果序列H进行再次幅值解调。当前励磁半周期的幅值解调II的解调计算式为：

$D\left(k\right)=\frac{1}{4}\·|H\left(k\right)+H(k-2)-2H(k-1)|$

步骤六：电流修正。将幅值解调II的解调结果D(k)与励磁电流解调结果I(k)相除得出修正结果j(k)，其算式为：

J(k)＝D(k)/I(k)。

步骤七：滑动均值滤波。对电流修正结果序列J进行多点幅值平均。设均值滤波点数为N，则滤波算式为：

$S\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}J(k-i)$

式中，j(k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果j(k)及过去1个励磁半周期电流修正结果J(k-1)至过去N-1个励磁半周期电流修正结果J(k-N-1)，S(k)为当前励磁半周期滑动滤波结果。

步骤八：流量转换。将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并去除零点K2，得出当前流体流速大小v(k)，其计算式为：

v(k)＝K1·S(k)+K2。

Claims (3)

1.一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，用于向电磁流量计一次仪表励磁线圈提供方波励磁电流，检测其一次仪表传感器输出信号并对其进行信号处理以获取实际流体流速大小，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：

硬件系统采用基于线性电源的高频方波励磁控制方案，以数字信号处理器(DSP)作为信号处理和系统控制核心，包含励磁驱动模块、信号调理采集模块、信号处理控制模块、人机接口模块、通讯模块及电源管理模块；所述信号处理控制模块以数字信号处理器(DSP)U1作为信号处理和控制核心，主要由DSP最小系统和外扩存储器U2组成；数字信号处理器(DSP)U1的型号为TMS320F2812；U1的92脚、93脚、94脚用于控制输出数字偏置量至信号调理采集模块中偏置调整电路中的数模转换器(DAC)；U1的95脚、106脚、107脚用于控制读取信号调理采集模块中A/D转换电路与励磁驱动模块中A/D转换电路的转换结果；U1的102脚、103脚用于控制发出空管侦测信号P3.4、P3.5至信号调理采集模块的前置差分放大电路中；U1的45脚、53脚、55脚用于控制励磁驱动模块工作；U1的61脚、62脚、63脚、72脚用于扫描键盘状态；U1的117脚、122脚、123脚、124脚用于控制液晶显示；U1的155脚、157脚用于串行异步通讯，149脚用于检测通讯设备连接状态；U1的25脚用于发出同步触发输出信号EXTO；U1的49脚用于扫描外部同步触发输入信号EXTI；U1的地址线和数据线与U2的地址线和数据线相接，并由U1的42脚、84脚及133脚控制U2的选通及读写操作选通；

由励磁驱动模块向电磁流量计励磁线圈提供方波励磁电流，电磁流量计一次仪表传感器输出信号经信号调理采集模块放大、滤波及模数转换后送给数字信号处理器(DSP)进行信号处理，信号处理结果传送给人机接口模块进行显示或由通讯模块传送给上位机，电源管理模块向系统硬件中各模块提供工作电源；

软件系统采取模块化设计，主要包含初始化模块、驱动模块、数据处理模块、通讯模块、人机接口模块及看门狗模块，由主程序统一调度、协调运行；数据处理模块中偏置调整通过设置上下幅值门限，当信号最大值超过幅值上限或其最小值小于幅值下限时，则计算信号基准线与零基准线之间的差值作为偏置量；偏置量V_BIAS计算式为：

V_BIAS＝-(A1+A2)/2

式中，A1为上一励磁半周期后边沿数据段的均值，A2为上个励磁周期后边沿数据段的均值；然后将偏置量V_BIAS除以电路放大系数并输出给偏置调整电路中的数模转换器(DAC)；

软件系统基于高频方波励磁，针对单相介质流量测量采用基于梳状带通滤波的单相流量信号处理方法，其处理流程依次为梳状带通滤波→幅值解调→电流修正→滑动均值滤波→流量转换；针对浆液流量测量采用基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理方法，其处理流程依次为幅值解调I→统计分析→幅值重构→梳状带通滤波→幅值解调II→电流修正→滑动均值滤波→流量转换。

2.如权利要求1所述的一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，其特征在于：基于梳状带通滤波的单相流量信号处理流程各步计算如下：

梳状带通滤波采用IIR梳状带通滤波器，滤波带通中心频率基频取为电磁流量计方波励磁频率f_e，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3f_e、5f_e、7f_e......)；IIR梳状带通滤波计算式为：

y(k)＝bu(k)-bu(k-n)-ay(k-n)

式中，n为滤波器阶数，u(k-n)为上一励磁半周期的第k采样点，y(k-n)为上一励磁半周期第k采样点的滤波结果，u(k)为当前励磁半周期的第k采样点，y(k)为当前励磁半周期第k采样点的滤波结果，a和b分别为滤波器的系数；

幅值解调用于求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅值大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小；幅值解调计算式为：

$D\left(k\right)\frac{1}{4}\·|H\left(k\right)+H(k-2)-2H(k-1)|$

式中，H(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-1)为上一励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，D(k)则为当前励磁半周期的电磁流量计感应信号幅值解调结果；励磁电流幅值解调与此类似；设励磁电流幅值解调结果为I(k)；

电流修正即为将电磁流量计输出信号的幅值解调结果与励磁电流解调结果相除得出修正结果J(k)，其计算式为J(k)＝D(k)/I(k)；

滑动均值滤波即对电流修正结果进行多点幅值平均；设均值滤波点数为N，则滤波算式为：

$S\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}J(k-i)$

式中，J(k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果J(k)及过去1个励磁半周期电流修正结果J(k-1)至过去N-1个励磁半周期电流修正结果J(k-N-1)，S(k)为当前励磁半周期滑动滤波结果；

流量转换即为将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并去除零点K2，得出当前流体流速大小v(k)，其计算式为v(k)＝K1·S(k)+K2。

3.如权利要求1所述的一种基于DSP的电磁流量计信号处理系统，其特征在于：基于统计分析与信号重构的浆液流量信号处理流程各步计算如下：

幅值解调I即求取电磁流量计传感器输出信号在每励磁半周期的幅值大小，同时求取励磁电流每励磁半周期幅值大小；幅值解调计算式为：

$L\left(k\right)\frac{1}{4}\·|F\left(k\right)+F(k-2)-2F(k-1)|$

式中，F(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，F(k-1)为上一励磁半周期后边沿数据段的均值，F(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值，L(k)为当前励磁半周期的电磁流量计感应信号幅值解调结果；励磁电流幅值解调结果为I(k)；

统计分析采取对幅值解调结果序列L中的M点数据[L(k-M+1)，L(k-M+2)，...，L(k-2)，L(k-1)，L(k)]进行排序，然后取其中间数据段作为有效数据并取平均得出不受浆液干扰影响的幅值解调结果T(k)；

幅值重构采取递推计算的方法，根据已统计分析计算得到的幅值解调结果序列T重构信号幅值序列R；幅值重构计算式为：

R(k)＝4[T(k)+T(k-1)]·(-1)ⁱ-3[R(k-2)-R(k-1)]+R(k-3)

式中，幅值重构点R(k)位于励磁正半周期时，取i＝0；幅值重构点R(k)位于励磁负半周期时，取i＝1；重构的信号幅值序列R中的每点代表对应半励磁周期平稳态的幅值；

梳状带通滤波采取重构IIR梳状带通滤波器的方法，对重构的信号幅值序列R进行滤波消噪；IIR梳状带通滤波器滤波带通中心频率基频取为电磁流量计方波励磁频率f_e，其它通带中心频率为基频的奇次倍(3f_e、5f_e、7f_e......)；当前励磁半周期幅值重构点R(k)经重构IIR梳状带通滤波的计算式如下：

H(k)＝bR(k)-bR(k-1)-aH(k-1)

幅值解调II为对重构IIR梳状带通滤波结果序列H进行再次幅值解调；当前励磁半周期的幅值解调II的解调计算式为：

$D\left(k\right)\frac{1}{4}\·|H\left(k\right)+H(k-2)-2H(k-1)|$

式中，H(k)为当前励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-1)为上一励磁半周期后边沿数据段的均值，H(k-2)为上一励磁周期的后边沿数据段平均值；

电流修正为将幅值解调II的解调结果D(k)与励磁电流解调结果I(k)相除得出修正结果J(k)，其算式为J(k)＝D(k)/I(k)；

滑动均值滤波为对电流修正结果序列J进行多点幅值平均；设均值滤波点数为N，则滤波算式为：

$S\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}J(k-i)$

式中，J(k-i)分别为当前励磁半周期电流修正结果J(k)及过去1个励磁半周期电流修正结果J(k-1)至过去N-1个励磁半周期电流修正结果J(k-N-1)，S(k)为当前励磁半周期滑动滤波结果；

流量转换为将信号处理经滑动均值滤波的结果S(k)乘以仪表系数K1，并去除零点K2，得出当前流体流速大小v(k)，其计算式为v(k)＝K1·S(k)+K2。

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