CN102506951B - 一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪方法和系统，包括差分放大滤波电路、ADC1、ADC2、电压基准源、电压跟随器、电流源、差分放大器、ADC3、DSP、DDS、MDAC、外扩SRAM、外扩FRAM、4～20mA输出及脉冲输出、电源模块以及软件。本发明以DSP为核心，基于DDS和MDAC，在软件的支持下实现科氏质量流量计数字驱动控制中的频率、相位和幅值跟踪，并同时实现流量测量。本发明的优点是：基于DDS和MDAC实现科氏质量流量计数字驱动中的频率、相位和幅值跟踪，大大减小了软件计算量，基于DSP芯片实时实现变送器的数字驱动控制和流体流量计算。

Description

一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪方法和系统

技术领域

本发明专利涉及流量检测领域，为一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪方法和系统，特别是一种以DSP为核心，基于DDS和MDAC，实现科氏质量流量计数字驱动控制中的频率、相位和幅值跟踪，并且同时实现流量测量的方法和系统。

背景技术

科里奥利质量流量计（简称科氏质量流量计）可以直接测量流体的质量流量，测量精度高，具有广阔的应用前景。科氏质量流量计由一次仪表和变送器组成，其中，变送器的任务首先是为一次仪表提供驱动信号，使流量管以固有频率振动；其次，通过计算传感器输出信号的频率、相位，得到流体的密度、质量流量等参量。当前，科氏质量流量计面临的严重挑战是如何测量气液两相流。在油料、食品加工等液态流体传输和装罐过程中，不可避免地会混入一些气体。这些气体的进入，导致被测介质的阻尼发生很大的变化，当气体混入量较多时，科氏质量流量计的流量管有可能停振，使得测量无法进行。为了解决两相流测量，首先必须从驱动方面入手，解决流量管停振的问题。国内外学者将数字驱动方法应用于科氏质量流量计，提高变送器的驱动性能。

 基于FPGA和波形合成算法的数字驱动方法，美国专利公布了一种基于FPGA和波形合成算法的数字驱动方法（Manus P.Henry,and Mayela E.Zamora,Startup and operational techniques for a digital flowmeter,Patent No.:US69950760B2, Sep,27,2005）。先使用随机序列去驱动流量管，待sample_count>N后，进入零驱动模式；待sample_count>M后，进入正反馈驱动模式。通过检测信号特征，决定返回随机驱动模式或进入数字波形合成驱动模式。变送器最终将进入数字波形合成模式进行驱动。这期间，对于随机序列驱动流量管，要求随机波的频带较宽且必须包含固有频率，并且随机波驱动的时间长短sample_count不易精确设定，因为随机波驱动的时间太短或太长，传感器的信号都会很微弱，这将不利于后继的传感器信号参数计算。在正反馈驱动模式中，是将ADC采集的信号数据存储在一个缓冲区内，处理器在进行相位匹配后，将这些信号数据通过DAC发出，驱动流量管。这要求缓冲区的空间要足够大，因为至少要包含一个完整周期的信号数据；另外，在流量管启振初期或者流量管处于恶劣环境下（例如，两相流/批料流），传感器信号将非常微弱甚至杂乱无章，如果这时仅仅单纯地将ADC采集的数据通过DAC输出驱动流量管，显然不利于驱动。在数字波形合成驱动模式中，处理器根据传感器信号的特征，数字合成正弦波，并进行相位匹配后，通过DAC输出驱动信号激励流量管。在这种模式下，正弦波信号数据由处理器计算得到，并且通过DAC一点一点地输出，因此加大了系统软件的负担；在专利中，用FPGA和DSP共同来实现测量和控制。

正负阶跃交替激励启振方法，合肥工业大学针对科氏质量流量计的启振问题，提出了一种正负阶跃交替激励启振的方法（徐科军，李苗等，科氏质量流量计正负阶跃交替激励启振方法和系统，发明专利，申请号：200910144210.7，公开号：CN 101608940A，公开日：2009年12月23日）。当流量管输出信号进入                                                

范围内时施加负阶跃，可使流量管输出信号得到加强；当信号进入

范围内时施加正阶跃，同样可使信号得到加强；在信号到达时施加负阶跃、到达

时施加正阶跃，可使信号得到最大幅度的加强。在实际中，由于环境噪声的存在，过零点很难找准，可在零点附近设置一个滞环带b。当输出信号大于b时，施加负阶跃；而当其小于-b时，施加正阶跃。利用这样的方法，使得流量管成功启振，克服了使用随机波形启振流量管的缺点。但是，在这份专利中，仅仅提到科氏质量流量计数字驱动中的启振问题，并没有给出在流量管启振后，特别是流量管振动频率发生改变后，如何去进行相应的频率、相位跟踪。而一套完整的数字驱动方法，应该是频率、相位和幅值跟踪的结合。

发明内容

本发明为克服上述数字驱动方法的缺点与不足，在正负阶跃交替激励启振方法的基础上，采用如下技术方案：科氏质量流量计的数字驱动跟踪方法和系统包括差分放大滤波电路、模数转换器1（ADC1）、模数转换器2（ADC2）、电压基准源、电压跟随器、电流源、差分放大器、模数转换器3（ADC3）、数字信号处理器（DSP）、直接数字频率合成器（DDS）、乘法数模转换器（MDAC）、外扩静态随机存取存储器 (SRAM)、外扩铁电随机存取存储器 (FRAM)、4～20mA输出及脉冲输出、电源模块以及软件。位于流量管两侧的两个磁电式传感器输出信号，经两路相同的调理电路放大、滤波后，由两个型号相同的模数转换器1（ADC1）和模数转换器2（ADC2）采样转化为数字量，通过数字信号处理器（DSP）的多通道缓冲串口（McBSP）送入至数字信号处理器（DSP）；数字信号处理器（DSP）对采样数据先进行数字滤波，消除噪声影响，再采用基于拉格朗日插值的过零检测算法计算信号的频率、相位参数；数字信号处理器（DSP）根据信号的频率、相位，结合系统硬件、软件延时以及驱动信号和传感器信号的相角关系，得到驱动信号的频率、相位，并通过数字接口写入到直接数字频率合成器（DDS）中；直接数字频率合成器（DDS）输出所设定频率、相位的正弦信号，该信号作为驱动信号源，接入到乘法数模转换器（MDAC）的模拟输入端；数字信号处理器（DSP）计算信号幅值，结合非线性幅值控制算法，得到数字驱动增益，并通过数字接口将增益信号写入到乘法数模转换器（MDAC）的数字输入端；乘法数模转换器（MDAC）将数字端和模拟端信号相乘，再经功率放大后，输出驱动信号；驱动信号接至科氏质量流量传感器内部的激振器，使流量管在固有频率处稳幅振动；另一方面，数字信号处理器（DSP）根据信号的频率、相位参数，计算流体的密度、质量流量；恒定电流经过科氏质量流量传感器内部的温度传感器（RTD），温度传感器（RTD）输出电压经差分放大后，由模数转换器3（ADC3）采样转换为数字量送入数字信号处理器（DSP），数字信号处理器（DSP）根据温度对密度、流量进行温度补偿；数字信号处理器（DSP）将测量结果在液晶上显示，并通过SCI接口、4～20mA电流输出、脉冲输出模块输出测量结果。

本发明专利的优点是：基于DDS和MDAC实现科氏质量流量计数字驱动中的频率、相位和幅值跟踪，大大减小软件计算量，基于DSP芯片实时实现变送器的数字驱动控制和流体流量计算。

附图说明

 图1为本发明系统的数字驱动原理框图。

图2为本发明系统的硬件结构框图。

图3为本发明系统的软件结构框图。

图4为本发明系统的软件流程图。

图5为本发明系统的过零检测原理图。

图6为本发明系统的相位跟踪示意图。

图7为本发明系统的数字驱动方法流程图。

图8为本发明系统的数字驱动实验结果图（更新驱动信号）。

图9为本发明系统的数字驱动实验结果图（数字驱动启振波形）。

图10为本发明系统的数字驱动实验结果图（两相流下传感器信号）。

图11为本发明系统的数字驱动实验结果图（不同控制时间间隔的驱动效果）。

具体实施方式

本发明的硬件框图如图所示，主要由差分放大滤波电路、ADC1、ADC2、电压基准源、电压跟随器、电流源、差分放大器、ADC3、DSP、DDS、MDAC、外扩SRAM、外扩FRAM、4～20mA输出及脉冲输出、电源模块组成。

本发明的工作过程如图3所示。系统上电后，DSP首先完成系统各个模块、外设以及算法变量的初始化，并同步启动ADC1和ADC2；流量管两侧的两个磁电式传感器输出信号经相同的调理电路放大、滤波后，由ADC1和ADC2采样；采样数据通过DSP的McBSP接口送入DSP内；DSP对采样数据先进行数字滤波，然后采用基于拉格朗日插值的过零检测算法计算信号的频率、相位参数，通过连续比较三点采样数据值，得到信号的幅值参数；DSP根据传感器信号的频率、相位、幅值，确定驱动信号的频率、相位、幅值，完成驱动控制；DSP根据传感器信号的频率、相位，计算流体密度、质量流量，并读取ADC3的采样数据，得到温度值，对测量结果进行温度补偿；DSP将测量结果在液晶上显示，并通过SCI接口、4～20mA输出、脉冲输出模块输出测量结果。

系统上电后，DSP完成系统各个部分的初始化，同步启动两路模数转换器ADC1和ADC2。当ADC1数据转换好后，通过GPIO向DSP触发中断。考虑到ADC1和ADC2同步开启，数据转换理论上同时转换完成，因此未开启ADC2中断，而是通过在ADC1中断程序中查询ADC2的状态，判断ADC2是否转换完成。转换完成后，DSP通过McBSP-A和McBSP-B口向ADC1和ADC2提供时钟，将数据转换结果移至McSBP的接收寄存器（DRR）中；使用直接存储器存取（DMA）模块完成采样数据从McBSP接收寄存器到用户指定RAM空间的转移。初始化DMA时，将DMA的通道1和通道2的源地址指针配置为McBSP-A和McBSP-B的接收寄存器，而目的指针则指向用户定义的临时数组bufferL和bufferR，则DMA自动地将McBSP-A和McBSP-B接收寄存器中的数据存储到bufferL和bufferR中。当bufferL和bufferR数组存放满后，产生DMA中断，通知用户读取数据，并且修改DMA目的指针，为下次传送做准备。

DSP采集到传感器信号后，首先完成流量管的启振。这里，启振方法可以采用正负阶跃交替激励方法（徐科军，李苗等，科氏质量流量计正负阶跃交替激励启振方法和系统，发明专利，申请号：200910144210.7，公开号：CN 101608940A，公开日：2009年12月23日），待传感器信号幅值达到参考值可用于后继算法计算信号参数时，停止正负阶跃交替激励模式，进入数字波形合成驱动模式（图4中的“驱动控制”）。在实际操作中，某一特定类型流量管振动频率范围可已知，通过限定驱动信号的频率范围（如流量管振动频率为135Hz，则将驱动信号频率限制在100～200Hz之间），可以直接进入数字波形合成驱动模式，即以该频率段信号激励流量管（如200Hz），传感器将输出微弱信号，通过对该信号分析，可以得到流量管振动频率的近似值，再以该近似频率合成驱动信号激励流量管，传感器将输出更大信号。DSP不断地采集传感器信号，计算信号参数，并更新驱动信号，最终可使得流量管在固有频率处振动，如图9所示。这样，便省去了正负阶跃交替激励模式和数字波形合成模式的切换，减小系统软件复杂度。

 进入数字波形合成驱动模式后，DSP每采集到500点新的数据后，即开始调用算法。500点数据先经过一个通带宽度和深度可调的IIR带通滤波器进行预处理。本发明采用一种具有陷波器结构的IIR带通滤波器对传感器信号进行滤波。

滤波器传递函数为：

                                                                              （1）

式中，

，为陷阱频率，

，

。将

和

代入式(1)，可得其在陷阱频率处的增益为：

                     

                            （2）

当非常接近于1，而不在0、π、2π附近时，式（2）可以简化为：

                                                                                                 （3）

可见，当

时，陷阱处为衰减；当

时，陷阱处为放大。陷阱深度由

决定，而受

影响很小。

滤波器的陷阱宽度由

和

的值决定，并且主要由

决定。设计滤波器时，可先固定，通过调节

改变陷波器的陷阱宽度，其值越接近于1，陷阱宽度越窄；再调节，改变陷阱深度。

当测量两相流时，传感器信号发生突变，这时需要采用一种对信号幅值波动不敏感、并且跟踪速度快的算法来处理传感器信号。为此，采用基于拉格朗日插值的过零检测算法，其通过检测信号的零点计算信号的频率、相位差，对信号幅值波动不敏感，并且在一个信号周期内，即可算出信号参数，具有较快的跟踪速度。

过零检测通过记录信号过零点的时刻，得到过零点间的时间间隔，进而求取信号频率、相位差，如图5所示。由图可得，信号频率为

，两路信号时间差为

，相位差为

。

实际运算中，单片机处理的是采样后的离散信号。ADC不可能恰好采样到信号的过零点，这就需要对采样数据进行曲线拟合，求出信号过零点，本专利采用拉格朗日二次插值拟合。

设采样序列

，当出现

时，即表明在

时刻之间存在一个零点。生成二次插值多项式

，由拉格朗日计算公式，得：

            (4)

简化得： 

                                                                    (5)

       (6)

            (7)

因此通过解方程即可求出

时对应的时刻

，即过零点。在实际应用中要舍弃方程中在

之外的那个根。

在更新DDS信号频率之前，需要确定DDS输出信号的初始相位值，以满足驱动信号和传感器信号之间的相位关系，即相位跟踪（例如CMF025型号传感器，驱动信号和传感器信号相位之差为180°）。相位跟踪的主要任务是：在更新驱动信号时，估计出传感器信号的实际相位，再根据驱动信号和传感器信号之间的相位关系，结合系统硬件、软件延时，得到驱动信号的相位。

图6所示的是相位跟踪示意图，图6中(a)为原始传感器信号；(b)为经ADC采样并经过滤波处理后的离散信号；(c)示意的是确定写入到DDS器件内的初始相位；(d)是实际输出的驱动信号。相位跟踪的具体流程如下：

1)当ADC采集到新的

点信号数据后，DSP先对采样数据进行滤波预处理，之后采用过零检测算法，找出信号的过零点。图6中的指的是硬件输入调理电路、ADC采样转换及转换数据传输、软件滤波器对信号造成的相位延时。硬件输入调理电路带来的延时可由电路参数估算，也可以通过实测得到（经实测，对于CMF025传感器信号的频率点，有2.5°的相位滞后）；ADC采样更新时间从ADC芯片手册上查得为2.08

，数据传输约需32

；软件滤波器的相位滞后，可根据滤波器的相频特性结合信号频率求出；

2)记录

点信号中最后一个过零点的位置

，在图6(b)信号中，其对应的相位为

（0°或180°）；在图6(a)信号中，

点对应的相位为

，其中

是

对应的相位；

3)假设在DSP处理完

点信号后，ADC又采样了

点数据（图6中的

位置），那么位置

和

之间的时间间隔为，其中，是ADC的采样时间间隔，则位置对应的传感器信号的相角为

，其中

为

对应的相角；

4)DSP在图6中

时刻更新DDS的相位、频率。此时需要考虑DDS器件以及后续硬件电路带来的延时

，例如，DDS内部DAC转换时间从手册上查得为7～8个系统时钟；经实测，DSP对DDS写操作有128

的指令延时；后续硬件电路带来的相位滞后有1.6°。结合驱动信号和传感器信号之间的相位关系（以CMF025型号传感器为研究对象，其驱动信号和传感器信号之间相位差为180°），得到写入到DDS的初始相角

。其中，

是

对应的相位；

5)经过

的延时后，DDS最终在图6中

时刻输出驱动信号，并实现对传感器信号的相位跟踪。

与波形合成算法相比，DDS器件只需向其写入相位、频率信息，即可完成正弦信号的输出，减小了软件的计算量。

DSP采用非线性幅值控制算法实现对传感器幅值的灵活控制。通过比较连续采样的三点幅值大小检测峰值，第一个波峰出现时就可以检测出其幅值，实时性好。非线性幅值控制算法的核心在于PI控制器的输入误差不直接用参考值

减输入值，而是分别求自然对数后再相减，显然，输入信号较小时，误差

远大于误差

，这就能在传感器信号很小时提供更大的增益控制信号。

    综上所述，整个数字驱动方法的流程如图7所示。图8为实际驱动过程中的传感器信号和驱动信号，在图8中箭头处，更新了驱动信号，完成了一次频率、相位、幅值跟踪。

目前ADC采样频率为3.75KHz，当采集到新的500点数据后，调用算法模块，即每隔133ms进行一次频率、相位、幅值跟踪，能满足驱动控制的要求。当流量管处于比较恶劣的环境时，可以缩短算法调用的时间间隔，提高控制的实时性，如图11所示。在图11中，每27ms更新一次驱动信号，能够更好地维持驱动信号与传感器信号的相角关系。

计算信号参数时，对得到的结果进行排序取中间值处理，排除奇异值，防止控制器输出的波动；另外，针对不同型号的流量管，要通过实验得到与其匹配的PI控制参数，兼顾控制器的快速性和平稳性。

在驱动控制完成后，DSP先判断信号的幅值，决定是否进行流量计算。如果信号幅值小于参考值，则表示流量管还未完全启振或者已经在两相流下停振，那么软件系统中只进行驱动控制，不进行流量计算；当信号幅值达到参考值后，DSP根据信号的频率、相位差计算流体的密度、质量流量，并结合温度进行补偿。

在cputimer0的中断中，DSP对瞬时流量累加，得到累积流量，并将该段时间内流量值通过4～20mA电流输出或脉冲输出模块输出。DSP用GPIO模拟SPI时序向DA7513发送12位串行数据，由DAC完成数字量到模拟电压量的转换，再通过一个V/I变换电路，将电压转换为4～20mA电流输出；同时，DSP结合脉冲当量，将流量值换算成对应的脉冲个数，借助ePWM模块输出脉冲。

系统掉电时，触发DSP中断。在掉电保护中断服务程序中，DSP将仪表参数保存至外扩FRAM。系统外扩FRAM器件每个存储单元为8位，程序中要保存的数据为32位的float类型，因此，定义结构体和联合体，使32位的float型数据与4个8位的字节共享一段存储空间，即将float型变量拆分成4个字节，分开保存。

struct FRAM_DATA_BITS

{

    Uint16      data1:8;

    Uint16      data2:8;

    Uint16      data3:8;

    Uint16      data4:8;

};

typedef union 

{

    float all_float;

    struct FRAM_DATA_BITS bits;

}FRAM_DATA;

同样，在从外扩FRAM空间读取数据时，将4个外扩FRAM存储单元的字节数据读出，并整合为float型变量。

Claims (7)

1.一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪系统包括差分放大滤波电路、模数转换器1（ADC1）、模数转换器2（ADC2）、电压基准源、电压跟随器、电流源、差分放大器、模数转换器3（ADC3）、数字信号处理器（DSP）、直接数字频率合成器（DDS）、乘法数模转换器（MDAC）、外扩SRAM、外扩FRAM、4～20mA输出及脉冲输出、电源模块以及软件；其特征在于，位于流量管两侧的两个磁电式传感器输出信号，经两路相同的调理电路放大、滤波后，由两个型号相同的模数转换器1（ADC1）和模数转换器2（ADC2）采样转换为数字量，通过数字信号处理器（DSP）的多通道缓冲串口（McBSP）送入至数字信号处理器（DSP）；数字信号处理器（DSP）对采样数据先进行数字滤波，消除噪声影响，再采用基于拉格朗日插值的过零检测算法计算信号的频率、相位参数；数字信号处理器（DSP）根据信号的频率、相位，结合系统硬件、软件延时以及驱动信号和传感器信号的相角关系，得到驱动信号的频率、相位，并通过数字接口写入到直接数字频率合成器（DDS）中；直接数字频率合成器（DDS）输出所设定频率、相位的正弦信号，该信号作为驱动信号源，接入到乘法数模转换器（MDAC）的模拟输入端；数字信号处理器（DSP）计算信号幅值，结合非线性幅值控制算法，得到数字驱动增益，并通过数字接口将增益信号写入到乘法数模转换器（MDAC）的数字输入端；乘法数模转换器（MDAC）将数字端和模拟端信号相乘，再经功率放大后，输出驱动信号；驱动信号接至科氏质量流量传感器内部的激振器，使流量管在固有频率处稳幅振动；另一方面，数字信号处理器（DSP）根据信号的频率、相位参数，计算流体的密度、质量流量；恒定电流经过科氏质量流量传感器内部的温度传感器（RTD），温度传感器（RTD）输出电压经差分放大后，由模数转换器3（ADC3）采样转换为数字量送入数字信号处理器（DSP），数字信号处理器（DSP）根据温度对流量进行温度补偿；数字信号处理器（DSP）将测量结果在液晶上显示，并通过SCI、4～20mA电流输出和脉冲输出模块输出测量结果。

2.如权利要求1所述的一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪系统，其特征在于：系统上电后，数字信号处理器（DSP）内部完成各个模块的初始化以及算法、变量的初始化，然后同步启动模数转换器1（ADC1）和模数转换器2（ADC2）的采样转换；数据转换好后，通过GPIO口产生中断；中断服务程序将ADC转换结果传送至McBSP的接收寄存器，通过直接存储器存取（DMA）模块，将McBSP接收寄存器的数据传送至用户定义的随机存取存储器（RAM）空间临时数组中；临时数组存放满后，产生DMA中断，中断服务程序中，将临时数组的数据存放至用户定义的外部SRAM循环数组中，用于算法调取数据；每当产生500点新数据，即调用算法模块对数据进行处理。 

3.如权利要求1所述的一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪系统，其特征在于，算法从循环数组中调取500点数据，进行算法处理；两路信号数据先经过一个通带宽度、深度可调的IIR带通滤波器进行预处理，消除噪声干扰，然后调用基于拉格朗日插值的过零检测算法，找出信号的过零点，计算两路信号的频率、相位信息；通过连续比较三点采样数据的大小，得到信号的幅值参数。

4.如权利要求1所述的一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪系统，其特征在于，在得到传感器信号的频率、相位、幅值参数后，数字信号处理器（DSP）开始计算驱动信号参数；驱动信号的频率即是传感器信号的频率；驱动信号的相位应与传感器信号维持特定的关系，对于CMF025型号传感器，驱动信号应与传感器信号维持180°的相角关系，则在更新驱动信号时，需要先计算出相应的传感器信号的相位，并考虑系统硬件、软件的延时，再结合驱动信号与传感器信号需维持的相角关系，进而确定驱动信号的相位；结合传感器信号的幅值，调用非线性幅值控制算法，得到驱动信号的幅值控制增益。

5.如权利要求1所述的一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪系统，其特征在于，在确定驱动信号的频率、相位、幅值控制增益参数后，数字信号处理器（DSP）开始更新驱动信号；数字信号处理器（DSP）通过数字接口，将驱动信号的频率、相位参数写入到直接数字频率合成器（DDS）中，直接数字频率合成器（DDS）输出所设定的频率、相位信息的正弦信号，直接数字频率合成器（DDS）输出信号的幅值为一定值，该正弦信号接至乘法数模转换器（MDAC）的模拟输入端；数字信号处理器（DSP）通过数字接口，将驱动信号的幅值控制增益参数写入到乘法数模转换器（MDAC）的数字输入端；乘法数模转换器（MDAC）将数字输入端的增益信号与模拟输入端的正弦信号相乘，再经功率放大后输出驱动信号，完成数字驱动的跟踪控制；驱动信号接至科氏质量流量传感器内部的激振器，使流量管以固有频率振动。

6.如权利要求1所述的一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪系统，其特征在于，在完成数字驱动控制后，数字信号处理器（DSP）根据传感器信号的频率、相位差参数，计算流体的密度、质量流量参数；数字信号处理器（DSP）读取模数转换器3（ADC3）的数值，得到温度参量，对密度、流量进行温度补偿。

7.如权利要求1所述的一种科氏质量流量计的数字驱动跟踪系统，其特征在于，在计算得到流体密度、质量流量参数后，数字信号处理器（DSP）将测量结果在液晶上显示，并通过SCI、4～20mA电流输出、脉冲输出模块，将测量结果输出。 

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