基于DSP的浆液型电磁流量计的研制（一）
电磁流量计是基于导电液体体积流量的仪表，由于其测量管道内无阻挡1引言体、耐腐蚀性强、可靠性高，且不受流体密度、黏度、温度、压力变化的影响，所以，在石油、化工、冶金、造纸等行业电磁流量计是一种依据法拉第电磁感应定律来测量得到较为广泛的应用。在这些行业中，常常需要测量浆液(固-液两相流，如纸浆等 )流量。特别是随着节能减排要求的提高，工业生产中不断出现新的浆液流量测量需求，如用于替代工业锅炉中传统油煤燃料的水煤浆流量的测量。但是，当前用国产的电磁流量计去测量浆液流量时，输出波动很大，测量结果无法反映实际的流量情况。究其原因，是因为国产仪表基本上采用的是低频的方波励磁，没有有效的信号处理方法，仅用单片机来实现励磁的控制和信号处理［2-5］。而国外采用高频方波励磁技术或双频励磁技术及相应的信号处理方法，如日本东芝的高频电磁流量计［6-9］和横河的双频电磁流量计［10-12］，但未披露关键技术细节。为此，研制具有自主知识产权的浆液型电磁流量计，解决浆液流量的快速和稳定测量具有重要意义。
浆液测量的关键在于有效克服浆液噪声的影响。而根据浆液噪声的 1 /f特性及国外研究结论，可以采用高频励磁或双频励磁来有效降低浆液噪声的影响，进而从信号处理上进一步削弱浆液噪声，提高测量精度。为此，电磁流量计的励磁控制和信号处理至关重要。本文在现有的信号处理方法［13-14］和励磁控制研究［15-16］的基础上，提出有效的浆液信号处理方法，并以 TI公司 DSP芯片 TMS320F2812 (以下简称 F2812)为核心，研制浆液型电磁流量计。
系统硬件研制
2．1 硬件方案
本系统主要包括励磁驱动模块、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。
由 F2812产生特定时序的励磁控制信号控制励磁驱动模块工作。励磁驱动模块向电磁流量计励磁线圈提供特定时序的励磁电流，建立特定形式的交变磁场。励磁电流同时由检流电路检测并由 A/D转换电路转换以送给信号处理控制模块。电磁流量计感应输出信号 ( SIG)由信号调理采集模块调理并进行 A/D转换。A/D转换结果再送给信号处理控制模块，由 DSP进行信号处理以获取流量信号。人机接口模块用于人机交互操作。通讯模块用于上位机远程监控。
2．2励磁驱动模块
由于浆液噪声幅值与频率之间成 1 /f特性，因此，本系统采用高频方波励磁控制方案，以提高传感器输出信号的基频，从而在浆液测量时有效降低浆液噪声影响，提高信噪比。励磁驱动模块主要由恒流源电路、励磁控制电路、检流电路和 A/D转换电路组成，具体采用文献
［15］中的技术方案。恒流源电路向励磁线圈提供恒定的稳态励磁电流，励磁控制电路用于切换励磁电流的方向以实现方波励磁。由于随工作环境的变化和时间的推移，励磁驱动模块参数及电磁流量计励磁线圈参数可能会发生变化，进而导致励磁电流变化，使得测量结果发生偏差。为此，励磁驱动模块设置了检流电路以检测励磁电流，并由 A/D转换电路进行 A/D转换以传送给 DSP进行处理结果的电流修正。由于电磁流量计工作时，励磁电流高达数百毫安，而励磁线圈又为感性负载，采用 DC /DC器件或类似 PWM控制原理反馈控制构建的恒流源电路会使励磁电流响应速度较慢，从而在高频励磁时励磁电流在励磁半周期内无法达到稳态，引起较大的测量误差。因此，采用高功率线性电源搭建恒流源电路并采用高压源供电，以使励磁电流在方向切换时能很快达到稳态，进而保证高频励磁时信号稳定性。恒流源电路原理图如图 2所示。R1采用精密电阻，通过调整该电阻值即可获得期望的稳态励磁电流。供电电压 VCC为 36 V。
由于采用方波励磁方案，因而系统的励磁控制电路主要由H桥及其驱动控制电路构成，实现励磁线圈中电流的方波切换。H桥高端接恒流源，低端通过低阻值的
检流电阻接地，中间接励磁线圈。由于励磁切换时感性负载会导致 H桥高端电压的大幅波动。因而，H桥高端桥臂采用 PNP达林顿管以方便通过电流来进行控制。H桥低端桥臂采用 NMOS管，由于其栅极电流可以忽略不计，进而可保证 H桥低端与地之间的检流电阻能准确检测励磁电流。H桥各桥臂均反接保护二极管，且采用对臂联动控制方式以实现高频或双频方波励磁时励磁线圈中电流完全流过检流电阻。H桥高端对地并接限幅保护二极管。励磁控制时，由 F2812发出励磁控制信号，实现方波励磁。
检流电路主要由 H桥低端与地之间的检流电阻、仪用运放及低通滤波电路组成，用于检测励磁电流。检流电阻选用 1 Ω精密电阻。仪用运放与滤波电路主要用于对检流电阻上的电压进行放大滤波供 ADC进行 A/D转换。
由于励磁电流用于信号处理中的流量修正，而流量测量精度要求较高，因此，A/D转换电路中选用 24位高精度 Σ-△型串口 A/D转换器，采样率定为 4 800 Hz。
2．3信号调理采集模块
信号调理采集模块主要由前置差分放大电路、偏置调整电路、低通滤波电路及 A/D转换电路组成。前置差分放大电路用于实现阻抗匹配、信号放大并消除信号中的共模干扰。由于电磁流量计输出阻抗高达几百千欧，信号微弱且易受外界干扰，因此，采用低偏置电流高输入阻抗的运放 TL074搭建前置差分放大电路，放大倍数设为 11倍。
偏置调整电路用于输出偏置调整量，提供给前置差分放大电路以将信号调整到线性测量范围，避免极化噪声导致信号放大饱和。偏置调整电路由一个 D/A转换电路和一个减法电路组成。 DAC选用 10位串口型 TLC5615，输出范围为0～ 5 V。减法电路将DAC输出电压与2．5 V基准电压相减，并进行放大从而实现正负双极性偏置调整。
低通滤波放大电路用于对差分放大后的信号进行滤波消噪，提高信噪比。采用两个二阶低通滤波电路级联的方式构建四阶低通滤波器，滤波截止频率设为 2 kHz，每级放大倍数为 2倍，从而将经过偏置调整后的输出信号再放大 4倍。
由于对信号精度要求较高，此处 A/D转换电路同样选用24位高精度ADC。
2．4信号处理控制模块
由于浆液测量的关键在于浆液噪声的去除，其信号处理算法相对于纯水等单相介质的测量算法往往较大。因此，系统中采用 TI公司 DSP芯片 TMS320F2812作为，并外扩一片64KWSRAM作为数据存储器以增强数据处理能力。系统信号处理控制模块功能框图如
TMS320F2812内核是一片 32位定点 CPU，最高工作时钟可达 150 MHz，从而为系统中信号的高速处理和算法的实时实现提供了充分的条件。另外 F2812还拥有丰富的片上外设。本系统中采用事件管理器模块的 PWM输出功能控制励磁驱动模块工作 ;利用事件管理器捕获功能判断 ADC是否转换完成并以 GPIO口模拟 SPI与 ADC通讯以读取 ADC的转换结果 ;采用硬件 SPI模块向信号采集模块 DAC输出偏置量 ;采用 SCIA与上位机通讯; PIE模块管理全部中断操作 ;采用 GPIO及中断模块处理键盘操作 ;并口液晶映射至 F2812的 XINTF0区，通过总线进行操作;外扩 SRAM用作数据存储器，并映射至 F2812的 XINTF6区;采用看门狗模块监视系统运行，防止死机。F2812的时钟由 30 MHz有源晶振提供以使 CPU工作在最高速率;另外，采用阻容式复位电路以方便调试时手动复位，程序则通过 JTAG口进行下载和调试。
