基于数字频谱与模拟带通滤波组的两线制蒸汽流量计
摘要：基于MSP430F1611单片机，采用数字频谱分析与模拟带通滤波器组相结合的方式，研制新型两线制数字蒸汽流量计，以扩展量程比，保证现场测量精度，并实现低功耗工作，解决目前此类流量计存在的关键性技术问题。采用低功耗运放和数字电位器组成程控放大器，以适应蒸汽传感器输出信号强度较大范围的变化；根据少点数FFT计算结果，选择带通滤波器组，既满足蒸汽传感器信号频率范围变化大的需要，又对蒸汽信号进行佳滤波；设计有效的电源管理模块和电流输出电路，为仪表两线制工作提供足够的电流。
0引言
蒸汽流量计具有测量介质广泛、无活动部件、压力损失低、输出信号频率与状态体积流量成正比等优点，获得较为广泛的应用。但是，蒸汽流量计的现场测量精度有待改进，量程比有待扩展。为此，国内外有关公司和学者将数字信号处理方法应用于蒸汽信号的处理，有效地保证现了场测量精度和扩展量程比。由于以上的算法都比较复杂，需要进行大量的运算，而仪表有实时性的要求，所以，必须采用DSP（数字信号处理器）才能完成任务。但是，DSP芯片的功耗大，一般工作电流都在100mA以上，不能满足两线制仪表4～20mA的要求。而这种两线制、低功耗的仪表是许多过程工业所需要的。基于DSP的信号处理系统无法满足这些要求。虽然，国内一些学者采用低功耗单片机开发低功耗、两线制蒸汽流量计，如：文献[4]用PIC单片机开发了两线制蒸汽流量计，文献[5]用MSP430单片机设计了低功耗蒸汽流量计，但是，他们仍然采用的是常规的信号处理模式，即放大、整形和计数，所以，无法有效地从噪声中提取蒸汽信号。若采用低功耗单片机去实现数字信号处理算法，也无法做到低功耗和两线制，因为用单片机实现数字信号处理算法，单片机必须总是全速运行，任何低功耗工作模式无法使用。例如，文献[6]采用小波变换消除信号中的噪声，用MSP430单片机去实现系统，但是，测试结果表明，无法做到低功耗和两线制，因为仪表本身的工作电流超过4mA。国外的一些公司为蒸汽流量计一些信号处理模块设计了的集成电路（ASIC），用硬件的方式来对蒸汽信号进行处理，以便实现低功耗和实时工作。
采取用低功耗单片机MSP430F1611做少点数FFTr结合硬件模拟滤波器组的信号处理方式，来实现蒸汽信号的处理，再设计有效的电流管理和电流输出模块，既能从噪声中提取蒸汽信号，保证现场测量精度，扩展量程比，又能做到低功耗和两线制工作。
1硬件设计
1.1总体方案
设计的目标是既采用数字信号处理方法，又要保证仪表是低功耗工作，所以，采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换（FFT），实现周期图谱分析，确定蒸汽信号的频率值；设计一组硬件带通滤波器，其通带覆盖蒸汽信号所在的频带，根据谱分析结果来选择具体的带通滤波器，进行佳滤波，大限度地消除各种谐波和现场噪声对测量的影响，提高测量精度。采用数字电位器和运算放大器组成程控放大器，通过峰值检测确定蒸汽信号的幅值，调整程控放大器的放大倍数，使信号的幅值达到佳范围，适应大流量和小流量的测量的需要，扩展量程比。选用低功耗的单片机芯片，并设计与之配套的输出电路和电源管理电路，保证仪表工作电流小于4mA，输出电流为4～20mA，实现两线制工作。
1.2硬件框图
该系统的硬件框图如图1所示，包括压电传感器、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、16位模数转换器。
1.3工作过程
压电传感器输出的电荷信号经过差分电荷放大器转变为电压信号，由于幅值非常小，所以，再经过一级固定的电压放大器和一级程控放大器。放大后的信号经过低通滤波器，滤除信号中的高频干扰，然后分为2路。第1路信号由电压跟随器（缓冲器）输出，被单片机自带的ADC采样和转换，变成数字量。单片机对信号进行少点数的FFT，做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道。第2路信号送至带通滤波器组，进行滤波；由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号。经过带通滤波器组的输出信号分为2路。第1路送至峰值检测电路；峰值检测电路将信号的峰值送至单片机ADC的输入端；单片机对信号的峰值进行采样和转换，并根据峰值来调整程控放大器的放大倍数，使信号的幅值达到佳范围；第2路送至由比较器组成的整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，采用捕获方式，利用多周期等精度方法进行计数。单片机根据计数结果，将流量信息显示在LCD上，并通过自身的DAC转换，送至4～20rnA输出与电源管理电路，经过V／I转换成4～20mA电流信号输出。下面简要介绍其中的部分硬件电路。
1.4带通滤波器组
虽然蒸汽流量传感器信号经过了低通滤波器，一些高频信号被消除。但是，由于蒸汽信号频率的变化范围较宽，从0.5Hz～3.7kHz。在这个频带范围内，可能包含蒸汽流量信号频率、机械振动频率、流场扰动噪声频率和其它噪声频率。若将此信号直接进行整形和计数，由于各种噪声的影响，很容易造成整形电路的误触发，使测量结果出现较大的误差。
针对这个问题，设计一组模拟带通滤波器，包括1个低通滤波器和7个带通滤波器，这7个带通滤波器的电路结构相同、参数不同，从而通带互不相同，但是相互连接，覆盖蒸汽流量计的频带范围，并且相邻通带间有一定的重叠。由1个高通滤波器和1个低通滤波器来实现1个带通滤波器，这样比单运放带通滤波器的幅频特性好，即这样形成的通带部分的幅频特性比较平坦，截止区域衰减得更快。考虑到整个蒸汽信号的频率范围在0.5～3700Hz的范围，若用1组带通滤波器组去滤波，效果不佳，所以，针对不同情况设计了若干组滤波器组，这样既具有一定的通用性和互换性，又保证有较好的滤波效果。例如，针对15～200mm口径的液体流量测量设计1组带通滤波器组的参数，其工作频率覆盖1～500Hz；针对25—150mm口径的气体流量测量设计1组带通滤波器的参数，其工作频率覆盖19～2300Hz。具体选择哪个滤波器的输出信号进行整形和计数，由单片机对蒸汽信号进行频谱分析的结果来决定。即单片机对采集到的蒸汽传感器信号进行周期图谱分析，确定蒸汽信号的范围；据此，确定用哪个带通滤波器滤波后的信号进行整形和计数，这样可以大程度地消除各种噪声对蒸汽信号的影响，避免误触发，保证计数的精度。
1.5电源管理与电流输出模块
4～20mA输出和电源管理模块由4～20mA电流变送器XTR115、DC／DC、3个LDO和磁珠BEAD组成。24V直流电压先经过DC／DC由24V变为3.3V，经过LDO变成3V电压，作为数字部分的电源，3.3V再通过另1路LDO变换成3V电压，作为模拟电路部分的电源，模拟地和数字地之间通过磁珠连接，这样数字部分跟模拟部分电平匹配，而且单片机在3V电压下消耗电流更小。同时，由24V直流电压经过一级LDO变为7V，供温压补偿部分恒流源工作。系统消耗的电流由XTR115检测并调整输出电流。由于系统电源跟输入之间没有进行隔离，将表壳（大地）和系统地（模拟地、数字地）之问进行隔离来满足绝缘的要求（即浮地）。
2软件研制
2.1总体框图
该系统软件总体框图如图2所示，由主监控程序模块、保护模块、中断模块、初始化模块、程控放大器调整模块、计算模块、电流输出模块、人机接口模块组成。其中，初始化模块包括LCD初始化、流体介质和仪表口径初始化、峰值检测模块初始化、4～20mA电流输出模块初始化、温度和压力补偿模块初始化、掉电保护模块初始化、流量计算模块初始化、带通滤波器选择初始化。
2.2主监控程序流程图
图2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，实现本系统的所要求的功能。主监控程序的流程如图3所示。它是一个循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入不断查询标志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Fn、计算标志位是否置位，若置位，则调用FFT计算模块，对经过电荷放大、电压放大、低通滤波和电压跟随后的蒸汽传感器信号做FFT计算、频谱分析和校正，估计出大能量所在的频率，根据这个频率来选择带通滤波器，并设置峰值检测时间的间隔，处理完成后清除标志位；然后，查询发触发捕获信号的标志位是否置位。
2.3脉冲计数
采用多周期等精度测量方法进行脉冲计数。设置定时器A（TA）为蒸汽信号脉冲计数器，设置定时器B（TB）为填充脉冲计数器，让TA的PWM模块（TA1）定时发触发捕获信号（定时时问由测量频率的下限而定），TA和TB根据相邻2次触发捕获信号之间的时间间隔，分别捕获蒸汽信号脉冲的个数和填充脉冲个数，根据TA和TB捕获得到的脉冲数以及TB的工作时钟频率计算出蒸汽信号的频率，如图4所示。定时器A的工作时钟由外部提供，外部脉冲每增加1次，定时器A计数器计数值就会增加1次，即定时器A是用来对外部脉冲进行计数的。定时器B用来产生时间间隔，每次定时时间到就发触发捕获信号。根据这个捕获信号，定时器A的1个PWM单元（TA1）就产生上升沿，定时器A的捕获单元（TA2）和定时器B捕获单元（TB2）根据这个上升沿，将其各自的计数器值捕获进来，计算出相邻两次信号的TA的计数差值Ⅳ和TB的计数差值N，则：
式中：F为定时器B的工作时钟频率；F为定时器A的工作时钟频率，即被测蒸汽流量信号的频率。
2.4频率估算
对信号进行采样，计算频率值，再选择带通滤波器组的通道，接着设置峰值采样时间间隔，即具体选定带通滤波器组中的一个带通滤波器，设置峰值采样过程充放电时间。该系统采用少点数FFTr估计蒸汽信号的频率。首先对采样得到的信号序列进行零均值处理，消除直流分量；然后，对序列进行FFT运算。为了克服单片机的运算速度不够快和内存资源有限的问题，我们采取了以下的技术措施，在单片机上实时实现了FFrI1运算，并保证了算法的精度：
（1）采用汇编语言编制FFT程序，运算速度快；
（2）数据统一使用Q13定点数表示，即用16位来表示1个数据，高位（左边的第1位）是符号位，剩下的15位表示数据的大小，其中，高2位（左边的第2位和第3位）用来表示数据中的整数部分，在计算中作为保护位，低13位（右边的13位）表示数据中的小数部分，采样来的数据先放在低12位，然后，左移1位，这样可以减少内存占用量；（3）采用定点数计算，即在乘法和加法计算过程中使用的数据其小数点都是固定的，以提高计算速度；（4）在FFT运算过程中，每经过一级碟形因子的计算，其结果大可能会扩大3倍，随着计算级数的增加，用Q13格式表示的数据肯定会发生溢出，所以，在计算过程中必须对数据进行移位（右移），以防止数据的溢出，但是，在实际计算中，并非每级计算的结果都会溢出，若此时对结果进行移位，就会降低F丌计算结果的精度，因为移位使数据变小，即减少了小数部分的有效位，为此，先判断这一级计算结果是否大于1，当大于1时，才移位，小于1就不移位。由FFT运算结果计算出信号的功率谱，按照能量占优原则，根据大功率谱峰值，估计出蒸汽流量信号的频率；后，利用重t2"校正法进行频谱校正，提高蒸汽流量信号频率测量的精度。根据蒸汽流量信号的频率，由单片机控制多路选择电路，选择对应于当前蒸汽流量信号频率的带通滤波器，将此带通滤波器与后面的整形电路相连。根据蒸汽信号频率设置峰值采样过程中的充放电时间间隔。
2.5带通滤波器选择
设计的1个低通滤波器和7个带通滤波器的通频带将整个要处理的蒸汽信号频率覆盖，同时，相邻滤波器的通带之间有重叠部分，以避免当蒸汽信号频率处于相邻通带边缘时，引起带通滤波器的频繁切换，即避免频繁地变换带通滤波器。当频率超出上次选择的带通滤波器的频率范围时，就查找覆盖此频率的滤波器，选出合适的滤波器。具体选择过程为：当频率没有超过当前滤波器通带的上下限时，就仍然选择当前的滤波器；当频率正好落在2个滤波器通带的交叉带中时，将依据这2个滤波器通带的交叉点来进行选择，即把这2个滤波器幅频特性的相交点作为1个分界线：当频率低于交叉点时，就选择低通带的滤波器，高于交叉点就选择高通带的滤波器。
3测试与实验
当系统研制完成后，我们在实验室进行了系统功耗和电流输出精度的测试、脉冲计数精度和抗谐波干扰的测试、少点数FFT功率谱计算精度的测试、温度和压力补偿测试，在重庆耐德工业股份有限公司进行水流量和气流量标定实验，以考核系统的性能。由于篇幅所限，下面仅介绍部分测试和实验结果。
3.1电流输出和功耗测试
将该系统与40mm口径的一次仪表相匹配，组成蒸汽流量计，进行实际流量标定，或者用信号发生器输入标准的频率值。将日本YOKOGAWA公司CAIO0型小型通用校验仪串接在该系统的电流输出线上，测试系统的输出电流。注意，此时系统加14V电压（这比通常的24V电压严格，是考虑到负载上的压降）。
首先，设定理论输出电流值等于或者大于4.000mA，考核电流输出的精度，即小流量对应于4mA，大流量对应于20mA。测试结果表明，大相对误差小于0.19％。其次，设为0.000mA，即将该系统DA控制电流输出的模块断开，考核系统自身消耗电流值，测试结果为3.775mA，小于4mA。这两项指标均满足仪表的要求。
3.2FFT计算精度测试
因为要用FFT计算的结果来确定选择哪个带通滤波器，所以，要考核其计算精度。由于FFT运算的大误差发生在非整周期采样时，所以，选择这些大误差点来进行测试。由于泄漏误差，信号基频为：
3.3实际流量测试
将系统与重庆耐德工业股份有限公司40mm口径的蒸汽一次仪表相匹配，采用气体钟罩方式进行标定，读取系统的频率值，如表1所示。可见，量程比达到20.6：1。
将系统与重庆耐德工业股份有限公司80mm口径的蒸汽一次仪表相匹配，采用标准表法进行气体流量标定，读取系统的频率值，如表2所示。其中的标准表是精度为0.2％精度的涡轮流量计。可见，量程比达到18.5：1。
表140mm口径数字蒸汽流量计气体标定实验数据
表280mm口径数字蒸汽流量计气体标定实验数据
4结束语
提出少点数功率谱分析与模拟带通滤波器组相结合的方式，并在硬件和软件方面采取了一些有效措施，用单片机研制成功两线制数字蒸汽流量计，既扩展量程比、保证现场测量精度，又实现低功耗工作，克服了目前基于DSP的数字蒸汽流量计无法低功耗工作，而基于MCU的低功耗蒸汽流量计又无法进行数字信号处理、性能不佳的问题。
