基于DSP的數(shù)字式科氏質(zhì)量流量變送器侯其立

精品文檔-下載后可編輯基于DSP的數(shù)字式科氏質(zhì)量流量變送器侯其立引言

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(簡稱科氏流量計(jì))可以直接測量流體的質(zhì)量流量，同時(shí)還可測體積流量、密度、溫度，測量精度高，可測量流體范圍廣，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國內(nèi)科氏流量計(jì)大都采用基于模擬電路的信號(hào)處理方式，驅(qū)動(dòng)電路亦是采用純模擬電路實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)模擬信號(hào)處理方法易受噪聲干擾，小流量測量精度低，限制了量程比：對(duì)于復(fù)雜流體(如兩相流、批料流)場合，模擬驅(qū)動(dòng)無法維持流量管振動(dòng)，導(dǎo)致無法測量。如何提高變送器的抗干擾能力、提高小流量的測量精度，以及如何改善變送器的驅(qū)動(dòng)性能，在兩相流下維持流量管振動(dòng)，是目前國內(nèi)科氏流量計(jì)發(fā)展所需迫切解決的難題。

為此，我們研制了基于DSP的數(shù)字式科氏質(zhì)量流量變送器，將數(shù)字信號(hào)處理方法和數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法相結(jié)合應(yīng)用于科氏流量計(jì)，提高科氏變送器的流量測量精度，改善了變送器的驅(qū)動(dòng)性能。

系統(tǒng)硬件方案

系統(tǒng)硬件由信號(hào)調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路、ADC、DSP及外擴(kuò)存儲(chǔ)器、溫度補(bǔ)償電路、LCD顯示、鍵盤、scI、4～20mA電流輸出、脈沖輸出等模塊組成，如圖1所示。

信號(hào)調(diào)理與采集

科氏變送器通過測量兩路信號(hào)的時(shí)間差來計(jì)算流量，并且兩路信號(hào)時(shí)間差非常小，因此，設(shè)計(jì)出兩路結(jié)構(gòu)對(duì)稱、性能穩(wěn)定、溫漂小的高精度信號(hào)調(diào)理采集電路，是保證測量精度的前提條件。

驅(qū)動(dòng)模塊

科氏流量計(jì)的測量是建立在振動(dòng)基礎(chǔ)上的、對(duì)振動(dòng)的控制在科氏流量計(jì)中處于重要地位，是產(chǎn)生精確測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)模擬驅(qū)動(dòng)方法簡單、容易實(shí)現(xiàn)，硬件電路不需要DSP進(jìn)行控制，但啟動(dòng)時(shí)間長、不能適用于兩相流／批量流的實(shí)際應(yīng)用場合等。數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法中，DSP實(shí)時(shí)跟蹤傳感器信號(hào)變化，并采用先進(jìn)的算法對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行靈活控制，大大改善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

DSP芯片

采用TIC2000系列高端浮點(diǎn)DSPTMS320F28335，主頻150MHz，帶浮點(diǎn)核，片上外設(shè)資源豐富，集成了eCAN，SCI，SPI、McBSP、ePWM、12C、ADc等。DSP負(fù)責(zé)系統(tǒng)全局控制和運(yùn)算，主要包括：(1)采集兩路傳感器信號(hào)，計(jì)算信號(hào)頻率和相位差，進(jìn)而計(jì)算質(zhì)量流量；(2)檢測流體溫度，進(jìn)行溫度補(bǔ)償；(3)控制驅(qū)動(dòng)電路，提供正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)維持流量管振動(dòng)；(4)將測量值在LCD上實(shí)時(shí)顯示，并通過SCI向上位機(jī)上傳，最后以4～20mA模擬量和脈沖的形式輸出流量值。

溫度補(bǔ)償電路

傳感器流量管表面貼有溫度電阻Pt100，以恒定的微小電流流過Pt100，將Pt100的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由ADC采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入DSP。

存儲(chǔ)器擴(kuò)展

為滿足大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及掉電時(shí)需保存各儀表參數(shù)的需求，系統(tǒng)外擴(kuò)了一片128kBSARAM和512B的鐵電RAM(FRAM)存儲(chǔ)器。

脈沖輸出4～20mA輸出

工業(yè)標(biāo)定時(shí)，要求變送器能夠輸出代表流量的脈沖信號(hào)，并且實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場要對(duì)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程測量，要求變送器有標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸出，一般是4～20nA電流信號(hào)。

系統(tǒng)軟件方案

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括初始化、算法、中斷、人機(jī)接口、測量結(jié)果輸出、FR_AM、看門狗等模塊，這些模塊由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)用，如圖2所示。

主監(jiān)控程序

主監(jiān)控程序負(fù)責(zé)整個(gè)軟件系統(tǒng)各模塊子程序的調(diào)度。系統(tǒng)上電后，主監(jiān)控程序調(diào)用各模塊初始化子程序，初始化完畢后，開啟AD轉(zhuǎn)換，采集傳感器信號(hào)，確定濾波器參數(shù)：之后便進(jìn)入不斷調(diào)用算法、計(jì)算流量、控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的循環(huán)中，其中還包含調(diào)用LCD顯示、鍵盤處理子程序、SCI上傳數(shù)據(jù)以及輸出相應(yīng)電流和脈沖信號(hào)。

初始化模塊

系統(tǒng)初始化負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘、片內(nèi)外設(shè)時(shí)鐘的配置，以及對(duì)看門狗模塊和中斷向量表的初始化：外設(shè)初始化包含對(duì)片內(nèi)、片外各設(shè)備模塊的初始化，片內(nèi)設(shè)備主要包含McSBP、DMA、XINTF、CPU定時(shí)器、ePWM、GPIO、SCI等、片外器件主要包含ADC、LCD、FRAM、等：算法初始化主要負(fù)責(zé)對(duì)全局變量、算法相關(guān)參數(shù)的初始化。

驅(qū)動(dòng)模塊

DSP內(nèi)部采用正負(fù)階躍交替激勵(lì)啟振法，結(jié)合非線性幅值控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器幅值的靈活控制，可以使傳感器快速啟振。非線性幅值控制算法能在傳感器信號(hào)很小時(shí)提供更大的增益控制信號(hào)，在兩相流／批料流情況下維持流量管的振動(dòng)。

中斷模塊

系統(tǒng)中斷主要包括AD、DMA、cputimero、掉電保護(hù)中斷，其中AD、DMA中斷用于對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)的讀取，cputimero中斷用來實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的累加，而掉電保護(hù)中斷則是用于掉電時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)的保存。

算法模塊

算法模塊主要包含帶通濾波、格型自適應(yīng)算法、計(jì)及負(fù)頻率的DTFT算法。

數(shù)字帶通濾波器用來濾除工業(yè)現(xiàn)場的多種噪聲，如隨機(jī)噪聲、工頻干擾、電機(jī)和管道振動(dòng)等引起的某一固定頻率干擾等。

采用格型自適應(yīng)算法估計(jì)信號(hào)的頻率。與直接型自適應(yīng)陷波濾波器相比，格型計(jì)算量大大降低，且參數(shù)少，通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)就能方便地跟蹤頻率的變化，且跟蹤速度快，跟蹤精度高。

采用計(jì)及負(fù)頻率影響的DTFT算法計(jì)算信號(hào)相位差，DTFT算法可以在每個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算出傅立葉系數(shù)，且收斂速度快，滿足科長

信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性；同

時(shí)，因?yàn)榭紤]了負(fù)頻率的影響，所以提高了相位差的計(jì)算精度。

測量結(jié)果輸出

在計(jì)算出流體流量、密度等參量之后，一方面，DSP將測量結(jié)果顯示于LCD上，并通過SCI接口上傳至上位機(jī)；另一方面，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖和電流信號(hào)，輸出相應(yīng)的脈沖和電流。

看門狗

為防止系統(tǒng)程序跑飛，啟用了DSP內(nèi)部看門狗模塊。該模塊有一個(gè)8位計(jì)數(shù)器，為避免看門狗模塊觸發(fā)硬件復(fù)位，需要在軟件內(nèi)部適時(shí)添加“喂狗”指令，在其計(jì)數(shù)值達(dá)到最大之前，復(fù)位計(jì)數(shù)器。

系統(tǒng)性能指標(biāo)

以CNG050為研究對(duì)象，進(jìn)行了啟振時(shí)間測試實(shí)驗(yàn)。模擬驅(qū)動(dòng)啟搌時(shí)間約需22