涡街流量计小波信号处理方法研究和数字信号处理系统硬件研制

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 2.33MB 61 页 15积分

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摘要

涡街流量计具有压力损失小、量程范围宽、测量精度高、测量介质种类多、

可靠性高等优点，在工农业生产、国防建设、科学研究以及人民生活的各个领域

得到了广泛的应用。但是，在实际的应用过程中，由于受管道的振动和流体的脉

动影响，涡街流量计的传感器输出信号中混有不同形式的噪声，使得测量不精确，

为了解决这个问题，本文采用现代数字信号处理方法处理涡街流量传感器信号，

研制相应的涡街流量计数字信号处理系统，提高涡街流量计的测量精度，同时实

现仪表要求的多方面的功能。

小波变换号称数学显微镜，具有多分辨分析的能力，本文应用小波变换的

MALLAT 算法，对涡街流量传感器信号进行分解，从混有噪声的信号中捕捉代表

流量信息的涡街信号，进而估计涡街频率，估计流量。本文对算法进行了仿真，

结果证明，算法完全可以实现涡街频率的估计，具有较强的噪声抑制能力。通过

提升和对偶提升，小波变换还可以通过提升格式来实现，相比直接的 MALLAT 算

法，提升格式的小波变换计算更为简单，实现精度更高，本文同时也采用了提升

格式的小波变换，对涡街流量传感器信号进行了处理。不过提升格式的小波变换

不仅需要分解，还需要进行逆变换，进行信号重构，方便涡街频率的估计。

本文选用 TI 公司的 TMS320LF2407A 研制了涡街流量计数字信号处理系统。

TMS320LF2407A 具有强大的运算能力和丰富的片内资源，在满足实时处理涡街信

号的同时，减少了系统的体积和成本，提高了系统的可靠性。该数字信号处理系

统的硬件包括主处理器、模拟信号输入调理电路、LCD 显示器、EEPROM 存储电

路、4～20mA 输出电路、键盘输入电路、欠压保护电路和脉冲输出电路。调试结

果证明，研制的系统确实能够实时实现所研究的小波信号处理算法，从而保证了

仪表的流量测量精度；同时也实现了仪表要求的其它功能如仪表参数的修改和存

储、测量结果的显示、流量信息的脉冲输出和 4~20mA 电流信号的远传。

关键词：涡街流量计数字信号处理小波变换流量测量

ABSTRACT

The vortex flow-meter is widely used in industrial、national defense、scientific

research and nearly all areas of people’s life because of its small pressure losses、wide

range、high accuracy、adaptability of various media and high reliability, etc. However, in

the actual application process, signal from the vortex flower-meter sensor will be mixed

with different forms of noise due to pipe vibration and fluid pulsation effects, making

the measurement inaccurate. In order to solve the problem, we use modern digital signal

processing to approach to signal of vortex flow-meter sensor, developed corresponding

digital signal processing system of vortex flow-meter to improve the accuracy of vortex

flow-meter.

Wavelet transform is known as a mathematical microscope, the ability to

multi-resolution analysis. this paper use MALLAT algorithm of wavelet transform to

decompose the vortex flow sensor signal, capture the flow of information from a

mixture of the vortex signal noise signal, and then estimate the vortex frequency, and

flow meter. Algorithm simulation results show that the algorithm can achieve estimating

the vortex frequency, with strong noise immunity. Calculation is more simple to upgrade

and dual lifting wavelet transform can also be achieved by lifting scheme than direct

MALLAT algorithm, lifting scheme wavelet transform to achieve higher accuracy, this

article also uses the lifting scheme wavelet transform, vortex flow sensor signal

processing. But on lifting scheme wavelet transform not only need to decompose, but

also need the inverse transform for signal reconstruction, to facilitate estimates of the

frequency of vortex.

In this paper, we use signal processing algorithm of wavelet transform to deal

with signal of vortex sensor, and using TI’s TMS320LF2407A developed digital signal

processing system of vortex flow-meter.TMS320LF2407A with powerful computing

capabilities, and abundant-chip resources to meet the real-time processing in the vortex

signal while reducing the system size and cost, improve system reliability. The hardware

of the digital signal processing system include the main processor、the analog signal

input conditioning circuitry、LCD display、EEPROM memory、4~20mA output circuit、

keyboard input circuit、under voltage protection circuit and the pulse output circuit. The

debug results show that the developed system is indeed able to achieve real-time study

of wavelet signal processing algorithms, in order to ensure flow measurement accuracy

of the instrument; but also the instrumentation requirements of other functions such as

modifications of the instrument parameters and store the measurement results show

pulse output of the flow of information, and 4 ~ 20mA current signal far and wide.

Key words: vortex flow-meter，digital signal processing，wavelet

transform ，flow measurement

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................................................................................1

§1.1 研制流量计数字信号处理系统的意义 ........................................................... 1

§1.2 国内外研究现状 ............................................................................................... 1

§1.3 课题研究的主要研究内容及关键技术 ........................................................... 3

第二章小波变换及其在涡街流量传感器信号处理中的应用 ..................................5

§2.1 小波分析 ........................................................................................................... 5

§2.1.1 连续小波变换简介 ................................................................................. 5

§2.1.2 离散小波变换 ......................................................................................... 8

§2.2 Mallat 算法 ........................................................................................................ 9

§2.2.1 多分辨率分析 ........................................................................................ 9

§2.2.2 Mallat 算法 ............................................................................................ 10

§2.3 小波变换在涡街流量传感器信号处理中的应用 ......................................... 12

§2.4 小结 ................................................................................................................. 16

第三章小波提升算法及其在涡街流量传感器信号处理中的应用 ........................17

§3.1 双正交小波与提升格式 ................................................................................. 17

§3.2 提升格式的 Mallat 算法 ................................................................................. 19

§3.3 提升方法实现小波分解 ................................................................................. 20

§3.3.1 提升格式的多相位结构 ....................................................................... 20

§3.3.2 Laurent 多项式的 Euclid 算法 ............................................................. 21

§3.3.3 多相位矩阵的因子分解 ...................................................................... 22

§3.3.4 提升格式的算法描述 ........................................................................... 22

§3.4 提升格式小波变换在涡街信号处理中的应用 ............................................. 24

§3.5 小结 ................................................................................................................. 26

第四章基于 DSP 的涡街流量计数字信号处理系统硬件研制 ..............................28

§4.1 系统硬件设计 ................................................................................................. 28

§4.1.1 硬件整体结构框图 ............................................................................... 28

§4.1.2 TMS320LF2407A 数字信号处理器..................................................... 29

§4.2 模拟信号输入调理模块 ................................................................................. 30

§4.2.1 电荷放大电路 ...................................................................................... 30

§4.2.2 抗混叠滤波器 ...................................................................................... 31

§4.2.3 低通滤波器 ........................................................................................... 32

§4.3 键盘电路 ......................................................................................................... 34

§4.4 LCD 液晶显示电路 ........................................................................................ 34

§4.5 复位电路以及欠压检测电路 ......................................................................... 35

§4.6 EEPROM 电路 ................................................................................................ 36

§4.7 4～20mA 电流输出电路 ................................................................................ 37

§4.8 电源管理电路 ................................................................................................ 38

§4.9 DSP 的外扩 RAM 电路 .................................................................................. 41

§4.10 脉冲输出电路 .............................................................................................. 42

§4.11 本章小结 ...................................................................................................... 42

第五章系统调试和实验 ............................................................................................43

§5.1 CCS 代码调试器简介 ..................................................................................... 44

§5.2 系统调试 ......................................................................................................... 45

§5.2.1 硬件调试 ............................................................................................... 45

§5.2.2 软件调试 .............................................................................................. 46

§5.3 系统测试 ......................................................................................................... 46

§5.3.1 预处理部分信号测试 .......................................................................... 48

§5.3.2 A/D 采样模块测试 ............................................................................ 49

§5.3.3 小波变换算法估计频率精度的测试 ................................................... 49

§5.3.4 脉冲输出模块测试 .............................................................................. 50

§5.3.5 电流输出模块测试 ............................................................................ 50

第六章总结与展望 ....................................................................................................52

6.1 总结 ................................................................................................................... 52

6.2 展望 ................................................................................................................... 52

参考文献 ......................................................................................................................54

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目及取得成果 ......................................57

致谢 ..............................................................................................................................58

第一章绪论

§1.1 研制流量计数字信号处理系统的意义

涡街流量计是基于卡门涡街原理而研制的流体振动式流量测量仪表，可应用

于天然气、石化等工农业上对液体、气体和蒸汽等流体流量的测量[2]。与其他诸如

电磁流量计、差压式流量计相比，涡街流量计内部无可动部件，可以延长使用寿

命，在测量的过程中受温度、压力、粘度、密度等因素的影响较小，提高测量精

度，增大量程比，因而得到了广泛的应用。但是，在实际应用中，工业现场各种

干扰因素使得涡街流量计的输出信号中含有不同形式的高频谐波和随机噪声，导

致实际测量结果精度无法达到产品性能指标的要求。特别是对信号微弱的小流量

测量时，噪声强度往往与信号强度相当，信噪比很低，给测量带来很大的困难。

上述因素很大程度上影响着测量的精度，成为制约涡街流量计发展的因素。为了

解决这些问题，采用数字信号处理的方法处理涡街传感器信号，配合专门设计的

二次仪表，降低上述因素对涡街流量计流量测量的影响。相比于传统的放大、滤

波、整型和计数的信号处理过程，数字信号处理系统配合专门的二次仪表，采取

针对性的算法，对流量信号的特征进行精细的分析处理，更加有效的从混有噪信

号中提取出有用的信号出来，估计出的信号的特征参数的精度较高。

§1.2 国内外研究现状

针对基于流体振荡的流量计中存在的问题，国内外专家相继提出了以下几种

方法来提高涡街流量计测量的精度[2]。(1)基于自适应算法的陷波滤波方法；(2)基

于数字滤波技术的数字跟踪滤波方法；(3)将信号的功率谱和信号的互相关性相结

合的方法；(4)基于数字双锁相环的处理方法。

近几年来已有一些厂家生产出了数字式的涡街流量计产品，例如，日本

Yokagawa(横河)公司基于微处理器采用信号频谱分析技术，研制了数字式的涡街

流量计(YEWELO)，它在微处理器上对涡街信号进行频谱分析，根据频谱分析得到

的信号的频率，去调整带通滤波器的频带，从而让有用的信号通过，有效滤除信

号中叠加的噪声，提高系统的测量精度[11]；美国Rosement公司使用数字跟踪滤波

器(Digital Tracking Filter)技术，通过预先设定一系列具有不同截止频率的数字低通

和带通滤波器，根据当前涡街信号的特点选择合适的滤波器处理涡街信号，它开

发的涡街流量计数字信号处理系统提高了测量的准确性和系统的可靠性。美国

涡街流量计小波信号处理方法研究和数字信号处理系统硬件研制

Foxboro公司研制了基于自适应滤波(Adaptive Filter)技术的涡街流量计系统，它使

用自适应算法来改变滤波器的参数和结构，用于跟踪输入信号的时变特征，提高

了流量测量的精确度。

在国内，也有一些专家提出了自己的方法。重庆大学的蒙建波等人使用最小

均方自适应谱分析技术，通过计算涡街信号的5阶自回归(AR)模型的功率谱，精确

估计涡街信号频率[18]。其数字测量系统是由漩涡发生体、热线探针、前置处理电

路和苹果微机构成，验证了谱分析方法的可行性，但是没有分析算法的精度以及

实时性，系统也没有进行实测。

合肥工业大学自动化研究所徐科军等人从九十年代起开始研究涡街流量计数

字处理方法，分别采用了基于FFT(快速傅立叶变换)的周期图法、基于Burg(伯格)

算法的最大熵谱法、小波变换算法、自适应陷波算法处理涡街流量传感器的输出

信号，从而计算涡街流量传感器信号的频率，准确测量流体的流量[11]。该校研究

生吕迅竑成功研制了采用谱分析技术，以ADSP(ADI公司的DSP)为核心的涡街流量

计数字信号处理系统，采用周期图功率谱分析涡街信号，提取出涡街信号的频率，

从而通过计算得到准确的体积流量。该校研究生汪安民在对涡街流量传感器的输

出信号进行处理时，分别采用了基于自适应算法的陷波滤波方法、基于数字滤波

的数字跟踪滤波方法和小波变换方法，在MATLAB上对算法进行了仿真验证，并

研制了以DSP为核心的实时数字信号处理系统，对算法的效果进行了实验测试。

中国科技大学的黄丹、陈昕和周康源等采用小波变换的方法处理涡街流量传

感器输出信号，仿真的过程中能够很好的滤除信号中叠加的噪声。但是系统没有

考虑小波滤波器的分频特性，没有解决小波分解级数的问题以及没有考虑涡街信

号的幅值不稳定等因素，也没在实验系统上验证算法的精度。

天津大学的张涛等人为了解决涡街流量传感器信号在低流速的情况下难以与

噪声分开，测量比较困难的问题，基于双处理器核心技术，研制了数字涡街信号

处理系统，采用松弛陷波周期图法、子波变换消噪方法和谱分析方法相结合的方

式处理涡街流量传感器输出信号，此系统可将低流速情况下的涡街信号与噪声信

号有效的分离，从而得到比较精确的流量信号，但是测量精度还有待提高[16]。

但是，应用于涡街信号处理上的小波变换方法尚存在以下的问题：

(1)小波滤波器的幅频特性会对涡街信号的频率估计产生一定的影响，由于所

选择的小波滤波器的过渡带较平缓，通带较窄，严重影响了频率估计的精度，甚

至在某些频率处的误差将会比较大。

(2)小波分解的最优级数问题。目前的小波变换主要是基于MALLAT算法，而

MALLAT算法并没有提出如何找出最佳分解级数，这将导致某些情况下有不必要

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摘要：

摘要涡街流量计具有压力损失小、量程范围宽、测量精度高、测量介质种类多、可靠性高等优点，在工农业生产、国防建设、科学研究以及人民生活的各个领域得到了广泛的应用。但是，在实际的应用过程中，由于受管道的振动和流体的脉动影响，涡街流量计的传感器输出信号中混有不同形式的噪声，使得测量不精确，为了解决这个问题，本文采用现代数字信号处理方法处理涡街流量传感器信号，研制相应的涡街流量计数字信号处理系统，提高涡街流量计的测量精度，同时实现仪表要求的多方面的功能。小波变换号称数学显微镜，具有多分辨分析的能力，本文应用小波变换的MALLAT算法，对涡街流量传感器信号进行分解，从混有噪声的信号中捕捉代表流量信息的涡街...

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