基于DSP的数字智能涡街流量计的软件研制

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3.0 牛悦 2024-11-19 11 4 3.39MB 56 页 15积分

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摘要

涡街流量计属于流体振动型仪表，结构简单牢固，适用流体种类多，测量范

围宽且精度相对较高，近年来应用日趋广泛。但是在实际应用中，由于受到管道

震动及其他现场干扰的影响，导致涡街流量计的传感器信号中极易混入不同形式

的噪声，使得测量精度降低，特别是小流量流体的测量。小流量时传感器输出的

信号信噪比很小，常用的信号处理方法即放大、滤波、整形和计数很难从含噪声

的传感器信号中准确地提取小流量信息，只有通过限制测量范围即牺牲其量程比

来保证测量精度。为此，有关专家提出利用数字信号处理的方法来扩大量程比，

实现多参数测量和小流量的测量，这一技术随着微处理器的发展已经得到了普遍

应用。

频谱分析具有抗干扰能力强和分析范围宽的特点，本论文应用频谱分析，对

涡街流量传感器信号进行了分析处理即估计传感器信号的频谱，通过频谱，估计

涡街频率，实现流量测量。相比现代谱估计方法，周期图谱的计算简单，抑制噪

声能力更强，本论文选用了周期图谱的频谱估计。因为采集获得的传感器信号均

为实数，论文采用了 RFFT 实现信号从时域到频域的转换，将算法的计算量减小

了近一半。在进行频率估计过程中，论文采用频谱校正，大大减小了频率分辨率

对算法精度的影响。仿真结果表明：基于频谱分析的信号处理方法完全可以实现

涡街传感器信号的分析，估计涡街频率。

针对涡街流量计，实验室采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 作为核心处理器，

研制了数字信号处理系统，与一次传感器匹配，实现流量的测量。本论文开展了

算法在该硬件平台的实现、软件调试和系统软件设计的工作。系统软件由主监控

程序和各功能模块组成。功能模块包括初始化模块、信号处理模块、输出（脉冲

输出和电流输出）模块、人机接口（LCD 显示和键盘操作）模块、EEPROM 模

块以及看门狗模块等。实验结果表明：基于频谱分析的信号处理算法完全可以在

该平台上实时实现，设计的系统软件也辅助完成了仪表要求的其他功能，如：仪

表参数的修改存储、测量结果的显示和代表流量信息的脉冲信号输出和 4~20mA

电流信号的输出。

关键词：涡街信号处理实时信号处理 RFF 算法谱分析

ABSTRACT

The vortex flow-meter is fluid vibration meter, structure is simple and solid,

multi applicable fluid types, wide measuring range and accuracy is relatively high in

recent years, more widely applied. However, in practical applications, due to pipe

vibration and other site disturbances, resulting in a highly mixed with different forms

of noise in the sensor signal of vortex flow-meter, making the measurement accuracy

lower, especially the measurement of small flow of fluid. Small flow sensor output

signal noise ratio is very small, commonly used in signal processing methods,

amplification, filtering, shaping and counting the small flow of information is difficult

to extract from the sensor signal with noise, and only by limiting the measuring range,

the expense of its range to ensure measurement accuracy. To this end, the experts

proposed the use of digital signal processing methods to expand the range to achieve

the multi-parameter measurement and flow measurement technology with the

development of microprocessors has been widely used.

The spectrum analysis with anti-jamming interference ability and analyze a

wide range of application of this thesis, spectral analysis, the vortex flow sensor

signal analysis and processing of the estimated spectrum of the sensor signal, the

vortex frequency spectrum, it is estimated that, to achieve flow measurement.

Compared to modern spectral estimation method, a simple calculation of the cycle

map, suppress noise more, the paper selected cycle map of spectrum estimation.

Because the acquisition of sensor signals are real numbers, the paper using the RFFT

signal from time domain to frequency domain conversion, the computational volume

is reduced by nearly half. During the frequency estimation process, the paper uses the

spectrum correction, which reduces the frequency resolution on the accuracy of the

algorithm. The simulation results show that: the signal processing method based on

spectrum analysis can achieve the analysis of the vortex sensor signal, it is estimated

that the frequency of vortex.

For the vortex flow-meter, laboratory use the TI TMS320LF2407A as a core

processor, developed digital signal processing system, with a sensor matching,

achieving flow measurement. The paper carried out the work of the realization of the

algorithm in the hardware platform, software debugging and system software design.

System software is composed by the main control procedures and the functional

modules. Functional modules, including the initialization module, signal processing

module, the output (pulse output and current output) module, man-machine interface

(LCD display and keyboard) module, the EEPROM module and the watchdog module.

The experimental results show that: the signal processing algorithms based on spectral

analysis can achieve real-time on the platform, the design of system software

supporting the completion of the instrumentation requirements of the other features,

such as: modifications of the instrument parameters are stored, the measurement

results display and on behalf of the traffic information the pulse signal output 4 ~

20mA current signal output.

Keywords: vortex signal processing, real-time signal processing,

RFFT-algorithm, spectral analysis

摘要

ABSTRACT

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

§1.1 智能涡街流量计研究的意义 ............................................................................1

§1.11 涡街流量计的原理 ..................................................................................... 1

§1.12 涡街流量计的优点及存在的不足 ............................................................ 1

§1.2 目前国内外的先进水平 ....................................................................................2

§1.3 课题所研究的主要内容 ..................................................................................3

第二章信号功率谱及其估计方法 ............................................................................. 5

§2.1 FFT 算法原理 ..................................................................................................5

§2.1.1 直接 DFT 算法 .........................................................................................5

§2.1.2 按时间抽取 FFT(DIT) ............................................................................ 5

§2.1.3 频率抽取 FFT(DIF) ................................................................................ 7

§2.2 RFFT 算法 ....................................................................................................... 9

§2.3 功率谱估计 ...................................................................................................10

§2.3.1 功率谱密度 ........................................................................................... 10

§2.3.2 经典谱估计—周期图法 ....................................................................... 11

§2.3.3 现代谱估计—最大熵谱法 ................................................................... 12

§2.4 频谱校正 .......................................................................................................12

§2.5 本章小结 .......................................................................................................13

第三章频谱分析在涡街流量传感器信号处理中的应用及其 Matlab 仿真实验 .. 14

§3.1 涡街信号输出特征 .......................................................................................14

§3.2 功率谱估计及其 Matlab 仿真 ................................................................... 15

§3.3 重心校正法及仿真分析 ...............................................................................17

§3.4 本章小结 ........................................................................................................18

第四章基于 DSP 涡街流量计信号处理系统软件实现 ........................................20

§4.1 DSP 的选择和配置 .......................................................................................20

§4.2 系统硬件设计 ...............................................................................................20

§4.2.1 硬件整体结构框图 ............................................................................... 20

§4.2.2 处理过程 ............................................................................................... 21

§4.2.3 模拟信号预处理模块 ........................................................................... 22

§4.2.4 数字信号处理模块 ................................................................................ 22

§4.2.5 电源管理模块 ........................................................................................ 22

§4.3 系统软件设计 ................................................................................................23

§4.3.1 软件总体框图 ........................................................................................ 23

§4.3.2 主监控程序 ........................................................................................... 23

§4.3.3 初始化模块 ........................................................................................... 25

§4.3.4 中断模块 ................................................................................................ 25

§4.3.5 计算模块 ............................................................................................... 27

§4.3.6 输出模块 ............................................................................................... 29

§4.3.7 开门狗模块 ........................................................................................... 29

§4.3.8 人机接口模块 ....................................................................................... 29

§4.3.8.1 LCD 显示模块 ....................................................................... 29

§4.3.8.2 键盘操作模块 ........................................................................ 33

§4.3.8.2.1 SET 键操作 .................................................................. 34

§4.3.8.2.2 SHIFT 键操作 ............................................................. 35

§4.3.8.2.3 INC 键操作 .................................................................. 36

§4.3.8.2.4 ENTER 键操作 ........................................................... 37

§4.4 本章小结 ........................................................................................................38

第五章系统测试和实验 ........................................................................................... 40

§5.1 系统调试工具及内容 ...................................................................................40

§5.1.1 调试工具 CCS 简介 ...............................................................................40

§5.1.2 系统调试的主要内容 ............................................................................ 41

§5.2 硬件调试 .......................................................................................................42

§5.2.1 RFFT 算法估计频率精度的测试 ..........................................................43

§5.2.4 脉冲输出模块测试 ............................................................................... 44

§5.3 本章小结 ................................................................................................... 45

第六章总结与展望 ................................................................................................... 46

§6.1 总结 ...............................................................................................................46

§6.2 展望 ...............................................................................................................47

参考文献 ..................................................................................................................... 49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 52

致谢 ......................................................................................................................... 53

第一章绪论

§1.1 智能涡街流量计研究的意义

§1.11 涡街流量计的原理

涡街流量计结构简单，涡街变送器直接安装于管道上，克服了管路泄漏现象。

且涡街流量计的压力损失较小，量程范围宽，对饱和蒸汽测量量程比可高达 30

比1。因此，随着涡街流量计测量技术的成熟，涡街流量计的使用越来越受到人

们的青睐。

涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的，流体在管道中经过涡街流量

变送器时，在三角柱的旋涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列旋涡，旋涡

的释放频率与流过旋涡发生体的流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，可用

下式表示：

f S v d

（1.1）

式中:为旋涡的释放频率；

为流过旋涡发生体的流体平均速度，

为旋

涡发生体特征宽度；为斯特罗哈数，无量纲，它的数值范围为 0.14－0.27。

是雷诺数的函数，。

由式（1.1）可知，通过测量旋涡频率就可以计算出流过旋涡发生体的流体

平均速度

，再由式

q vA

可以求出流量

，其中

为流体流过旋涡发生体的截

面积。

当旋涡在发生体两侧产生时，利用压电传感器测出与流体流向垂直的交变升

力变化，将升力的变化转换为电的频率信号，再将频率信号进行放大和整形，输

出到二次仪表，进行累积、显示。

§1.12 涡街流量计的优点及存在的不足

涡街流量计是根据流体的振动频率和流速相对应的关系原理得来的。从 20

世纪 60 年代末开始研究至今，已经开发出很多类型的阻流体以及检测法的涡街

流量计，而且在管道流量的测量中也得到了很广泛的应用。涡街流量计之所以能

够如此广泛的应用，与它本身所具有的特点息息相关。

（1）它输出的频率信号和流体流量成正比，并且信号的频率不会受到流体

的组分、密度、压力以及温度等因素的影响；

（2）可以测得的量程范围宽，有较高的精确度，而且可靠性也比较高；

(1/ Re)

S f

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摘要：

摘要涡街流量计属于流体振动型仪表，结构简单牢固，适用流体种类多，测量范围宽且精度相对较高，近年来应用日趋广泛。但是在实际应用中，由于受到管道震动及其他现场干扰的影响，导致涡街流量计的传感器信号中极易混入不同形式的噪声，使得测量精度降低，特别是小流量流体的测量。小流量时传感器输出的信号信噪比很小，常用的信号处理方法即放大、滤波、整形和计数很难从含噪声的传感器信号中准确地提取小流量信息，只有通过限制测量范围即牺牲其量程比来保证测量精度。为此，有关专家提出利用数字信号处理的方法来扩大量程比，实现多参数测量和小流量的测量，这一技术随着微处理器的发展已经得到了普遍应用。频谱分析具有抗干扰能力强和分析范围...

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