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(簡稱科氏流量計)可以直接測量流體的質(zhì)量流量，同時還可測體積流量、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)科氏流量計大都采用基于模擬電路的信號處理方式，驅(qū)動電路亦是采用純模擬電路實現(xiàn)。傳統(tǒng)模擬信號處理方法易受噪聲干擾，小流量測量精度低，限制了量程比：對于復(fù)雜流體(如兩相流、批料流)場合，模擬驅(qū)動無法維持流量管振動，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)動性能，在兩相流下維持流量管振動，是目前國內(nèi)科氏流量計發(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)字信號處理方法和數(shù)字驅(qū)動方法相結(jié)合應(yīng)用于科氏流量計，提高科氏變送器的流量測量精度，改善了變送器的驅(qū)動性能。

系統(tǒng)硬件方案

系統(tǒng)硬件由信號調(diào)理電路、驅(qū)動電路、ADC、DSP及外擴存儲器、溫度補償電路、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。

信號調(diào)理與采集

科氏變送器通過測量兩路信號的時間差來計算流量，并且兩路信號時間差非常小，因此，設(shè)計出兩路結(jié)構(gòu)對稱、性能穩(wěn)定、溫漂小的高精度信號調(diào)理采集電路，是保證測量精度的前提條件。

驅(qū)動模塊

科氏流量計的測量是建立在振動基礎(chǔ)上的、對振動的控制在科氏流量計中處于重要地位，是產(chǎn)生精確測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)模擬驅(qū)動方法簡單、容易實現(xiàn)，硬件電路不需要DSP進(jìn)行控制，但啟動時間長、不能適用于兩相流／批量流的實際應(yīng)用場合等。數(shù)字驅(qū)動方法中，DSP實時跟蹤傳感器信號變化，并采用先進(jìn)的算法對驅(qū)動信號進(jìn)行靈活控制，大大改善驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能。

DSP芯片

采用TI C2000系列高端浮點DSPTMS320F28335，主頻150MHz，帶浮點核，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)全局控制和運算，主要包括：(1)采集兩路傳感器信號，計算信號頻率和相位差，進(jìn)而計算質(zhì)量流量；(2)檢測流體溫度，進(jìn)行溫度補償；(3)控制驅(qū)動電路，提供正確的驅(qū)動信號維持流量管振動；(4)將測量值在LCD上實時顯示，并通過SCI向上位機上傳，最后以4～20mA模擬量和脈沖的形式輸出流量值。

溫度補償電路

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的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，由ADC采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入DSP。

存儲器擴展

為滿足大量數(shù)據(jù)存儲及掉電時需保存各儀表參數(shù)的需求，系統(tǒng)外擴了一片128 kB SARAM和512B的鐵電RAM(FRAM)存儲器。

脈沖輸出4～20mA輸出

工業(yè)標(biāo)定時，要求變送器能夠輸出代表流量的脈沖信號，并且實際工業(yè)現(xiàn)場要對儀表進(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。

系統(tǒng)軟件方案

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括初始化、算法、中斷、人機接口、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，確定濾波器參數(shù)：之后便進(jìn)入不斷調(diào)用算法、計算流量、控制驅(qū)動信號的循環(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。

初始化模塊

系統(tǒng)初始化負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)時鐘、片內(nèi)外設(shè)時鐘的配置，以及對看門狗模塊和中斷向量表的初始化：外設(shè)初始化包含對片內(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)對全局變量、算法相關(guān)參數(shù)的初始化。

驅(qū)動模塊

DSP內(nèi)部采用正負(fù)階躍交替激勵啟振法，結(jié)合非線性幅值控制算法，實現(xiàn)對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很小時提供更大的增益控制信號，在兩相流／批料流情況下維持流量管的振動。

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AD采樣數(shù)據(jù)的讀取，cputimero中斷用來實現(xiàn)對流量的累加，而掉電保護(hù)中斷則是用于掉電時對相關(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，如隨機噪聲、工頻干擾、電機和管道振動等引起的某一固定頻率干擾等。

采用格型自適應(yīng)算法估計信號的頻率。與直接型自適應(yīng)陷波濾波器相比，格型計算量大大降低，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。

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

信號處理的實時性；同

時，因為考慮了負(fù)頻率的影響，所以提高了相位差的計算精度。

測量結(jié)果輸出

在計算出流體流量、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；另一方面，將流量信號轉(zhuǎn)換成脈沖和電流信號，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8位計數(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)部適時添加“喂狗”指令，在其計數(shù)值達(dá)到最大之前，復(fù)位計數(shù)器。

系統(tǒng)性能指標(biāo)

以CNG050為研究對象，進(jìn)行了啟振時間測試實驗。模擬驅(qū)動啟搌時間約需22s，而數(shù)字驅(qū)動僅需4.2s即可完成啟振，啟振時間大大縮短。

將研制的科氏質(zhì)量流量變送器與太原太航流量工程有限公司研制的科氏質(zhì)量流量傳感器相配合，在太原太航流量公司進(jìn)行了水流量標(biāo)定實驗，對于u型傳感器，在1：15量程比范圍內(nèi)，質(zhì)量流量測量精度優(yōu)于0.1％。