蔣 莉,胡建人,秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江杭州310018)

0 引 言

能量計(jì)量、城市公用事業(yè)的發(fā)展使人們對(duì)流量測(cè)量需求急速增長,許多新型的流量計(jì)大量地涌現(xiàn)出來。渦街流量計(jì)是一種依據(jù)卡門旋渦原理測(cè)量封閉管道流體流量的流量計(jì),具有精度高、壓力損失小、量程范圍大等優(yōu)點(diǎn)[1],是節(jié)流式流量計(jì)的理想替代產(chǎn)品。目前渦街流量計(jì)還存在著抗震性能差,低流速時(shí)測(cè)量精度受限等缺點(diǎn),尤其是低流速時(shí)渦街信號(hào)很微弱,易被噪聲淹沒難以區(qū)分,因此如何從含噪聲的信號(hào)中提取出渦街信號(hào)是渦街流量計(jì)信號(hào)處理的主要問題。近年來,國內(nèi)外對(duì)渦街流量信號(hào)的處理方法主要有小波變換法[2]、現(xiàn)代譜分析法,這些算法由于算法的復(fù)雜性和計(jì)算量的龐大性,仍處在理論研究階段。本文采用基于FFT的經(jīng)典譜分析法對(duì)應(yīng)力式渦街傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行分析,提高渦街流量計(jì)的測(cè)量精度,準(zhǔn)確提取出渦街信號(hào)頻率成分。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

由于DSP芯片的開發(fā)設(shè)備和產(chǎn)品價(jià)格較高、功耗過大,系統(tǒng)采用高性能、低功耗、成本低的STM32微處理器。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示,渦街傳感器輸出信號(hào)首先通過前置放大處理,把放大后的信號(hào)送入32位MCU STM32的ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,在STM32中通過編程實(shí)現(xiàn)FFT算法,計(jì)算出渦街信號(hào)頻率并在LCD上顯示。串行通信UART接口使系統(tǒng)可以和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,便于軟件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行調(diào)試。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體上分兩大部分：一是前置放大電路,包括電荷放大電路和自動(dòng)增益控制放大電路.前置放大電路首先將微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電荷量成正比的電壓信號(hào),然后對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大,并把放大后的幅值控制在一定范圍之內(nèi),使之符合處理要求;二是信號(hào)處理,采用STM32F103VC作主控芯片,完成對(duì)采集的信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、進(jìn)行軟件頻譜分析、流量計(jì)算與液晶顯示。

2.1 前置放大電路

圖1 渦街信號(hào)處理系統(tǒng)框圖

由于壓電傳感器的輸出幅值為毫伏級(jí),輸出阻抗很高,采用電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并將高輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?。選用高輸入阻抗運(yùn)放LM356N,接成電荷放大電路形式。渦街傳感器的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大,為了防止放大后進(jìn)入截止區(qū)或者超出A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍,在電荷放大器后加入AGC自動(dòng)增益控制電路[3];選用低噪、90MHz帶寬、增益可調(diào)的集成運(yùn)放——ADI公司的AD603,當(dāng)AD603的5腳和7腳之間短接時(shí)的增益為40Vg+10,這時(shí)的增益范圍在-10～+30dB。當(dāng)腳5和腳7斷開時(shí),其增益為40Vg+30,這時(shí)的增益范圍為10～50dB,在5腳和7腳接上電阻,其增益范圍將處于上述兩者之間。前置放大電路原理圖如圖2所示,在5腳和7腳之間接滑動(dòng)變阻器,可根據(jù)需要調(diào)節(jié)增益量。Q1、R10和C7組成電路監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)幅度,并形成自動(dòng)增益控制電壓VAGC,其幅度值隨輸出信號(hào)OUT的幅度變化,加在AD603的1腳的自動(dòng)增益控制電壓VAGC隨輸出信號(hào)變化。

圖2 前置放大電路

傳感器與電荷放大器之間的信號(hào)線屏蔽,屏蔽層的一端接儀表的外殼,另一端接放大器接地端。將渦街傳感器一端接到實(shí)驗(yàn)室金屬水管,另一端接前置放大電路輸入端。實(shí)驗(yàn)表明渦街頻率f與流體的平均流速Q(mào)成線性關(guān)系：

式中,K為儀表系數(shù)。實(shí)驗(yàn)室采用25mm口徑的渦街流量計(jì)測(cè)量液體,利用示波器觀察采集到信號(hào)的波形和功率譜圖,如圖3所示,從圖3可以看出渦街信號(hào)類似于正弦信號(hào),兩個(gè)波峰間隔約40ms,故對(duì)應(yīng)頻率為25Hz左右。從功率譜圖中也可以看出,利用變?cè)鲆娣糯笃鞯玫降男盘?hào)幅值基本穩(wěn)定,各種干擾信息業(yè)得到了較好的抑制,除直流分量外,信號(hào)強(qiáng)度最大的頻率分量約為25Hz,其余部分均為干擾信號(hào)的頻譜,因此只要將采集到信號(hào)通過FFT頻譜分析,即可得到渦街信號(hào)的頻率,根據(jù)公式(1)計(jì)算出被測(cè)介質(zhì)的流速。

2.2 STM32信號(hào)處理電路

圖3 流量約0.3m3/h時(shí)的系統(tǒng)采集的信號(hào)和功率譜圖

系統(tǒng)以STM32F103VCT6芯片為運(yùn)算核心,STM32F103VCT6是ARM公司的STM32增強(qiáng)型系列,內(nèi)部使用32位的Cortex-M3內(nèi)核,工作頻率為72MHz,內(nèi)置高達(dá)128k字節(jié)的閃存和20k字節(jié)的SRAM,所有型號(hào)的器件均包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器,還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。工作溫度范圍-40—+105℃,供電電壓2.0V—3.6V。該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)用于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。

系統(tǒng)中用USART1與PC機(jī)通信,設(shè)計(jì)USART電路關(guān)鍵是STM32與PC機(jī)的電平匹配,STM32引腳電壓是3.3V,而PC的232通信接口電平是12V,采用ST3232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。上位機(jī)通過RS232接口和USART通信模塊設(shè)置渦街流量計(jì)的流量參數(shù)。

選用段碼式低功耗液晶LCM141顯示瞬時(shí)流量和累積流量[4],液晶顯示屏本身含驅(qū)動(dòng)與控制電路可以顯示5種字符、14個(gè)狀態(tài)條以及2行共14位數(shù)碼,通過串行通信接口接收MCU的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分構(gòu)成。主程序由信號(hào)的FFT算法實(shí)現(xiàn)、流量計(jì)算、測(cè)量結(jié)果顯示、按鍵處理及串口通訊各模塊組成。中斷程序主要完成A/D轉(zhuǎn)換。ADC設(shè)置為內(nèi)部軟件觸發(fā),定時(shí)器時(shí)間到,則自動(dòng)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,通過系統(tǒng)定時(shí)器Systick設(shè)置采樣頻率,采樣頻率和FFT點(diǎn)數(shù)均可設(shè)置。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束開啟DMA中斷,通過DMA的通道11直接將轉(zhuǎn)換結(jié)果送到指定存儲(chǔ)器,不需要CPU的參與,提高了處理速度。FFT頻譜分析子程序流程如圖4所示：

圖4 FFT頻譜分析子程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過前置放大后的渦街信號(hào)通過信號(hào)輸入端接至STM32的PC4端口,即ADC1的模擬信號(hào)輸入端,軟件設(shè)置采樣頻率為1 024Hz,FFT點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)[5],頻譜分析結(jié)果經(jīng)過串口、RS232轉(zhuǎn)換發(fā)送至PC機(jī)。如圖5所示,通過串口調(diào)試助手可看到FFT計(jì)算結(jié)果,可見渦街傳感器輸出信號(hào)各頻率分量。經(jīng)過FFT變換后,提取一階分量作為檢測(cè)信號(hào)源,剔除了各種隨機(jī)噪聲和干擾源,有利于低流速下弱渦街信號(hào)檢測(cè)。

圖5 串口輸出結(jié)果圖

5 結(jié)束語

根據(jù)渦街傳感器輸出信號(hào)的特征,設(shè)計(jì)了基于自動(dòng)增益控制運(yùn)算放大器電路、FFT變換和STM32 MCU的信號(hào)處理電路的新型渦街信號(hào)FFT變換處理系統(tǒng),提取到渦街傳感器的一階信號(hào)。STM32內(nèi)部含有豐富的功能模塊,擁有標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口,還擁有專門的DSP算法,無需外擴(kuò)芯片即可完成渦街信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信,另外其體積小、成本低和低功耗特性剛好符合流量計(jì)設(shè)計(jì)的基本要求。經(jīng)試驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確,達(dá)到了渦街可測(cè)量程比較寬的使用要求。

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[4]孔磊,周杏鵬.智能渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶,2010,17(1)：30-32.

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