数字涡街流量计信号处理与FPGA实现

    1 数字涡街流量计的硬件设计

    数字涡街流量计的硬件主要组成为: 涡街信号处理电路、液晶显示电路、键盘控制电路和网络接口电路。其框图表示如图 1。

    从涡街传感器传来的是交变的电压信号, 而且其中包含大量的噪声和振动干扰, 所以要通过特定的电路变成微处理器能识别的电压信号, 然后结果经 A/D 转换电路进入 CPU。涡街信号处理电路包括信号放大电路和滤波电路。

    从涡街传感器传来的是比较弱的交变电压信号, 这种信号不容易被微处理器获得并处理, 所以要在进入 CPU 之前要经过信号调理电路来形成有一定规则、一定强度的信号, 然后经 A/D转换电路将模拟电压变成信号变成数字信号以便进行数字信号处理。

    如图 2 所示, Vi 是一个交变电压信号, 即幅度从 0V 到1.2V, 相位从 0 度到 180 度的信号。鉴于 A/D 转化电路一般不能进行负电压的转换, 在进行信号放大时加一个 Vref 来做基准电压, 放大后的信号都在 0V 以上, 适合 A/D 转换电路的要求。放大器 A1 主要是进行信号的放大, 放大倍数为 100, 而 A2 在进行第二级放大的同时也进行低通滤波, 其中 C3 和 C4 的作用就是进行滤波。Vo 信号品质好坏的程度和流速信号的频率成正比, 信号频率越高, Vo 的品质越好。

    2 数字涡街流量计的信号处理

    2.1 要解决的主要问题

    在涡街流量计中主要解决的问题是量程下限受限, 不能准确测量低流速信号。所以在以下的数字信号处理的方法中重点放在对低流速下的信号进行处理, 实现小流量的精确测量。所用的流量数据为流量信号 20Hz 附近时的采集数据, 处于比较低的流速范围内。

    涡街流量传感器采集回来的信号中混杂着许多干扰信号,特别是低流速时干扰信号非常大, 甚至将流速信号淹没其中, 这就是小流量时不能准确测量的主要原因之一。以前的涡街流量计中主要运用捕捉脉冲的方法来检测流速, 但是在低流速时信号很微弱, 这种方法的精度就非常低。所以, 选用适当的数字信号处理方法去除信号中噪声的干扰, 最大程度的复现流速信号,是进行数字信号处理的主要任务。

    2.2 使用的主要方法

    现阶段, 进行数字信号处理的方法有很多, 在涡街流量计中结合实际情况动经典信号处理方法出发, 主要讨论以下三种处理方法:

    (1) 利用数字滤波器对混有干扰的信号进行滤波, 复现原来的流速信号

    从单位脉冲响应分类: 可分为 IIR 滤波器( 即无限长单位冲激响应滤波器) 和 FIR 滤波器( 即有限长单位冲激响应滤波器) 。其转移函数 H(z)分别为: