基于频谱分析信号处理的涡街流量计设计

　　0 引言

　　涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计，漩涡频率信号容易受到流体流动、旋涡分离、机械振动、信号衰落或间歇、电磁干扰等各种噪声影响，并且现场条件的不同，噪声的频率、幅值及变化规律也会随之而变[1]。

　　为了解决涡街流量计的干扰问题和提高精度，采用频谱分析信号处理与脉冲计数相结合的方法，从软、硬件两方面来考虑，并在钟罩式气体检定装置上得到了验证[2-3]。

　　1 硬件设计

　　系统硬件设计时必须综合考虑低功耗和频谱分析的性能要求。采用总线供电，支持HART通信，智能流量计表头的工作电流从4～20mA的总线上截 取，系统工作电流必须小于3.5mA。所选的单片机要实现FFT、功率谱的估计，这需要大量的数据运算，所以单片机要满足几个基本要求：a)要具有一定的 储存空间，以用于存储大量的运算数据;b)要有较高的时钟频率，以提高运算的实时性;c)含有硬件乘法器，以提高运算速度。

　　综合考虑，单片机选择MSP430F5438，主要因为它具有以下优点：a)功耗较低。超低功耗低至：0.1μARAM保持模式、2.5μA实 时时钟模式、165μA/MIPS工作模式、在5μs之内快速从待机模式唤醒。b)相对较高的时钟频率。在1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达 25MIPS。c)储存空间大。闪存高达256KB、RAM高达16KB。d)丰富的外围设备。DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC等， 使单片机的性能更有所提升，满足系统的需求。

　　该流量计硬件上主要由MSP430F5438单片机、电荷放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、多路选择开关、峰值检测电路、脉冲整形电路、温压补偿模块等组成，硬件总体框图如图1所示。

　　硬件上信号处理模块主要包括以下几个部分：

　　(1)压电传感器信号的放大、低通滤波

　　压电传感器可等效为一个与电容器并联的电荷源，其输出为低幅值的小信号，采用一种三运放差分电荷放大器将其转换为电压信号。在电荷放大器后加上 一个可控的程控放大器，根据流量信号的大小自动调节放大系数，从而提高AD转换的精度。这里采用AD5160BRJ数字电位器，其串行控制接口与 MSP430的SPI接口相连。程控放大器的放大比例由峰值检测出来的信号幅度与当前的放大系数确定，然后在程控放大器的后级进行低通滤波，滤去涡街信号 中的高频噪音。

　　(2)多通道的可选择带通滤波

　　带通滤波器采用高通滤波器与低通滤波器串联的方式构成，与多路选择开关一起就构成涡街信号的滤波环节。采用8路选择器，将信号频率分成8个频 段，每个频段之间有叠加，保证信号的无缝连接。多路选择开关采用MC74VHC4051ADR2，由ABC三位组成的二进制数进行选择。