基于DSP的分体式数字涡街流量计的研究

　　0 引言

　　数字涡街流量计具有无活动件、可靠性好，输出信号频率与体积流量成正比和测量介质范围宽等优点。但是还存在 2个缺点: 由于其工作原理的关系，容易受外界振动干扰的影响，而工业现场的振动式普遍存在的; 量程下限受限，不能测量小流量。现场管道是一定的，并且工艺上对流体有要求，不能缩小管道的口径，所以测量小流量是不可避免的。采用 2407ADSP 芯片为处理器，利用其强大的运算能力和丰富的片内资源，实时地实现信号处理，有效减小系统的体积和制作成本[1 -2]。模拟信号调理电路加入限幅放大滤波处理电路。信号处理方法上，系统利用周期图谱方法处理涡街流量传感器信号，提高了仪表抗噪声能力，扩展量程; 同时配上高通数字滤波器，提高了仪表抑制强干扰影响的能力。

　　1 处理算法

　　1. 1 信号频谱估计

　　对于采样点为 N 的采样序列，周期图谱法功率谱估计公式为

式中X( k) 为采样序列的离散傅里叶变换( DFT) 。

　　为了减少运算量，采用快速傅里叶变换 FFT 来实现。对于传感器信号进行离散采样，采样序列均为实数，可以采用实数快速傅里叶变换( RFFT) 来实现信号频谱的估计，进一步减少算法计算量，便于算法实时实现。RFFT 的具体实现原理及过程如下:

　　令N 点的采样信号序列{ x( 0) ，x( 1) …x( N -1) } ，其傅里叶变换为

式中G*为 N/2 点的负数序列。

　　所以可以得到:

　　可见，采用 RFFT 进行信号的傅里叶变换可以比 FFT 算法减少一半的计算量[3]。

　　1. 2 涡街频率估计

　　一般情况下，在传感器信号频谱中，涡街频率能量占优，根据估计出的传感器信号功率谱，可以计算出最高频谱线的频率，即为涡街频率，计算公式为:

式中: n 为最高谱线所对应的序号; fs、Ns分别为信号采样频率和采样点数;^fv为最高谱线对应频率。

　　由于DFT 的梳状效应和信号的非整周期采样，式( 9) 估计频率存在误差，误差的大小与频率分辨率有关。因此，采用了基于中心原则的频谱校正方法，提高信号频率的估计精度，公式如下:

式中: Y( n) 、Y( n +1) 为幅值;^f、^n 分别为频谱校正后的主瓣重心的序号以及对应的频谱[4]。

　　2 硬件设计

　　分体式数字涡街流量计的设计思想是: 将涡街流量传感器、温度和压力传感器及调理电路模块与数字信号处理模块分开，中间用屏蔽电缆连接。将传感器及调理电路放在被测现场，而将数字信号处理模块放在远离高温的常温处。分体式数字涡街流量计，由传感器、调理电路模块、数字信号处理模块、屏蔽电缆组成，如图1 所示。传感器包括涡街传感器、温度传感器和压力传感器。调理电路模块包括电荷放大、限幅放大和滤波电路、模拟差分转换电路，16 位 ADC，RS -485 电平转换电路、LCD、键盘、SRAM、EEPROM、欠压检测电路、电流输出电流和脉冲输出电路。