基于MSP430的变点数FFT算法研究与实现

　　0　引言

　　涡街流量计是基于“卡门涡街”原理研制的流体振荡型仪表,目前已经得到了广泛地应用。市场上的涡街流量计基本上分成两种类型,一种是利用模拟电路构成信号调理,后接数字化电路或信号转换等。这类仪表的特点是电路简单,成本低,尽管也有采用低档单片机等微处理器进行智能化,得到一定的效果;但数据的处理能力因单片机自身的制约达不到满意的层次,尤其是不能满足较为理想的实时性指标。

　　另一种是利用DSP芯片为核心,通过DSP芯片提供的资源,高效快速的信号处理能力,使涡街流量计的精度很高,同时可以选择较为先进、复杂的算法。由于DSP属于高档微处理器,研发周期较长,需要有一定的软硬件平台,导致流量计的研制成本很高,虽然产品性能好,但市场份额并不是很大。上述两类流量计还存在一个问题,较多的模拟器件和高档的微处理器,都是耗能的元器件,不利于流量计进一步的市场开拓。比较两类流量计,一类成本低,另一类性能高,各有不足之处。若在流量计的各自原有基础上再继续研发,已经失去意义。

　　因此,结合低档单片机中的相关资源和高档流量计中的信号处理方法,依托目前市场上的实际需求,研制新一代的低功耗、高品质的涡街流量计,具有很好的市场前景和学术价值。

　　1　变采样点数的FFT运算

　　涡街流量计的传感器信号是基于振动原理的频率信号,获取该信号时通常混有随机噪声或某些确定性噪声,信号时域波形与噪声处于同样数量级时极易被干扰,简单的信号处理所得频率精度不高。按照DSP方式,把信号从时域转换到频域,通过频谱分析信号所包含的频率分量,能得到较强的噪声抑制效果。根据涡街流量计的流量计算基于信号频率,对信号的相位、幅度均无严格要求的特点,当信号经时频转换后,在频域内进行频谱分析和频率计算,可有效地抑制噪声。

　　离散化后的DFT公式为:

　　采用FFT经典谱分析的频率分辨率与采样的时间长度成反比,采样的时间越长,分辨率就越高,

　　但这与数字信号处理系统实时运行的要求相矛盾。频率分辨率Δf=fs/Ns,应用中可通过减小fs或提高Ns来降低这个最大误差,减小fs就会降低系统的测量范围,提高Ns会增加系统的计算量。DSP在FFT运算方面有“特有”的速度和计算精度,而分析得知涡街信号的强干扰主要在低频段,DSP通过加大采样点数(1 024点以上)可以获得较好效果。经过研究还发现,信号频率进入数百赫兹时有效信号明显强于干扰信号,此时减少采样点数或通过较好的硬件调理通道就能获得保证精度的频率信号。运用该方法,结合现有MSP430单片机的运算速度,由MSP对不同频率的信号做不同采样点数的FFT运算,结果还是能满足流量计技术要求的。