基于双核技术的数字涡街流量计信号处理系统

　　1　引　言

　　涡街流量计因其介质适应性强、无可动部件、结构简单等优点,在许多行业得到了广泛应用。普通的涡街流量计采用模拟信号处理方法,抗干扰能力差,实际测量下限达不到其理论值(涡街频率的变化范围一般为1~2 500 Hz[1])。目前,关于涡街的抗震性及抗噪方面的研究取得了一些进步[2,3],但在低信噪比情况下信号的谱线出现谱线分裂和频率偏移现象,会导致频率分辨率下降[4],给涡街在低流速下的测量造成了困难。

　　针对涡街在低流速测量方面存在的问题,研发了一套基于双核技术的数字涡街流量计信号处理系统。信号处理采用松弛陷波周期图法[5],可以有效地克服低流速下涡街分辨率下降的问题。DSP与单片机相结合的双核技术的采用,集单片机的强大控制功能、DSP强大的计算能力及其低功耗特性于一体,构建了一套低功耗数字涡街信号处理系统,很好地解决了涡街流量计的测量问题。

　　2　系统概述

　　2.1　系统组成

　　系统基本结构如图1所示,整个系统主要分为三大部分:模拟信号预处理电路、控制及信号远传电路(以MSP430为核心)和数字信号处理电路(以DSP为核心)。

　　2.2　系统设计思想

　　系统的整体设计从抗干扰和低功耗两个角度出发。在解决抗干扰问题上,越来越多的设计者采用了数字信号处理的方法,文献[6]介绍了一些以DSP为核心的单一处理器的数字涡街,从设计的角度看,这种单处理器需要同时完成控制外围电路和大量计算的任务,但是绝大多数嵌入式应用的微处理器都是单线程工作的,且DSP控制功能不够强大,这导致系统很容易由于中断过多而造成流程上的冲突,而使系统的实时性和可靠性大打折扣;同时DSP本身集成的功能模块较少,需要外扩大量外围设备,因此本设计中采取了基于单片机和DSP相结合的双核技术来解决这一问题。

　　在解决低功耗的要求上,本设计从两方面解决这个问题,一方面尽量降低独立元件的功耗;一方面尽量减少器件个数。选用的DSP和单片机都是同类产品中超低功耗型号,系统的外围芯片均为低功耗器件;同时系统设计中通过充分利用MSP430单片机的高集成度和DSP的HPI接口的强大功能,省去了需要外接的12位A/D和用于存放DSP程序的FlashROM。

　　这样,以DSP与MSP430相结合的双核技术的采用,集合了MSP430强大的控制功能(12位A/D、现场显示、数据远传、参数设置、通讯等功能)、DSP的强大的数据处理能力(处理能力160 MIPS)及它们的超低功耗特性于一体。

　　3　硬件电路设计

　　3.1　模拟信号预处理电路

　　模拟信号预处理电路包括电荷放大器、差动放大器和抗混迭滤波器。涡街传感头输出的信号是微弱的含有各种噪声的电荷信号。模拟信号预处理电路通过以运算放大器为主体的模拟电路对采集到的电荷信号进行三方面的处理:①通过输入级的电荷放大器将涡街传感头压电检测元件输出的交变电荷信号转换为电压信号;②通过差动放大器和其它级电路的放大功能实现了交变信号的幅值放大;③通过抗混叠滤波器实现了信号ADC(模数转换)之前的抗混迭滤波。