基于DSP的電磁流量計的研究與設計

胡 飛，周武能

(東華大學信息科學與技術學院，上海 201620)

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基于DSP的電磁流量計的研究與設計

胡 飛，周武能

(東華大學信息科學與技術學院，上海 201620)

針對電磁流量計在抑制噪聲干擾和測量性能等方面的不足，研究設計了一種基于DSP的電磁流量計。儀表基于DSP芯片BF504F和高分辨率ADC芯片AD7173，通過DSP實現(xiàn)粒子群優(yōu)化的FIR濾波和勵磁頻率可調功能。介紹了電磁流量計各部分的硬件實現(xiàn)和基于DSP軟件濾波的實現(xiàn)。流量校準結果表明，該儀表具有良好的線性度、重復性和穩(wěn)定性，基本誤差小于0.2%，重復性誤差小于0.1%。儀表根據(jù)工況，可設置勵磁頻率及對應FIR濾波系數(shù)，應用靈活，適用于對流量精確度要求較高場合。

DSP;電磁流量計;FIR濾波;粒子群優(yōu)化;ADC;噪聲干擾

0 引言

在常用流量測量儀表中，電磁流量計具有不需要特殊管道結構，不會破壞液體流動，耐用性好，維護費用低，并且可用于腐蝕性液體和漿液檢測等優(yōu)點，被廣泛應用于液體流速檢測。

在實際工程應用中，存在大量噪聲干擾。信號在產生、采集等過程中不可避免會引入各種噪聲。電磁流量計輸出的信號幅值小，噪聲干擾影響大，導致信號的信噪比低。降低流量信號中的干擾噪聲是電磁流量計信號處理中一個重要環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)電磁流量計，運用硬件濾波，伴隨長期使用，濾波器的各種元器件的特性容易發(fā)生改變，濾波性能降低。而且實際應用中，根據(jù)使用環(huán)境，最佳勵磁頻率有所不同，在勵磁頻率改變時，濾波電路的截止頻率同樣需要改變，所以硬件濾波電路有其局限性。設計的儀表利用DSP處理器強大的數(shù)據(jù)處理能力，從軟硬件上實現(xiàn)濾波功能，具有更好的應用靈活性、線性度、重復性，同時節(jié)約成本。

1 儀表設計概述

1.1 電磁流量計測量原理

電磁流量計具有高精確性、線性度，其工作原理是基于法拉第電磁感應定律[2]，如圖1所示。

圖1 電磁流量傳感器工作原理圖

感應電動勢如公式(1)所示。

E=kBDv

(1)

式中：k為儀表系數(shù)；D為電極間距，置于管道內襯絕緣材料上；v為流速；B為感應磁場強度，通過勵磁線圈產生。

管道的材料必須是非磁體，為了避免感應電壓短路，管道內部采用非導電體。在實際工況中，流速信號不可避免的串入附加噪聲，附加噪聲信號En如下。

(2)

式中:ec為共模干擾電壓；ed為串模干擾電壓；ez為直流極化電壓，來自測量電解質的電化學現(xiàn)象。

勵磁頻率f越低，附加干擾越小，零點變動就可以大幅度的降低，但是隨著f的降低，ez影響增大，并且儀表對流速變化的響應能力越低，影響了電磁流量計的靈敏度。為了減少En，在軟硬件上對噪聲干擾進行處理[3-4]。

1.2 系統(tǒng)描述

儀表主要以BF504F為主控制器和數(shù)字信號處理器，BF504F是一款高性能、低功耗的模擬數(shù)字信號處理器。采用獨特的MCU+DSP的匯聚式架構，工作頻率最高倍頻到400 MHz，處理速度快，具有16 K的一級指令SRAM和硬件乘法累加單元，適合FIR濾波的快速運算。

系統(tǒng)主要包括6個相互關聯(lián)的模塊，分別是信號調理模塊、勵磁驅動模塊、數(shù)字信號處理模塊、輸出接口模塊、人機交互模塊、供電模塊。儀表功能示意圖如圖2所示。

圖2 功能示意圖

2 儀表硬件設計

2.1 信號調理模塊設計

信號調理模塊主要包括低通濾波電路、差分放大電路、A/D轉換電路，如圖3所示。電磁流量傳感器將流速轉化為電信

號，經過低通濾波電路，對干擾信號進行初步過濾，降低高頻噪聲干擾[5]。利用ADC芯片AD7173對模擬信號進行模數(shù)轉換。AD7173是一款快速建立、高度精確、高分辨率的∑-Δ型模數(shù)轉換器，低噪聲、低漂移基準電壓(3.5 ppm/℃)，輸入可以配置為全差分輸入，具有SPI接口，方便數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 信號調理電路

2.2 勵磁驅動模塊設計

采用低頻矩形波勵磁，勵磁驅動電路如圖4所示，主要包括光電隔離、半橋MOSFET電路。BF504F根據(jù)設置的勵磁頻率，利用定時控制器產生勵磁的周期信號，進入Pulse1、Pulse2。經過光電隔離后，控制半橋MOSFET門啟停，實現(xiàn)勵磁電流流向的周期性改變[6]。

圖4 勵磁驅動電路

3 軟件設計

3.1 軟件設計概述

軟件主要由主程序、RAM訪問模塊、看門狗模塊、算法模塊、輸出模塊、人機交互模塊[7]構成，軟件功能框圖如圖5所示。

圖5 軟件功能框圖

上電后，主程序調用初始化模塊，從Flash獲得各參數(shù)設置信息，也可通過人機交互模塊進行參數(shù)設置。根據(jù)對應參數(shù)，設置定時器模塊，控制勵磁頻率。設置ADC寄存器后，開啟ADC轉換，采集流量信息。利用DMA采集數(shù)據(jù)，經過基于改進的粒子群優(yōu)化的FIR濾波算法，獲得流速。

3.2 軟件濾波設計

儀表利用BF504F完成基于粒子群優(yōu)化的FIR濾波。FIR濾波器可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，單位抽樣響應是有限長的，適合運用于數(shù)字信號處理[8]。數(shù)學表達式如下。

(3)

由于濾波器的系數(shù)對稱，上式可寫成：

(4)

式(3)經過z變換得

(5)

式中：N為濾波器抽頭數(shù)；x(n)為n時刻的輸入樣本；h(i)為第i級濾波系數(shù)。

濾波器系數(shù)直接決定了濾波器性能。利用改進的粒子群優(yōu)化算法(PSO)對FIR濾波器系數(shù)進行優(yōu)化。PSO算法通過個體的協(xié)作與競爭來完成復雜搜索空間中的最優(yōu)解搜索，適合目標優(yōu)化[9]。結構示意圖如圖6所示。

圖6 濾波算法結構示意圖

改進的PSO算法[10]利用式(6)～式(8)對粒子進行操作。主要針對慣性權重的求法進行改進，降低陷入局部最優(yōu)解風險，提高優(yōu)化效率。

(6)

(7)

(8)

適應度函數(shù)：

式中：T為采樣周期；k為迭代次數(shù)。

采用這種綜合性能指標作為適應度函數(shù)能夠降低初始誤差的影響，同時限制過渡過程中出現(xiàn)的誤差[11]。

3.3 軟件濾波實現(xiàn)

由于存在尖峰干擾，對每個勵磁狀態(tài)下對應的流量采樣值進行間斷的FIR濾波。由于FIR濾波具有延遲性，延遲長度為濾波器抽頭數(shù)，因此濾波抽頭數(shù)應小于去除尖峰部分后的采樣數(shù)，才能獲得有效的濾波值。同時，需要移除切換附近的一個工頻周期內采樣點，即625個采樣點。根據(jù)上述分析，為了充分利用每個狀態(tài)對應采樣數(shù)量，同時為了在間斷濾波下能夠獲得625個有效的濾波值，設置FIR濾波器系數(shù)的抽頭數(shù)N如下：

(9)

式中M為工頻的分頻數(shù)。

通過ADC寄存器設置AD7173工作在最高采樣頻率31 250/s上，一個工頻周期采樣數(shù)為31 250/50=625。

利用流量校準裝置產生標準的流量信號，將其流量大小輸入DSP作為優(yōu)化參考。開啟DSP濾波優(yōu)化功能，利用流量采樣值與參考值，通過改進的粒子群優(yōu)化算法模塊得到勵磁頻率下的優(yōu)化濾波系數(shù)，將其存儲在Flash中，正常工作時調用。為了實現(xiàn)方便，采用電磁流量計標準流量信號發(fā)生器產生標準流量信號。Jg的優(yōu)化過程如圖7所示，采用改進型粒子群優(yōu)化算法相對于未改進PSO算法尋優(yōu)效果好，收斂速度快。

圖7 Jg優(yōu)化過程

正常工作時，根據(jù)采用的勵磁頻率選擇對應優(yōu)化的濾波器系數(shù)，依據(jù)濾波器系數(shù)的對稱性，只需將前半部分系數(shù)寫入到L1數(shù)據(jù)緩存中，提高FIR濾波器計算速度，實現(xiàn)實時性。根據(jù)式(9)可知，F(xiàn)IR濾波器輸出的最后625個點為濾波器有效輸出，對其進行平均加權濾波得到ADC最終差值，實現(xiàn)每半個勵磁周期出一個流量值。

4 校準結果和討論

采用稱重校準法，相對于其它流量校準法，稱重法能更加準確測定流量計性能[12]。傳感器口徑為50 mm，傳感器量程為15 m3/h(流速：2.122 m/s)，介質為工業(yè)用水，介質密度為1 004 kg/m3,環(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境壓力為101 kPa。將電磁流量計與校準裝置連接后，設置勵磁分頻數(shù)為8分頻。將BF504F調到正常工作模式，校準情況如表1所示。

表1 校準統(tǒng)計表

由表1可知，測量誤差小于0.2%，重復性誤差能夠達到0.1%，滿足流量要求較高場合需求。性能之所以得到大幅度提升，主要是由于采用了可調的勵磁電路設計、基于粒子群優(yōu)化的FIR濾波。濾波前后流量信號如圖8所示。

圖8 濾波前后對比圖

利用改進濾波算法，電磁流量傳感器、電磁流量計中的噪聲干擾被大幅度過濾，實現(xiàn)流量穩(wěn)定、準確的檢測。進而提高了儀表的線性度、重復性。

5 結束語

采用軟硬件結合的濾波方法對流量干擾信號進行濾波處理。軟件方面，利用基于改進的粒子群優(yōu)化的FIR濾波，通過高速DSP芯片BF504F實現(xiàn)。能夠根據(jù)工況，設置勵磁頻率及對應的優(yōu)化FIR濾波器，提高了靈活性，增加了應用范圍，降低了硬件成本。校準實驗結果表明，測量誤差小于0.2%，重復性誤差達到0.1%，滿足對流量檢測要求高的應用場合。

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作者簡介：胡飛(1989-)，碩士，主要從事智能控制器、傳感器的研究。 E-mail：hufei_cn@qq.com 周武能(1959-)，教授，博士生導師，主要從事傳感器網絡協(xié)同與控制、魯棒控制、工業(yè)過程控制等的研究。 E-mail：zhouwuneng@163.com

Research and Design of Electromagnetic Flowmeter Based on DSP

HU Fei,ZHOU Wu-neng

( Donghua University of Information Science and Technology,Shanghai 201620,China.)

As the problems electromagnetic flowmeter has including noise interference and measurement performance,an electromagnetic flowmeter was designed based on DSP. FIR filter and adjustable excitation frequency were optimized by particle swarm optimization algorithm through DSP based on DSP chip BF504F and high-resolution ADC chip AD7173.The hardware and software were implemented and described. Flow calibration results show that it has good linearity,repeatability and stability. The fundamental error is less than 0.2%. The repetition error is within 0.1%. Exciting frequency and FIR filter coefficients can be set according to the working condition,so the meter has flexible application and can be used in the situation with high accuracy.

DSP;electromagnetic flowmeter;FIR filter;particle swarm optimization;ADC;noise interference

宣亞文(1971—)，碩士研究生。研究方向：動力機械設備排放物檢測與控制。E-mail：yawenxuan@126.com。 胡明江(1974—)，副教授，博士。研究方向：汽車電子控制與排放檢測。E-mail：hu_mingjiang@163.com。

國家自然科學基金資助項目(61075060)

2014-07-09 收修改稿日期：2015-03-08

TP216.1

A

1002-1841(2015)05-0024-04