基于DSP的高性能電磁流量變送器研制

汪春暢，徐科軍，許 偉，梁利平，吳建平

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

基于DSP的高性能電磁流量變送器研制

汪春暢，徐科軍，許 偉，梁利平，吳建平

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

為了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)適用于水流量和漿液流量測(cè)量的高頻勵(lì)磁控制和數(shù)字信號(hào)處理算法，同時(shí)，使變送器具有較為完備的人機(jī)接口和通信功能，采用梳狀帶通濾波算法處理水流量信號(hào)，并基于信號(hào)重構(gòu)算法處理漿液流量信號(hào)。充分、合理地利用DSP的資源，設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)儀表的各種功能。巧妙、靈活地安排勵(lì)磁控制、信號(hào)處理、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)通信之間的時(shí)序，研制DSP軟件。通過配置20 ms的定時(shí)器中斷，并在其中斷服務(wù)程序中采用中斷嵌套的方式，確保勵(lì)磁控制和信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。將執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的液晶刷新顯示子程序和按鍵操作子程序放置在主循環(huán)中，以便其他模塊的正常執(zhí)行。所研制的DSP軟件系統(tǒng)適用于矩形勵(lì)磁或三值勵(lì)磁下的水流量和漿液流量的測(cè)量。對(duì)研制的高性能電磁流量變送器進(jìn)行算法實(shí)時(shí)性測(cè)試和水流量標(biāo)定試驗(yàn)，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。

電磁流量計(jì)； 變送器； 數(shù)字信號(hào)處理器； 實(shí)時(shí)性； 人機(jī)界面； 通信模塊； PWM

0 引言

電磁流量計(jì)由于流量管內(nèi)無阻擋物、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于水流量和紙漿、水煤漿等漿液流量的測(cè)量。但是，國內(nèi)大多數(shù)電磁流量變送器均采用低頻勵(lì)磁方式[1-4]，且僅僅采用簡(jiǎn)單的濾波算法[5-7]，既無法有效地消除漿液噪聲，也無法提高單相流量的處理精度。為此，提出了高低壓切換勵(lì)磁控制方法和基于脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)的勵(lì)磁控制算法，以實(shí)現(xiàn)高頻勵(lì)磁[8-10]；提出梳狀帶通濾波和基于統(tǒng)計(jì)分析及信號(hào)重構(gòu)的信號(hào)處理方法[11-13]，以提高測(cè)量單相流量的精度和實(shí)現(xiàn)漿液流量的測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)這些先進(jìn)和復(fù)雜的勵(lì)磁控制和信號(hào)處理算法，采用數(shù)字信號(hào)處理(digital signal process，DSP)芯片為核心來研制電磁流量變送器。但是，作為高性能電磁流量變送器，不僅要實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的勵(lì)磁控制和信號(hào)處理算法，而且要具備參數(shù)設(shè)置靈活、顯示內(nèi)容豐富的人機(jī)接口以及功能強(qiáng)大的通信模塊。然而，目前基于DSP的電磁流量變送器沒有能夠同時(shí)完成這三方面的能力[14-16]。究其原因是，雖然DSP具有高速運(yùn)算的能力，但是，勵(lì)磁控制和信號(hào)處理算法復(fù)雜、運(yùn)算量大，而電磁流量計(jì)有實(shí)時(shí)測(cè)量和刷新的要求，所以，對(duì)DSP軟件的實(shí)時(shí)性提出了挑戰(zhàn)。其次，為了豐富顯示內(nèi)容，需要采用點(diǎn)陣式液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)。與以往基于DSP的電磁流量變送器所用的段碼式LCD相比，點(diǎn)陣式LCD的刷新時(shí)間和占用DSP的時(shí)間長(zhǎng)。另外，為了實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，需要具備各種通信功能，例如，Hart和Modbus等，這又將占用DSP較多的運(yùn)算時(shí)間。所以，在設(shè)計(jì)DSP硬件系統(tǒng)時(shí)，如何合理地配置其資源；在開發(fā)DSP軟件程序時(shí)，如何保證其控制和處理算法的實(shí)時(shí)性，就成為變送器研制中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

為此，本文根據(jù)高性能電磁流量變送器的要求，充分、合理地利用DSP的資源，巧妙、靈活地安排勵(lì)磁控制、信號(hào)處理、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)通信之間的時(shí)序，成功研制實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁控制和信號(hào)處理的DSP軟硬件，并取得較好的試驗(yàn)效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 資源配置

為了實(shí)現(xiàn)高性能電磁流量變送器的全部功能，必須選擇合適的DSP芯片，并合理地配置其資源。選擇TMS320F28335 DSP芯片作為高性能電磁流量變送器的控制和處理的核心芯片。該芯片的運(yùn)算速度為150 MHz，單指令周期僅為6.67 ns，具有很快的運(yùn)算速度；片上集成了豐富的外設(shè)，具有很強(qiáng)的控制能力。根據(jù)變送器功能要求，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行配置。

①利用DSP的增強(qiáng)型脈沖寬度調(diào)制模塊ePWM3A/3B和ePWM5A/5B，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的勵(lì)磁控制，產(chǎn)生矩形波或三值波磁場(chǎng)；同時(shí)，產(chǎn)生空管勵(lì)磁信號(hào)，實(shí)現(xiàn)空管偵測(cè)的功能。

②利用DSP的多通道緩沖器McBSPA和McBSPB與外擴(kuò)的兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)連接，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)和勵(lì)磁電流信號(hào)的同步采集，節(jié)省傳輸時(shí)間。

③利用DSP的增強(qiáng)型脈沖寬度調(diào)制模塊ePWM2B，實(shí)現(xiàn)脈沖頻率輸出；利用外擴(kuò)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)，完成4～20 mA電流輸出；利用DSP的通用輸入輸出(GPIO)口，實(shí)現(xiàn)液晶數(shù)據(jù)顯示以及按鍵的控制。

④利用DSP的串行通信接口SCIC、SCIB模塊，實(shí)現(xiàn)Hart、Modbus和RS-485通信。

1.2 硬件組成

根據(jù)資源配置，高性能電磁流量變送器的硬件框圖如圖1所示。

圖1 變送器硬件框圖

①勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊。通過ePWM模塊產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波來控制H橋點(diǎn)路對(duì)臂的通斷，從而在傳感器內(nèi)形成周期性波形的磁場(chǎng)?？展苊}沖和正常勵(lì)磁交替進(jìn)行，每進(jìn)行10個(gè)周期的正常勵(lì)磁，停1個(gè)周期，進(jìn)行空管偵測(cè)。

②信號(hào)調(diào)理采集模塊。通過兩片ADC同時(shí)采集經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路的傳感器輸出信號(hào)和勵(lì)磁電流，并通過McBSP模塊來傳輸轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)采集到的傳感器輸出信號(hào)幅值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若超過某一閾值，利用外擴(kuò)的DAC模塊對(duì)其進(jìn)行偏置調(diào)整。

③存儲(chǔ)模塊。利用SPI模塊將關(guān)鍵的儀表參數(shù)存儲(chǔ)到鐵電存儲(chǔ)器中。利用外部接口Xintf7模塊外擴(kuò)SARAM，存儲(chǔ)較長(zhǎng)的程序代碼和數(shù)據(jù)。

④人機(jī)接口模塊。利用GPIO模擬SPI將數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)揭壕?，?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。通過判斷與按鍵相連的GPIO的電平高低來判斷按鍵是否按下。

⑤通信模塊。通過SCI模塊接收上位機(jī)發(fā)送的命令，并組建相應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)幀，再發(fā)送給上位機(jī)。

⑥輸出模塊包括脈沖輸出和4～20 mA電流輸出。將每秒內(nèi)的累積流量轉(zhuǎn)化為脈沖頻率量，再通過ePWM模塊輸出相應(yīng)頻率的脈沖。將瞬時(shí)流量轉(zhuǎn)換為電流，通過GPIO模擬SPI將數(shù)字量傳送給DAC，實(shí)現(xiàn)電流量輸出。

2 軟件研制

2.1 處理方法

針對(duì)水流量信號(hào)幅值微弱易受干擾信號(hào)影響的特點(diǎn)，提出梳狀帶通濾波算法，有效抑制干擾信號(hào)，完整地提取出有效的水流量信號(hào)。具體方法為:先對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波；再對(duì)濾波后的流量信號(hào)進(jìn)行幅值解調(diào)；然后對(duì)解調(diào)結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波；最后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到流量值。

針對(duì)漿液流量信號(hào)存在隨機(jī)大跳變的特點(diǎn)，提出基于統(tǒng)計(jì)模型的信號(hào)重構(gòu)算法。具體方法為:先對(duì)流量信號(hào)幅值解調(diào)；然后，對(duì)解調(diào)結(jié)果進(jìn)行中位值濾波以去除隨機(jī)的漿液干擾；再重構(gòu)不含漿液干擾的流量信號(hào)，對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)進(jìn)行梳狀帶通濾波、幅值解調(diào)和滑動(dòng)平均濾波；最后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到流量值。

在上述算法中，只對(duì)采集到的每半個(gè)勵(lì)磁周期后的四分之一點(diǎn)進(jìn)行處理，以避免微分干擾的影響和減少運(yùn)算量。當(dāng)ADC采集的數(shù)據(jù)為有用段數(shù)據(jù)時(shí)，立即對(duì)其進(jìn)行濾波和解調(diào)處理，以保證算法的實(shí)時(shí)性。對(duì)解調(diào)結(jié)果進(jìn)行滑動(dòng)濾波和勵(lì)磁電流補(bǔ)償，以保證算法的精度，也加快算法的響應(yīng)速度。

2.2 工作流程

在設(shè)計(jì)工作流程時(shí)，考慮以下關(guān)鍵因素，以保證DSP軟件控制和處理的實(shí)時(shí)性。

主監(jiān)控流程圖如圖2所示。

圖2 主監(jiān)控流程圖

①當(dāng)采用段式LCD時(shí)，可以將算法模塊放在主循環(huán)中。但是，當(dāng)采用點(diǎn)陣式LCD時(shí)，由于顯示的內(nèi)容較多、且數(shù)據(jù)采用串行傳輸方式，液晶顯示程序執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)(約為80 ms)。若勵(lì)磁頻率為25 Hz，算法模塊每20 ms就要調(diào)用一次，這樣就不能實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)。所以，算法模塊不能放在主循環(huán)中，而是放在定時(shí)時(shí)間為20 ms的定時(shí)器中斷服務(wù)程序中。

②由于算法模塊的程序執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)(約為8 ms)，將導(dǎo)致定時(shí)器中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)阻礙勵(lì)磁中斷和ADC數(shù)據(jù)采集中斷的正確執(zhí)行。而勵(lì)磁中斷和數(shù)據(jù)采集中斷的正確執(zhí)行是算法正確執(zhí)行的前提，因此，在定時(shí)器中斷服務(wù)程序的一開始要開中斷嵌套來保證勵(lì)磁中斷、數(shù)據(jù)采集中斷的正確、實(shí)時(shí)執(zhí)行。

③為了保證按鍵操作的靈敏性，采用查詢的方式，并將按鍵查詢子程序放在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中，由于按鍵操作子程序也涉及到液晶顯示，時(shí)間較長(zhǎng)，故按鍵查詢子程序采用標(biāo)志位置位方式，將按鍵操作子程序放在主循環(huán)中。

設(shè)計(jì)的高性能電磁流量變送器的工作流程如下。

①系統(tǒng)上電后，DSP完成各種初始化工作，包括系統(tǒng)初始化、GPIO口初始化、中斷向量表初始化、儀表參數(shù)初始化等。開啟勵(lì)磁控制、啟動(dòng)定時(shí)器以及A/D采樣轉(zhuǎn)換模塊。

②A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過多通道緩沖器McBSP傳輸?shù)紻SP,實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到外擴(kuò)SARAM中的數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組中，并對(duì)采集到的流量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

③通過20 ms的CPU定時(shí)器0產(chǎn)生中斷。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，為了保證勵(lì)磁中斷和信號(hào)采集中斷的正確執(zhí)行，先開中斷嵌套；然后，查詢每半個(gè)勵(lì)磁周期信號(hào)的預(yù)處理是否完成。若完成，則進(jìn)行算法處理，得到流速、瞬時(shí)流量等，并累加瞬時(shí)流量得到累積流量；同時(shí)，完成4～20 mA電流及PWM脈沖輸出；最后，進(jìn)入按鍵掃描程序，查詢按鍵是否按下。

④將測(cè)量得到的結(jié)果通過LCD顯示，并判斷是否有按鍵標(biāo)志位置位。若有，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵操作子程序。重復(fù)步驟②～④，對(duì)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

2.3 重要模塊

采用模塊化方式設(shè)計(jì)軟件，整個(gè)軟件由主監(jiān)控模塊、初始化模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)接口模塊、中斷模塊和看門狗模塊組成。

2.3.1 中斷模塊

中斷模塊包括信號(hào)采集模塊、通信中斷模塊和定時(shí)器中斷模塊。這里主要介紹定時(shí)器中斷模塊。

定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖如圖3所示。

圖3 定時(shí)器中斷服務(wù)流程圖

在定時(shí)器中斷中，有算法模塊、輸出模塊以及按鍵查詢模塊。先開中斷嵌套，調(diào)用信號(hào)處理算法模塊，對(duì)預(yù)濾波后的流量信號(hào)和勵(lì)磁電流進(jìn)行處理，再依據(jù)所設(shè)置的儀表參數(shù)得出流速和瞬時(shí)流量，并計(jì)算累積流量；然后調(diào)用輸出模塊，根據(jù)計(jì)算出的瞬時(shí)流量，轉(zhuǎn)換為脈沖量和4～20 mA電流值；最后，執(zhí)行按鍵查詢模塊。

2.3.2 人機(jī)接口模塊

人機(jī)接口模塊由按鍵和LCD組成，用于設(shè)置儀表參數(shù)、顯示儀表測(cè)量結(jié)果和修改儀表參數(shù)。其軟件程序包括處理鍵盤的子程序和LCD操作子程序。

①LCD顯示。

LCD有兩個(gè)工作狀態(tài)，分別是自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)和儀表參數(shù)設(shè)置狀態(tài)。

自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)下，LCD用于顯示儀表的測(cè)量結(jié)果。顯示內(nèi)容分四屏顯示，通過按鍵可以切換顯示屏。具體形式內(nèi)容為:第一屏顯示實(shí)時(shí)流量和正向累計(jì)流量；第二屏顯示實(shí)時(shí)流速和流量百分比；第三屏顯示反向累計(jì)流量和凈累計(jì)流量；第四屏顯示報(bào)警信息，包括是否空管、勵(lì)磁是否斷線以及流量是否超限。

儀表參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下，LCD用于顯示儀表參數(shù)變量，與鍵盤配合，實(shí)現(xiàn)儀表參數(shù)的修改。由于需要設(shè)置的儀表參數(shù)較多，系統(tǒng)配置了三級(jí)LCD設(shè)置菜單，分別為密碼輸入、菜單號(hào)選擇和各儀表參數(shù)。

②鍵盤操作子程序。

通過返回鍵、移位鍵、遞增鍵和確認(rèn)鍵這四個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)LCD顯示狀態(tài)的切換和儀表參數(shù)的修改。用于處理鍵盤操作的子程序主要包括鍵盤掃描子程序和按鍵操作子程序。鍵盤掃描程序在20 ms定時(shí)器中斷服務(wù)程序調(diào)用，定時(shí)掃描按鍵是否有按下。由于功能較為復(fù)雜，每個(gè)按鍵都設(shè)有長(zhǎng)按和短按功能。若按鍵時(shí)間超過0.1 s，則視為短按；若按鍵時(shí)間超過2 s，則視為長(zhǎng)按。根據(jù)按鍵時(shí)間長(zhǎng)短不同將相應(yīng)按鍵的標(biāo)志位置位，在主循環(huán)中根據(jù)標(biāo)志位調(diào)用相應(yīng)的按鍵操作子程序。

2.3.3 通信模塊

通信模塊包括Hart通信、Modbus通信和RS-485通信。

①Hart通信模塊。

Hart通信原理如圖4所示。上位機(jī)發(fā)送數(shù)字型Hart幀，經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器調(diào)制成模擬信號(hào)，疊加到4～20 mA電流環(huán)傳輸，然后經(jīng)由下位機(jī)Hart電路解調(diào)成數(shù)字信號(hào)，觸發(fā)SCIB接收中斷接收該Hart幀；下位機(jī)根據(jù)接收到的Hart命令發(fā)送對(duì)應(yīng)的響應(yīng)Hart幀，經(jīng)下位機(jī)Hart電路調(diào)制成模擬信號(hào)，疊加到4～20 mA電流環(huán)傳輸，由調(diào)制解調(diào)器解調(diào)成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送給上位機(jī)串口。

圖4 Hart通信原理框圖

Hart數(shù)據(jù)幀分為主從幀和從主幀。主從幀數(shù)據(jù)格式?jīng)]有通信狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，其他和從主幀數(shù)據(jù)格式一樣。從主幀數(shù)據(jù)格式由前導(dǎo)碼、定界符、地址、命令、字節(jié)數(shù)、通信狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位組成。

Hart通信中斷程序流程圖如圖5所示。

圖5 Hart通信中斷程序流程圖

由上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，DSP通過SCI接收中斷服務(wù)程序來接收數(shù)據(jù)，并判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確。若接收數(shù)據(jù)正確，則根據(jù)相應(yīng)命令組建相應(yīng)的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀，當(dāng)所有發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，發(fā)送給上位機(jī)；若接收數(shù)據(jù)不正確，則將錯(cuò)誤標(biāo)志位置位或返回相應(yīng)的通信錯(cuò)誤信息。由于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間較長(zhǎng)，為了不阻礙其他中斷的正常進(jìn)行，也為了保證正確接收上位機(jī)發(fā)送的命令，當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完畢后，開中斷嵌套。

②Modbus和RS-485通信。

Modbus通信與RS-485通信的硬件相同，它們共同使用SCIC模塊的接收中斷來接收上位機(jī)發(fā)送的命令。因此，在液晶菜單中設(shè)置了通信方式選擇，在進(jìn)入SCIC中斷服務(wù)程序時(shí)，先判斷是哪種通信方式，再進(jìn)入相應(yīng)通信方式的接收數(shù)據(jù)子程序。

Modbus協(xié)議中主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包括設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼，從設(shè)備接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后先判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，若正確則返回相應(yīng)的功能碼、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼；若錯(cuò)誤，則返回相應(yīng)的出錯(cuò)信息。本文采用Modbus通信協(xié)議完成儀表數(shù)據(jù)的讀取和參數(shù)的設(shè)置。采用RS-485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)采集傳感器的輸出信號(hào)以及設(shè)置儀表參數(shù)。

3 測(cè)試標(biāo)定

為了驗(yàn)證所研制的基于DSP的高性能電磁流量變送器的有效性，對(duì)DSP算法進(jìn)行了實(shí)時(shí)性的測(cè)試，對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行了水流量的標(biāo)定試驗(yàn)。

3.1 算法的實(shí)時(shí)性測(cè)試

DSP算法的實(shí)時(shí)性包括兩個(gè)方面:一是指變送器計(jì)算得到的流速能否及時(shí)跟隨實(shí)際流速的變化，這與滑動(dòng)平均濾波參數(shù)有關(guān)；二是指計(jì)算出的流速信號(hào)幅值的更新速度。對(duì)于25 Hz的勵(lì)磁頻率，數(shù)據(jù)更新速度是20 ms。由于濾波參數(shù)不變，跟隨流速變化的延遲時(shí)間也是不變的。為了測(cè)試DSP算法的數(shù)據(jù)更新速度是否為半個(gè)勵(lì)磁周期，利用DSP芯片的一個(gè)空閑GPIO口，在算法模塊中進(jìn)行判斷。若該GPIO口輸出為1，則將其置0；若輸出為0，則置1。通過數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)試該GPIO的輸出波形是周期為40 ms的矩形波，說明算法模塊的流速信號(hào)幅值計(jì)算結(jié)果更新速度為半個(gè)勵(lì)磁周期。因此，算法是實(shí)時(shí)執(zhí)行的。同理，測(cè)試出勵(lì)磁中斷的執(zhí)行周期為一個(gè)勵(lì)磁周期，信號(hào)采集中斷頻率為7 500 Hz，說明軟件的整個(gè)工作過程不發(fā)生沖突。

3.2 水流量標(biāo)定試驗(yàn)

將基于DSP的高性能的電磁流量變送器匹配國內(nèi)某大型企業(yè)研制的50 mm口徑的夾持式一次儀表，形成完整的電磁流量計(jì)，進(jìn)行容積法水流量標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。當(dāng)勵(lì)磁頻率為25 Hz、流量范圍為3.5～25 m3/h時(shí)，電磁流量計(jì)的測(cè)量精度優(yōu)于0.3%。

由于高低壓切換勵(lì)磁和PWM勵(lì)磁只是硬件上實(shí)現(xiàn)恒流的方式不同，二值方波勵(lì)磁和三值波勵(lì)磁只是軟件中ePWM模塊比較輸出值不同，漿液測(cè)量和水流量測(cè)量只是算法模塊的不同，而整個(gè)軟件框架都是一樣的。因此，本文所研制的電磁流量變送器軟件適用于基于高低壓勵(lì)磁控制和基于PWM勵(lì)磁控制下的矩形勵(lì)磁方式或三值波勵(lì)磁方式。該軟件既能用于水流量測(cè)量，也能用于漿液流量的測(cè)量。

表1 水流量標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文研制了基于DSP的高性能電磁流量變送器硬件、軟硬件系統(tǒng)。合理分配DSP資源，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)控制、信號(hào)采集、偏置調(diào)整、人機(jī)交互和輸出等功能。設(shè)計(jì)了較為完整的人機(jī)接口界面，增加Hart、Modbus和RS-485通信功能，滿足了工業(yè)應(yīng)用需求，便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表控制。測(cè)試表明，DSP軟件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行了水流量標(biāo)定，結(jié)果表明，電磁流量計(jì)的測(cè)量精度優(yōu)于0.3級(jí)，且該系統(tǒng)適用于基于高低壓勵(lì)磁控制和基于PWM勵(lì)磁控制的矩形勵(lì)磁方式和三值波勵(lì)磁方式。

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Research and Development of the DSP-Based Electromagnetic
Flow Transmitter with High Performance

WANG Chunchang，XU Kejun，XU Wei，LIANG Liping，WU Jianping
(School of Electrical and Automation Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

In order to implement the high frequency excitation control and the digital signal processing algorithm in real time for the flow measurement of water and slurry; and to make the transmitter have a more complete man-machine interface and communication functions,the comb bandpass filtering algorithm is adopted to process the signal of water flow,and based on the signal reconstruction algorithm,the signal of slurry flow is processed.The resources of the DSP are reasonably and fully utilized,and the hardware system is designed to realize various functions of the instrument.The time sequence among excitation control,signal processing,man-machine interface,and data communication is skillfully and flexibly arranged,and the software of DSP is developed.A 20 ms timer interrupt is configured,and interrupt nesting is applied in interrupt service program,so as to ensure the real time performance of both excitation control and signal processing.The liquid crystal refresh display subroutine and the key operation subroutine which requires longer execution time are put in the main loop,so other modules can be executed normally.The DSP software developed is suitable for measuring water and slurry flow under rectangular excitation or three-value excitation.The real time performance test of algorithm,and water flow calibration test are conducted for the developed high performance electromagnetic flow transmitter,and good experimental results are obtained.

Electromagnetic flow meter; Transmitter; DSP; Real time performance； Man-machine interface; Communication module; Pulse width modulation

汪春暢(1992—)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及其應(yīng)用。E-mail:15856380353@163.com。 徐科軍(通信作者)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、自動(dòng)化儀表和數(shù)字信號(hào)處理。E-mail:dsplab@hfut.edu.cn。

TH814;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707020

修改稿收到日期:2017-03-17