基于单传感器的抗强干扰的涡街流量计数字信号处理系统 【技术领域】
本发明涉及流量检测领域，为一种涡街流量计数字信号处理系统，特别是一种以单片机(MCU)为核心、基于单传感器的抗强干扰的涡街流量计数字信号处理系统。
背景技术
涡街流量计可以测量液体、气体和蒸汽流量，应用范围相当广泛。但是，在工业现场，由于管道与水泵、阀门和电动机等设备相连，使得流量计工作时常常受到机械振动干扰，影响流量的测量。这些机械振动噪声的特点是：(1)能量比较大，有时甚至大于涡街流量信号的能量；(2)频率在涡街流量信号频率范围内。目前，数字涡街流量计采用频谱分析等数字信号处理方法来提取涡街流量信息，当流量信号的能量大于噪声能量时是有效的。但是，当噪声能量大于流量信号能量时，通常的数字信号处理方法会失效。为此，中国发明专利公布了一种抗强固定干扰的涡街流量计数字信号处理系统(徐科军，朱志海，刘三山，姜鹏.抗强固定干扰的涡街流量计数字信号处理系统，申请发明专利，200910116107.1，申请日：2009.1.21.)。考虑到当现场设备和管道安装好之后，振动的频率就固定下来了这个实际情况，该发明专利提出以下方案来解决此问题：(1)采集涡街传感器的信号进行频谱分析，根据涡街流量信号是宽带信号和固定振动信号是窄带信号的特点，以及现场设备的有关参数，例如电机的转速等，确定出管道的固定干扰频率；(2)根据固定干扰频率，设计陷波滤波器，以陷掉固定干扰信号。但是，在有些情况下，振动干扰频率是变化的，这种信号处理方法就不适用了。
国外SCHLATTER，Gerald，L.提出在建立噪声模板和信号模板的基础上，用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消除涡街流量计中的强噪声(“Signal processing method andapparatus for flowmeter“，WO 90/04230，19 April 1990)。但是，噪声情况各种各样，不易获得噪声的所有模板。并且，专利没有说明如何建立信号和噪声的模板。
【发明内容】
本发明专利所依据的原理是：涡街流量信号和机械振动噪声具有不同的频率带宽特征，即振动噪声是相对的窄带信号，而涡街流量信号是相对的宽带信号；而自相关函数可以反映出信号的带宽特征。
本发明专利的技术方案是：首先对涡街流量传感器的输出信号进行频谱分析，按照一定的信噪比及幅值门限确定频率，这些频率可以是一个也可以是多个；然后，将这些频率作为带通滤波器的中心频率，分别对涡街流量传感器输出信号进行滤波；再计算滤波后信号在延迟τ后的一段时间内的自相关函数的峰值与τ＝0时自相关函数值的比值；最后，取最小比值对应的频率作为涡街流量信号的频率。
具体技术方案如下：
一种基于单传感器的抗强干扰涡街流量计数字信号处理系统，由模拟输入模块、模拟输出模块、单片机系统、脉冲输出模块、与外部单片机通信的通信模块、人机接口模块、电源模块和外部看门狗组成。首先对涡街流量传感器的输出信号进行频谱分析，按照一定的信噪比及幅值门限确定频率，这些频率可以是一个也可以是多个；然后，将这些频率作为带通滤波器的中心频率，分别对涡街流量传感器输出信号进行滤波；再计算滤波后信号在延迟τ后一段时间内自相关函数的峰值与τ＝0时的自相关函数值的比值；最后，取最小比值对应的频率作为涡街流量信号的频率。
涡街流量信号和机械振动噪声具有不同的频率带宽特征，即振动噪声是相对的窄带信号，涡街流量信号是相对的宽带信号；而通过自相关函数计算可以反映出信号的带宽特征。
模拟输入模块包括压电传感器、电荷放大器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器；模拟输出模块包括光耦、数模转换器和4～20mA输出电路；单片机模块包括单片机MSP430F5418、复位电路、欠压监测电路、铁电存储器；脉冲输出模块包括光耦和整形电路；与外部单片机通信的通信模块包括通信模块、光耦、整形电路和外部单片机；人机接口模块包括按键输入和液晶显示电路；电源模块包括隔离和非隔离直流-直流变换器、低压差线性稳压器。
采样的点数定为N点，不同口径的涡街流量计的采样频率不同；对N点采样值做快速傅立叶变换之后，用最大的幅值乘以设定的信噪比作为幅值的下限值，取某一幅值为门限值；将同时大于这两个值的峰值所对应的频率记下来；此时，如果频率的个数大于10，则取前10个最大的。
针对权利要求4所确定的频率BHz，实时设计带通滤波器；采用6阶带通巴特沃斯数字滤波器；带宽定为10Hz，则上边界地截止频率为(B-5)Hz，下边界的截止频率为(B+5)Hz。
取自相关函数的绝对值的平均值来计算其峰值，即绝对值的平均值是峰值的0.637倍；为了减小计算量，可以只计算半个周期的自相关函数绝对值的平均值；为了提高计算精度，也可以计算多个周期自相关函数绝对值的平均值；根据实际的采样频率和信号的频率，确定自相关函数的半个周期的点数。
根据不同采样频率，选择不同的延迟时间；确定出要计算的自相关函数的点数；再计算一段时间内的自相关函数；求这些自相关函数绝对值的平均值；再根据绝对值的平均值为峰值的0.637倍的关系，得到这些自相关函数的峰值。
本发明专利的优点是：即使在涡街流量信号能量小于振动噪声能量的情况下，且振动噪声的频率是变化时，仍然能够得到准确的涡街流量信号频率，从而排除强噪声的干扰，确保现场测量精度。
【附图说明】
图1是涡街流量信号的自相关函数图。
图2是振动噪声的自相关函数图。
图3是系统硬件结构框图。
图4是算法原理框图。
图5是系统软件结构框图。
图6是主监控程序流程图。
图7是带通滤波器设计流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明的设计思想是：在工业现场，涡街流量传感器的输出信号中常常既含有涡街流量信号又含有机械振动噪声，当机械振动噪声信号的能量大于涡街流量信号的能量时，采用以往的数字信号处理方法也无法得出正确的测量结果。在理想情况下，涡街流量信号是规则的正弦波信号。但是，在实际中，由于管道内流动介质的紊流、脉动以及流场的不稳定对旋涡发生体施加了不规则的附加作用，使得涡街流量信号的实际频率在理想频率的左右摆动。而机械振动噪声是由鼓风机、水泵、阀门和电动机等机械外力引起的，在实际中的频率基本不变。因此，涡街流量信号占据的频带要比机械振动噪声的宽，即涡街流量信号相对于机械振动噪声信号是宽带信号，其不同时刻取值的相关性要比机械振动噪声信号的差。而自相关函数Rx(τ)描述的是一个时刻的数据值与另一个时刻数据值之间的相关程度， 所以，涡街流量信号的自相关函数的幅值会随着时间迅速衰减，而机械振动噪声的自相关函数的幅值衰减缓慢，两者形式如图1和图2所示。可见，自相关函数Rx(τ)在τ＝0时，也就是自相关函数在没有延迟时，取最大值，之后其幅值随着时间衰减。涡街流量信号自相关函数值的衰减要比机械振动噪声的快。因此，可以计算延迟τ后的一段时间内自相关函数的峰值与τ＝0时自相关函数值的比值，最小比值所对应的频率就是涡街流量信号的频率。
本发明系统的总体结构如图3所示。本发明系统由模拟输入模块、模拟输出模块、单片机系统、脉冲输出模块、与外部单片机(MCU)通信的通信模块、人机接口模块、电源模块和外部看门狗组成。其中，模拟输入模块包括压电传感器、电荷放大器、限幅放大器、低通滤波器、电压跟随器；模拟输出模块包括光耦、数模转换器(DAC)和4～20mA输出电路；单片机模块包括单片机MSP430F5418、复位电路、欠压监测电路、铁电存储器；脉冲输出模块包括光耦和整形电路；与外部MCU通信的通信模块包括通信模块、光耦、整形电路和外部单片机；人机接口模块包括按键输入和液晶(LCD)显示电路；电源模块包括隔离和非隔离直流-直流变换器(DC-DC)、低压差线性稳压器(LDO)。
本发明系统的基本工作过程为：传感器信号首先通过模拟信号输入及调理模块，适当放大、低通滤波去掉高频分量后，送入模数转换器(ADC)，完成信号的采样；数字信号处理模块用算法对采样的信号进行分析处理，得到流量值；最后，系统将流量测量结果通过电流、脉冲向外发送，或者通过通讯模块将流量信息传递给外部单片机(MCU)。
本发明系统的具体算法是：首先进行频谱分析，按照一定的信噪比及幅值门限确定频率，比如，这些频率有50Hz，80Hz等，然后用以50Hz为中心频率的带通滤波器对原信号x(n)进行滤波，得到滤波后的信号y(n)，再对滤波后的信号y(n)计算延迟τ后的一段时间内自相关函数的峰值与τ＝0时自相关函数值的比值；同理，接着用以80Hz为中心频率的带通滤波器对原信号x(n)进行滤波、计算比值；最后，取最小比值所对应的频率(比如80Hz)作为涡街流量信号的频率。设计数字带通滤波器时，模拟带通函数变成数字带通函数采用的是双线性变换法，变换的公式为：
s=2T1-z-11+z-1---(1)]]>
式中，T是采样时间间隔。
自相关函数的计算采用的是无偏估计，其计算公式为：
Rx(r)=1N-rΣn=0N-r-1x(n)x(n+r)---(2)]]>
式中，r为表示延迟时间的点数，τ＝rT；N为数据的长度。整个算法的原理框图如图4所示。
图5是软件总体框图。系统软件开发采取模块化设计方案，将子程序组成功能模块，由主监控程序和中断服务程序统一调用。基本功能模块包括：主监控模块、中断模块、看门狗模块、铁电存储器操作模块、人机接口模块、初始化模块、计算模块、输出模块等。
图6是主监控模块。主监控程序是整个信号处理系统的总调度程序，调用各个模块中的子程序，实现仪表所要求的功能。它是一个死循环程序，系统一上电，主监控程序自动运行，进入不断计算和处理的循环中。基本过程为：系统上电开始后，立即进行初始化；初始化后，调用计算模块，对信号采样序列采用信号处理算法进行处理，计算出传感器信号中的涡街频率；然后，根据所设定的仪表系数，计算瞬时流量和累积流量；接着进行LCD刷新；接下来调用系统输出模块，根据计算出的瞬时流量，向外发送标准的4～20mA的电流和输出流量对应的脉冲；输出完成后，主监控程序将返回，重新开始进行新的循环。
当系统初始化完之后，就进入了计算模块，计算过程中的几个关键问题介绍如下。
(1)采样的点数定为N点，例如2048点；不同口径的涡街流量计的采样频率不同，例如，80mm口径测量气体的涡街流量计的采样频率设为2833Hz。对2048点采样值做快速傅立叶变换(FFT)之后，用最大的幅值乘以设定的信噪比(例如，设定信噪比为1/3.75，此时噪声的幅值比涡街信号的大；这个值可根据现场的实际情况来做相应的调整)作为幅值的下限值，取某一幅值AmV为门限值，例如20mV；将同时大于这两个值的峰值所对应的频率记下来。此时，如果频率的个数大于10，则取前10个最大的频率。
(2)根据(1)确定的频率，实时设计带通滤波器。为了消除其他频率分量的影响，本发明系统采用6阶带通巴特沃斯数字滤波器。假设(1)中确定的其中一个频率为B Hz，即中心频率为B Hz，带宽定为10Hz，则上边界的截止频率为(B-5)Hz，下边界的截止频率为(B+5)Hz。设计滤波器的流程如图7所示。滤波器设计完成后，就对原信号进行数字滤波，然后计算经过滤波后数据延迟一段时间之后的自相关函数的幅值与τ＝0时的自相关函数的值的比值。如果有多个频率，则分别滤波、计算比值。最后，取最小比值对应的频率作为涡街流量信号的频率。
(3)数字滤波的公式为：
x(n)＝(b0u(n)+b1u(n-1)+…b6u(n-6)-a1x(n-1)-…-a6x(n-6))/a0 (3)
式中，u(n)和x(n)分别代表采样得到的原始信号序列和数字滤波之后的信号序列，{b0，…，b6，a0，…，a6}为滤波器系数。滤波器系数通过计算得出，为了保证计算的精度，采用double类型。
(4)由于自相关函数的形式类似于正弦波，所以，取绝对值的平均值来计算其峰值，即绝对值的平均值是峰值的0.637倍。为了减小计算量，可以只计算半个周期的自相关函数绝对值的平均值。若要提高计算精度，也可以计算多个周期自相关函数绝对值的平均值。实际的采样频率已知，信号的频率可以通过频谱分析得到，因此，自相关函数的半个周期的点数M为：
M＝Fs/F/2 (4)
式中，Fs为采样频率，F为信号的频率。
(5)根据不同采样频率，选择不同的延迟时间。例如，针对80mm口径测量气体的涡街流量计，系统的延迟时间定为0.5秒，因此，式(2)中r的起始点为1416(即0.5秒×采样频率2833Hz)。再根据式(4)实时确定出要计算的自相关函数的点数M。因此，要计算r为1416，1417，…，(1416+M-1)时的自相关函数。求这些点的自相关函数的绝对值(因为有时候会取到负值，所以要取绝对值)之和，再除以M，得到这些点自相关函数绝对值的平均值；再根据绝对值的平均值为峰值的0.637倍的关系，将结果除以0.637，就得到这些点自相关函数的峰值。