摘 要：介紹了將DSP用于HK-CMF科氏質量流量計信號處理、解算的全新的設計思路。利用高速并行A/D將信號完整取樣，借助DSP芯片的較強運算能力對信號進行深入地分析與處理，精確計算兩路信號的相位差，進而解算出流體的質量流量和密度，輔以單片機實現系統的控制與顯示。文中給出了系統的硬件電路結構和關鍵軟件的設計流程。實驗結果表明：該系統有效提高了系統的零點穩定性和測量精度，縮短了系統的響應時間。

關鍵字：DSP HK-CMF科氏質量流量計 信號處理

    HK-CMF科里奧利質量流量計（簡稱為質量流量計，即CMF）由傳感器和二次儀表組成。其中，傳感器敏感被測質量流量，輸出與流量相關的振動信號；二次儀表根據傳感器輸出的振動信號確定被測流體的質量流量和密度。相對于其他質量流量測量方式或通過測量體積流量和密度來間接測量流體質量流量的方法，其具有許多突出優點：

    ① 測量范圍大、精度高，一般CMF產品的量程比為10~100，典型流量測量精度為±0.2%R±零點穩定度，高者可達±0.1%R±零點穩定度，重復性一般為±（0.05%~0.1%）；
    ② 測量管內無零部件，穩定性好，不會因管內零部件的磨損而降低測量精度，且可測量高粘度流體、含固體顆粒的流體；
    ③ 對流場不敏感，對被測流體的溫度、壓力、粘度等參數不敏感，受流場和流體參數的影響小；
    ④ 是一種多功能的測量儀表，可同時測量流體密度、兩種液體組成的混合流體的比例等。

    但由于其工作機理和傳統信號處理方式的限制，目前此類流量計在現場應用中存在種種實際問題：

    ① 對環境噪聲敏感，安裝在現場的質量流量計會受到各種振動噪聲的影響，傳統利用模擬電路檢測兩路信號相位差的方法在實際應用中不能很好抑制這些噪聲影響。
    ② 現場流體情況復雜，現有的流量計不能很好地對流體狀態加以診斷。
    ③ 信號處理大多采用模擬電路將兩路正弦信號的相位差轉變為相應的電壓信號，由積分式A/D實現信號的數字化轉換，并由單片機對質量流量進行解算的原理。模擬電路穩定性較差，積分式A/D采樣速度低等，因此在使用中存在著零點穩定性差，響應時間長，運算精度低等缺點。

    本文介紹一種全新的以數字信號處理器（以下簡稱DSP）TMS320VC33為核心、高速高精度并行A/D為手段的高速信號處理系統，實時處理流量計中兩個敏感元件輸出的兩路信號，輔以現代信號處理算法，精確計算兩路信號的頻率和相位差，從而得到被測流體的質量流量和密度等信息。而且利用DSP的強大運算能力，輔以人工智能算法對流量計實時進行檢測和故障診斷，提高了HKC科氏質量流量計的使用可靠性和精度。

    1 系統綜述

    該系統由激、拾振電路，信號放大濾波電路，A/D轉換電路，信號處理電路，單片機，LCD顯示電路，鍵盤輸入電路，報警電路，通信電路（包括RS-232、485串口，4~20mA電流輸出，1~5V電壓輸出和0~10kHz頻率輸出）以及相應的處理軟件組成，其具體硬件框圖如圖1所示。

    激、拾振電路由89C2051單片機、AD和DA及相應的控制電路組成，實現傳感器的閉環自激振蕩，自動跟蹤傳感器的一階固有頻率，并且保持傳感器的振幅穩定。信號放大濾波電路完成對微弱信號的放大和帶通濾波，為了減小此部分模擬電路對兩路信號相位的影響，低通濾波的截止頻率遠遠高于傳感器的一階固有頻率，而高通濾波器的截止頻率遠遠低于傳感器的一階固有頻率。A/D轉換電路由采樣時鐘控制電路、A/D轉換芯片及數據鎖存器組成。完成對信號的不間斷采樣和數據的傳輸處理。LCD顯示電路由專門的單片機控制，完成實時數據的顯示和各種診斷信息的報告顯示。鍵盤輸入完成對系統參數的設置、顯示單位選擇、時間校準等功能。報警電路由蜂鳴器及其控制電路組成，完成對各種異常情況的報警。通信電路用于與PC機的通信與控制，以及與其他智能儀表通信。系統軟件分為單片機和DSP軟件兩類，單片機軟件包括監控程序、系統白檢程序、瞬時質量流量計算程序、流體密度計算程序、溫度補償程序、數據傳輸程序、LCD顯示控制程序、鍵盤輸入程序、通信程序等子程序。DSP軟件包括監控程序、實時數據采集預處理程序、頻率計算程序、相位差計算程序、累計量計算程序、系統故障診斷程序、數據傳輸程序。具體結構關系如圖2所示。

    2 系統硬件設計

    2.1 信號放大濾波電路及A/D轉換電路

    信號放大濾波電路主要對閉環系統輸出的微弱信號進行放大及濾波處理，滿足后續處理電路對信號的要求。該電路采用低噪聲放大器OPA604，輔以精密電阻和高精度電容，對閉環系統的拾振器拾取的兩路振動信號進行幅度放大及低通濾波。為了減小濾波電路對兩路信號相位的影響，該低通濾波器的截止頻率遠遠高于信號頻率。

    A/D轉換電路采用兩片16位100kHz采樣率的AD676進行模/數轉換。該芯片內部集成了采樣/保持電路，輸出采用并行16位方式，片內具有輸出鎖存器，各邏輯控制和輸出接口適合大部分微處理器，可以方便地實現與DSP的數據通信。兩片AD676工作在連續采樣模式，采樣時鐘由晶振經過分頻后提供，兩個由兩片AD676產生的BUSY售信號經過或門后輸出給DSP，產生INTO中斷，由DSP實時將兩路共32位數據采集到DSP的RAM中進行數據處理。

    2.2 DSP及其控制電路

    信號處理電路以TI公司的TMS320VC33-120浮點運算高速信號處理器為核心，輔以2Mbit Flash構成最小信號處理系統。由于TMS320VC33工作在3.3V，而A/D轉換電路工作在5V電平，因此在地址、數據總線及控制信號都利用SN74LVTH16245作為平轉換。TMS320VC33與兩路AD676進行數據傳輸時采用中斷方式，當兩片AD676均采樣完畢時，BUSY信號轉變為低電平，向DSP申請INTO中斷，DSP響應中斷后利用地址譯碼選中AD676進行數據讀取。兩路信號的采樣值在DSP中斷服務程序中實現實時數字濾波處理，由DSP主程序完成兩路信號相位差和頻率的計算。

    2.3 液晶顯示及鍵盤輸入電路

    測量結果包括瞬時質量流量、累積質量、溫度、瞬時體積流量、累積體積、密度、組分甲的百分含量，組分甲的密度要通過液晶實時顯示給用戶，而且用戶設置的相關信息也要通過液晶顯示。選用MGLS-19264作為測試系統的顯示設備。結果的顯示采用很友好的圖形界面，使用者可以很方便地讀取相關的測量和記錄的信息。液晶顯示器由單獨的一顆8051單片機控制，實現實時測量結果的顯示與處理，這也是模塊化結構設計的一種體現。

    為了提供用戶一個良好的操作環境，方便用戶對測量儀表的控制與管理，鍵盤設計中采用組合鍵的方式，在不同的選用模式下，每個鍵盤的功能不同，這樣可以大大減少鍵盤的使用數量，簡化了面板設計。

    3 軟件設計

    軟件設計中由于涉及到DSP和多個單片機的開發，因此程序結構有所差異，下文著重介紹DSP軟件的結構、計算相位差和頻率的計算方法。

    3.1 DSP系統軟件結構

    DSP系統軟件的程序流程如圖3所示。

    DSP系統主要由系統監控程序完成各組成部分的協調管理。監控程序主要完成對各個標志位的檢查，判斷各種狀態是否有效，若為有效則調用相應的子程序完成指定功能。數據采集及預處理程序主要針對AD采樣數據更新后對其進行讀取、帶通數字濾波及數據的存儲。頻率、相位差、累積量等計算程序主要負責對緩沖區內的數據進行相應算法的計算，完成對頻率、相位差和累積量的解算。數據傳輸程序完成DSP與單片機的實時數據通信，當計算結果更新后，DSP將數據按指定地址寫到相應的鎖存器中，并向單片機申請中斷，完成數據的傳輸。由于在此系統中，DSP與單片機的數據交換是單方向的，始終是DSP將計算結果傳輸給單片機，因此鎖存器也是單方向。系統故障診斷程序完成系統各種故障信息的判斷，如諧振管在測量過程中突然停止振動、出現較強的氣液兩項流等現象時，故障診斷程序會根據各種相關信息給以準確的判斷，并將相應的判斷信息通過數據傳輸程序傳輸給單片機進行相應的顯示和報警處理。

    3.2 頻率和相位差算法

    計算頻率和相位差的算法采用過零點提取的辦法來實現。雖然此種算法沒有復雜的理論作為依據，但在此系統中也是比較有效而且代碼效率較高的算法之一。

    對于標準的正弦波y=Asint而言，過零點即y=0在一個周期[0，2π]中存在3個：t₀=0，t₁=π，t₂=2π，則正弦波的頻率為

    

    這樣只要利用算法提取正弦波的過零點信息，即可計算出正弦波的頻率f。由于兩路正弦信號進行同時采樣，即時間軸是統一的，所以相位差也采用過零點的方法來進行計算，對于另一路正弦信號y′=A′sin（t+θ），則在t₀′=-θ，t₁′=π-θ，t₂′=2π-θ三個點，y′=0，所以y和y′的相位差為Δφ=t₀-t₀′。

    首先在計算前，將原始數據進行帶通濾波處理（這項工作由數據采集及預處理程序完成），以濾除各種干擾信號對算法精度的影響。本設計采用8階FIR帶通濾波器，利用布萊克曼窗對原始信號進行處理，即利用8個存儲單元存儲原始數據，當采集的新數據讀入DSP后，首先將8個存儲單元中的第一個數據丟棄，然后將其他7個地址單元中的數據依次向前移動一個地址單元，然后將新數據存放到這8個存儲單元的最后一個地址單元，緊接著對這8個數據進行濾波處理，結果存入指定的地址單元，以便計算頻率和相位差使用。其次，計算兩路信號的過零點，提取信號的頻率和相位差信息。通過程序對濾波后的數據進行判斷，尋找過零點的初步位置，即過零點一定在數據由正轉為負或者是由負轉為正的時刻之間。然后提取粗測過零點附近前后20個數據進行2次曲線擬合，利用牛頓法對擬合曲線進行方程求解，即可得出正弦信號的過零點。在利用過零點進行計算頻率和相位差時，采用4個信號周期平均的方式，得到最后的頻率和兩路信號的相位差。

    4 實驗結果

    利用HF33210A數字信號發生器給出正弦信號，同時輸出到兩路放大濾波電路中，由于兩路輸入信號來自同一個信號發生器的輸入，所以理論的相位差為零。測量結果如表1所示。

表1 測量結果

輸入信號頻率/Hz	計算的頻率/Hz	計算的相位差/μs
70	70.012	5.023
80	79.994	4.634
90	90.008	4.012
100	100.023	3.571
110	109.994	3.022
120	119.988	2.612

    從測量結果中可以看出，頻率測量的最大相對誤差為0.023%，滿足預期的設計要求。零相位差的測量結果表明，由于信號放大部分存在有高通濾波器的影響，頻率較低時，模擬電路本身造成了兩路信號的相位差較大；而頻率較高時，影響較小。

    為了初步驗證實驗系統對相位差的測量，設計了一個簡單的低通濾波電路（R=50kΩ，C=1μs），將一路信號經過此低通電路后，利用其產生一個微小的相移（Δφ=1.82378°）來模擬傳感器在有流量時的輸出信號，利用示波器初步檢驗電路的相位測量誤差。實際的測量結果初步表明檢測電路能夠實現對相位差的高精度檢測。為了達到實用化的目的，筆者正在利用實際的流量標定裝置對此套測量系統進行全面的標定，進一步確定傳感器參數。

    5 結束語

    將DSP和現代信號處理技術應用于HK-CMF科里奧利質量流量計中，充分利用了DSP強大的運算能力，實現了信號的帶通濾波、頻率、相位差及累積量的計算，并在測量精度和實時性方面超過以往的模擬系統。而且數字系統可以很好地抑制使用現場存在的流體、管道振動和其他各種干擾對測量精度的影響。下一步將針對實際樣機進行測試研究。