基于FFT与STM32 MCU的涡街信号处理系统设计

蒋 莉,胡建人,秦会斌

(杭州电子科技大学电子信息学院,浙江杭州310018)

0 引 言

能量计量、城市公用事业的发展使人们对流量测量需求急速增长,许多新型的流量计大量地涌现出来。涡街流量计是一种依据卡门旋涡原理测量封闭管道流体流量的流量计,具有精度高、压力损失小、量程范围大等优点[1],是节流式流量计的理想替代产品。目前涡街流量计还存在着抗震性能差,低流速时测量精度受限等缺点,尤其是低流速时涡街信号很微弱,易被噪声淹没难以区分,因此如何从含噪声的信号中提取出涡街信号是涡街流量计信号处理的主要问题。近年来,国内外对涡街流量信号的处理方法主要有小波变换法[2]、现代谱分析法,这些算法由于算法的复杂性和计算量的庞大性,仍处在理论研究阶段。本文采用基于FFT的经典谱分析法对应力式涡街传感器输出信号进行分析,提高涡街流量计的测量精度,准确提取出涡街信号频率成分。

1 系统总体设计概述

由于DSP芯片的开发设备和产品价格较高、功耗过大,系统采用高性能、低功耗、成本低的STM32微处理器。系统硬件框图如图1所示,涡街传感器输出信号首先通过前置放大处理,把放大后的信号送入32位MCU STM32的ADC进行A/D转换,在STM32中通过编程实现FFT算法,计算出涡街信号频率并在LCD上显示。串行通信UART接口使系统可以和计算机进行通信,便于软件设计时进行调试。

2 系统硬件设计

系统总体上分两大部分：一是前置放大电路,包括电荷放大电路和自动增益控制放大电路.前置放大电路首先将微弱的电荷信号转换成与电荷量成正比的电压信号,然后对电压信号进行预放大,并把放大后的幅值控制在一定范围之内,使之符合处理要求;二是信号处理,采用STM32F103VC作主控芯片,完成对采集的信号的A/D转换、进行软件频谱分析、流量计算与液晶显示。

2.1 前置放大电路

图1 涡街信号处理系统框图

由于压电传感器的输出幅值为毫伏级,输出阻抗很高,采用电荷放大器将电荷信号转换成电压信号,并将高输出阻抗变为低输出阻抗。选用高输入阻抗运放LM356N,接成电荷放大电路形式。涡街传感器的输出信号动态范围较大,为了防止放大后进入截止区或者超出A/D转换的量程范围,在电荷放大器后加入AGC自动增益控制电路[3];选用低噪、90MHz带宽、增益可调的集成运放——ADI公司的AD603,当AD603的5脚和7脚之间短接时的增益为40Vg+10,这时的增益范围在-10～+30dB。当脚5和脚7断开时,其增益为40Vg+30,这时的增益范围为10～50dB,在5脚和7脚接上电阻,其增益范围将处于上述两者之间。前置放大电路原理图如图2所示,在5脚和7脚之间接滑动变阻器,可根据需要调节增益量。Q1、R10和C7组成电路监测输出信号幅度,并形成自动增益控制电压VAGC,其幅度值随输出信号OUT的幅度变化,加在AD603的1脚的自动增益控制电压VAGC随输出信号变化。

图2 前置放大电路

传感器与电荷放大器之间的信号线屏蔽,屏蔽层的一端接仪表的外壳,另一端接放大器接地端。将涡街传感器一端接到实验室金属水管,另一端接前置放大电路输入端。实验表明涡街频率f与流体的平均流速Q成线性关系：

式中,K为仪表系数。实验室采用25mm口径的涡街流量计测量液体,利用示波器观察采集到信号的波形和功率谱图,如图3所示,从图3可以看出涡街信号类似于正弦信号,两个波峰间隔约40ms,故对应频率为25Hz左右。从功率谱图中也可以看出,利用变增益放大器得到的信号幅值基本稳定,各种干扰信息业得到了较好的抑制,除直流分量外,信号强度最大的频率分量约为25Hz,其余部分均为干扰信号的频谱,因此只要将采集到信号通过FFT频谱分析,即可得到涡街信号的频率,根据公式(1)计算出被测介质的流速。

2.2 STM32信号处理电路

图3 流量约0.3m3/h时的系统采集的信号和功率谱图

系统以STM32F103VCT6芯片为运算核心,STM32F103VCT6是ARM公司的STM32增强型系列,内部使用32位的Cortex-M3内核,工作频率为72MHz,内置高达128k字节的闪存和20k字节的SRAM,所有型号的器件均包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器,还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。工作温度范围-40—+105℃,供电电压2.0V—3.6V。该内核是专门设计用于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。

系统中用USART1与PC机通信,设计USART电路关键是STM32与PC机的电平匹配,STM32引脚电压是3.3V,而PC的232通信接口电平是12V,采用ST3232芯片实现电平转换。上位机通过RS232接口和USART通信模块设置涡街流量计的流量参数。

选用段码式低功耗液晶LCM141显示瞬时流量和累积流量[4],液晶显示屏本身含驱动与控制电路可以显示5种字符、14个状态条以及2行共14位数码,通过串行通信接口接收MCU的数据。

3 系统软件设计

设计的系统软件由主程序和中断服务程序两部分构成。主程序由信号的FFT算法实现、流量计算、测量结果显示、按键处理及串口通讯各模块组成。中断程序主要完成A/D转换。ADC设置为内部软件触发,定时器时间到,则自动启动A/D转换,通过系统定时器Systick设置采样频率,采样频率和FFT点数均可设置。A/D转换结束开启DMA中断,通过DMA的通道11直接将转换结果送到指定存储器,不需要CPU的参与,提高了处理速度。FFT频谱分析子程序流程如图4所示：

图4 FFT频谱分析子程序流程图

4 测试结果分析

经过前置放大后的涡街信号通过信号输入端接至STM32的PC4端口,即ADC1的模拟信号输入端,软件设置采样频率为1 024Hz,FFT点数为1 024点[5],频谱分析结果经过串口、RS232转换发送至PC机。如图5所示,通过串口调试助手可看到FFT计算结果,可见涡街传感器输出信号各频率分量。经过FFT变换后,提取一阶分量作为检测信号源,剔除了各种随机噪声和干扰源,有利于低流速下弱涡街信号检测。

图5 串口输出结果图

5 结束语

根据涡街传感器输出信号的特征,设计了基于自动增益控制运算放大器电路、FFT变换和STM32 MCU的信号处理电路的新型涡街信号FFT变换处理系统,提取到涡街传感器的一阶信号。STM32内部含有丰富的功能模块,拥有标准和先进的通信接口,还拥有专门的DSP算法,无需外扩芯片即可完成涡街信号的采集、存储和数据通信,另外其体积小、成本低和低功耗特性刚好符合流量计设计的基本要求。经试验证明该系统运行稳定、可靠、准确,达到了涡街可测量程比较宽的使用要求。

[1]姜仲霞,姜川涛,刘桂芳.涡街流量计[M].北京：中国石化出版社,2006.8-40.

[2]王肖芬 ,徐科军.基于小波变换的基波提取和频率测量[J].仪器仪表学报,2005.26(2)：146-151.

[3]郑德智,王帅等.涡街流量传感器信号处理方法研究[J].传感技术学报,2009,22(1)：80-83.

[4]孔磊,周杏鹏.智能涡街流量计的设计与实现[J].仪器仪表用户,2010,17(1)：30-32.

[5]胡广书,数字信号处理理论、算法与实现[M].北京：清华大学出版社,2003.69-185.