高精度DSP涡街信号处理方案

2013-06-01戴华平沈非凡钱嘉伟黄满金

自动化仪表 2013年3期

戴华平沈非凡钱嘉伟黄满金

(浙江大学控制科学与工程学系工业控制研究所，浙江杭州 310027)

0 引言

涡街流量计具有结构简单、可靠性好、量程宽、压力损失小、精度较高等特点，近年来发展迅速。但是涡街流量计也有其局限性，它在测量过程中存在信号质量受流体本身的稳定性和均匀性等影响以及小信号检测能力有限等问题［1］。

在涡街信号的处理过程中，输入信号的频率范围一般为1～2500 Hz，易受噪声的干扰。为确保测量的高精度，设计一种处理涡街信号的改进方案具有重要的意义［2-5］。近年来，国内外科研工作者设计了多种涡街信号处理系统。文献［2～3］基于MSP430单片机，设计了低功耗的涡街信号处理方案。文献［4］基于MSP430单片机，设计了高量程比的涡街信号处理方案。文献［5］基于TMS320LF2407A DSP芯片(以下简称2407A)开发平台，设计了低成本涡街信号处理方案。

上述研究成果在精度方面仍有所欠缺。为此，本文选取2407A为处理器，通过前端多级放大及滤波，并采用高精度A/D转换芯片，设计了涡街信号的快速小波变换算法，以实现高精度的涡街信号处理系统。该系统具有精度高、实时性强、性价比高等特点，有一定的工程实用价值。

1 系统构成

系统的硬件部分主要由电源模块、模拟信号调理模块、数字信号处理模块、信号输出模块以及人机接口模块组成。

信号首先进入模拟信号调理模块，进行放大、滤波处理后，进入数字信号处理模块。然后，利用高精度A/D转换芯片完成信号的采样及离散量化，通过I/O口输入2407A芯片，再利用软件算法进行信号分析与处理，以进行涡街信号频率的测量。其中，部分重要数据存储在2407A自带的EEPROM中。通过人机接口模块，可以进行按键操作，并根据相应的按键操作在液晶屏上显示测量结果。信号输出模块首先对2407A的输出信号进行光耦隔离，消除外部信号对内部信号的干扰。通过RS-485串行通信接口，进行4～20 mA模拟信号的输出，并确保将测量结果准确地发送到上位机或者工业现场的二次仪表。电源模块利用稳压器件以及去耦电容，将外部提供的+24 V电压分别转换成不同伏值的内外部电压，以保证内外部电气隔离，并为各个模块供电。

系统的硬件框图如图1所示。

图1 系统硬件原理框图Fig.1 Principle of the system hardware

1.1 模拟信号调理模块

在该系统中，由于压电元件具有响应快、灵敏度高、信号强、价格低、工艺性好等特点，因此选择压电检测元件作为涡街传感器。压电检测元件的输出信号在通过电荷放大器转换成电压信号时，一般都需要经过交流放大器的放大，把毫伏级信号放大成伏级交流信号，以便进一步处理［6］。

模拟电路对信号进行放大的同时进行滤波。由于涡街流量计量程较大，当检测到的频率较低时，其信号强度往往也较为微弱。因此，固定倍数的放大器以及固定截止频率的低通和高通滤波器无法满足涡街信号的处理要求。部分放大滤波电路图如图2所示。

图2 部分放大滤波电路Fig.2 Part of the amplifying and filtering circuits

由图2可知，在信号调理模块中，设计了多级放大滤波电路，其中每一级都设计了开关电路，用来提供阻容的多种组合，并分别对应不同的放大倍数和滤波器截止频率。在现场作业过程中，可以根据实际流速情况，选择合适的放大倍数和截止频率，以提高测量精度。

完成整个模拟信号调理过程之后，将调理完的信号输入数字信号处理模块，并送入A/D转换芯片。

1.2 数字信号处理模块

数字信号处理模块由高精度A/D转换芯片和2407A微处理器组成。其中，2407A微处理器包含片上存储器及大量片上外设资源，完全满足系统的各项需求。

系统选择Analog Device公司的AD7367-5作为A/D转换芯片。AD7367-5采用14位双通道输入模式，驱动电压为3.3 V，匹配2407A工作电压;精度与2407A片上10位A/D转换模块、MSP430片上12位A/D转换模块相比，有很大的提高。数据吞吐率高达500 kS/s，电压输入范围为－10～+10 V，内部参考电压稳定，满足测量过程中实时性强、精度要求高的特点。

2407A的工作频率最高可以达到40 MHz，满足A/D转换以及信号处理的速率要求;采用一个16×16位的硬件乘法器，可在单个机器周期内产生一个32位的有符号或无符号数［7］，大大提高了数字信号处理算法的执行效率。片内含有高达32 kB的存储器，用于存储系统程序;搭载了2 kB的扩展EEPROM，用于存储如总流量值、报警阈值等重要信息，即使突然掉电，信息也不会丢失。多达41个可以复用的I/O接口，能够实现所有外设的命令控制与数据输入输出。自带的串行通信接口及2个能够产生脉冲输出的事件管理器模块，方便了测量结果的通信和传输。

1.3 人机接口模块

人机接口模块包含HB12864液晶输出显示及4个按键输入，分别提供测量结果的实时显示及按键控制。

HB12864硬件接口采用REQ/BUSY握手通信协议，简单可靠。其通过I/O接口直接与2407A相连，典型工作电压为3.3 V，这与2407A接口电压吻合。液晶屏采用LED背光显示，具有显示效果好、功耗低的特点。

4个按键输入可以对测量结果的显示进行控制。这4个按键分别对应复位、切换、递增、确认功能，便于进行参数设置及显示配置。

1.4 信号输出模块

信号输出模块包含串行通信电路、脉冲输出电路以及4～20 mA模拟信号输出电路。该模块提供涡街流量计与上位机、二次仪表之间的接口，在经过光耦隔离后，输出测量结果。

串行通信电路以MAX487E芯片为核心，通过光耦隔离及2407A的读写控制和数据交互，实现RS-485串行数据通信，便于参数的远传。

在脉冲输出电路中，2407A根据测量结果，将信号转换成一个方波脉冲，通过光耦隔离，将脉冲波形输出。由于系统内部时钟可能存在误差，因此可以通过内部定时器比较输出，实现脉冲波形的动态补偿。

模拟信号输出电路由2407A将测量结果转换成占空比不同的方波，并通过光耦隔离和放大电路，输出4～20 mA模拟信号。只要在输出端加上电压并串联功率电阻，即可通过测量电阻上的电压，间接计算出测量结果。

2 信号处理算法及软件实现

2.1 快速小波的Mallat算法

从所有传感器中获取的涡街流量信号都会含有动态噪声、机械振动及电气干扰。为提高信噪比，涡街信号的频率成分往往经过带通滤波器进行处理。一直以来，消除接近涡街信号频率范围的噪声信号是一个充满挑战的课题［8－9］。

由于涡街信号的频率范围较大，因此在测量过程中，需要设计一种在高频和低频区段具有不同频率分辨率的算法。为减少频率计算误差、提高频率测量精度，本文所设计的系统选用Mallat塔式算法，即基于多分辨率理论的快速小波变换算法，实现涡街信号的高精度实时处理。

根据多分辨率理论［10－11］，小波快速分解和重构的基本思想如下:通过采样得到一个离散序列fk，并将其设为小波分解初值。对该初值，分别用涵盖高频部分的高通滤波器和一个低通滤波器进行滤波。其中{hk}k∈Z是多分辨率分析的尺度系数，可以视为小波低通滤波器;{gk}k∈Z是多分辨率分析的小波系数，可以视为小波高通滤波器;滤波器系数关系为 gk=(－1)kh1－k，k∈Z。

假设对小波分解初值进行M(0≤M≤N)层分解，则分解过程中各算式如下［12］。

式中:fk为原始信号离散采样序列;N为信号分解水平;M为分解层数;为j层低频系数;dj为j层高频系数;hn为低频分解序列;gn为高频分解序列。

由式(1)～式(4)可知，Mallat算法将原始信号进行逐级高频、低频分解，分解后得到的快速分解流程如图3所示。

图3 快速小波分解图Fig.3 Fast speed wavelet decomposition

分解完毕后，得到一个低频分量和M个高频分量，接着对每一层高频系数选择合适的阈值进行量化处理。一般使用软阈值(ST)的方法进行量化处理:

分解并完成阈值量化之后，再进行重构即可完成去噪过程。重构过程是分解过程的逆运算，路径完全相反。

重构方法如下:

通过滤波器的共轭逆运算实现信号采样，并完成信号重构，最终获得频率可测的去噪信号。

2.2 算法软件实现

2407A自带硬件乘法器和累加器，可以通过软件编程快速执行大量乘法和加法运算，实现Mallat算法。整个模块分为信号的小波分解模块、阈值去噪子模块以及小波重构模块3个子模块。整个模块采用C语言进行编译。

在分解运算过程中，数据点数逐级减少。为了不影响数据精度，需要对序列进行周期延拓，以保证每一级进行运算的数据点数相同。因此，在程序设计中使用了循环寻址的方法，即当读取某一级的系数序列进行运算并遍历所有系数时，将自动回到起始地址。为提高系统实时性，在高频分解时对系数进行基2抽取，可以大大提高运算效率，也能保证较好的信号完整性。逐点计算的低频分解和基2抽取的高频分解分别作为一个子程序，在每一级分解中各调用一次，并将低频分解所得的系数序列作为下一级分解的输入，并再次调用两个子程序，以此类推，最终得到一个低频系数序列和M个高频系数序列。

每一层分解得到的高频系数序列将根据对应的阈值，分别调用阈值去噪子模块进行去噪量化处理。经过该模块处理后的数据成为新的高频系数序列。

将经过去噪处理的系数序列送入小波重构模块。重构是分解的逆运算，根据算法逐级进行与分解过程互逆的上采样，最终计算得到可用于频率测量的去噪信号序列f'k。