[导读] 给出了一种基于频谱分析信号处理的涡街流量计的设计，分析了采用频谱分析信号处理与带通滤波相结合的去噪方法。硬件上分析了核心控制器件MSP430F5438、压电传感器信号的放大与低通滤波、多通道的可选带通滤波器、程控放大及峰值检测模块、信号的整形输入，软件上分析了频率估算、FFT算法实现、峰值检测与放大、带通选择、频率计数，最后，在气体标准装置上进行了检定验证。结果表明，该流量计采用频谱分析信号处理和带通滤波，大大提高了液体流量测量的精度和抗干扰性。
0 引言
涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡性流量计，漩涡频率信号容易受到流体流动、旋涡分离、机械振动、信号衰落或间歇、电磁干扰等各种噪声影响，并且现场条件的不同，噪声的频率、幅值及变化规律也会随之而变[1]。
为了解决涡街流量计的干扰问题和提高精度，采用频谱分析信号处理与脉冲计数相结合的方法，从软、硬件两方面来考虑，并在钟罩式气体检定装置上得到了验证[2-3]。
1 硬件设计
系统硬件设计时必须综合考虑低功耗和频谱分析的性能要求。采用总线供电，支持HART通信，智能流量计表头的工作电流从4～20mA的总线上截取，系统工作电流必须小于3.5mA。所选的单片机要实现FFT、功率谱的估计，这需要大量的数据运算，所以单片机要满足几个基本要求：a）要具有一定的储存空间，以用于存储大量的运算数据；b）要有较高的时钟频率，以提高运算的实时性；c）含有硬件乘法器，以提高运算速度。
综合考虑，单片机选择MSP430F5438，主要因为它具有以下优点：a）功耗较低。超低功耗低至：0.1μARAM保持模式、2.5μA实时时钟模式、165μA/MIPS工作模式、在5μs之内快速从待机模式唤醒。b）相对较高的时钟频率。在1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS。c）储存空间大。闪存高达256KB、RAM高达16KB。d）丰富的外围设备。DMA、硬件乘法器、RTC、USCI、12位DAC等，使单片机的性能更有所提升，满足系统的需求。
该流量计硬件上主要由MSP430F5438单片机、电荷放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、多路选择开关、峰值检测电路、脉冲整形电路、温压补偿模块等组成，硬件总体框图如图1所示。
图1 系统硬件框图
硬件上信号处理模块主要包括以下几个部分：
（1）压电传感器信号的放大、低通滤波
压电传感器可等效为一个与电容器并联的电荷源，其输出为低幅值的小信号，采用一种三运放差分电荷放大器将其转换为电压信号。在电荷放大器后加上一个可控的程控放大器，根据流量信号的大小自动调节放大系数，从而提高AD转换的精度。这里采用AD5160BRJ数字电位器，其串行控制接口与MSP430的SPI接口相连。程控放大器的放大比例由峰值检测出来的信号幅度与当前的放大系数确定，然后在程控放大器的后级进行低通滤波，滤去涡街信号中的高频噪音。
（2）多通道的可选择带通滤波
带通滤波器采用高通滤波器与低通滤波器串联的方式构成，与多路选择开关一起就构成涡街信号的滤波环节。采用8路选择器，将信号频率分成8个频段，每个频段之间有叠加，保证信号的无缝连接。多路选择开关采用MC74VHC4051ADR2，由ABC三位组成的二进制数进行选择。
（3）峰值检测
为了保证信号不产生误触发和不触发的情况，必须将信号的幅值控制在一定的范围内。因此需要对带通滤波后的信号幅值进行检测。
峰值检测电路由两级运算放大器、限流电阻、二极管、MOSFET和充电电容构成。
（4）信号的整形输入
为了实现单片机对交变的涡街信号进行频率计算，要将滤波后的信号转换成等同频率的脉冲信号。采用滞回比较器电路可以方便简单的把涡街正弦信号整形为矩形脉冲波形。出于低功耗的考虑，选择TI公司的TLV3491。门限电压分别为1.088V和1.3585V，滞回电压为0.27V。
此外，硬件设计上还有其它电路模块，包括电源及HART模块、人机交互模块等等，在此不做详细分析。
2 软件设计
系统软件由以下模块组成：主程序、定时中断模块、初始化模块、频率估算模块、峰值检测模块、程控放大调整模块、带通滤波器选择模块，脉冲频率计算模块，流量计算模块、人机接口模块及HART通信模块。
系统采用模块化的运行方式，利用定时器B产生中断，在中断中设置各模块的标志位，程序循环运行时，如果该模块的标志位置1，则运行该模块程序。定时器B产生系统基准时间，每0.1s产生一次中断。
2.1 涡街频率估算
数据采样和基于FFT的频谱分析如下：
系统使用A0模拟通道，作为涡街信号的采样通道，采用2.5V的参考电压。程序中设置两个数组分别存放FFT运算中的实部和虚部，采样得到的数据由DMA直接存放在两个数组中，因为采用的是单级性运放，所以信号要被偏置提高1.235V，使数据在0V以上，数据处理前要减去2047（1.235V），然后定标到13位。值得注意的是，采样数据量的大小与单片机RAM的大小相关，根据RAM的16KB大小，选择采样的数据为512个。
为提高FFT的运算速度，FFT算法用汇编语言编写。采样数据都是实数序列，所以采用实数运算和原位计算去完成蝶形运算，旋转因子采用了预先计算的方法，将计算好的正弦值、余弦值放在表中，使用时直接查用。正余弦值在（-1～1）之间，储存的时候可先扩大14倍，待做乘法运算后整体左移，再取高16位。程序采用了13位的数据定标，在每次蝶形运算后，需要进行判断是否超过8192，超出后，对整级数据进行向右移2位。FFT算法实现流程图如图2所示。
图2 FFT算法实现流程图
根据涡街信号最大的原则，对N个点的功率谱进行排序，找出功率谱最大的点，由于采用了FFT运算使数据的排列顺序发生了改变，倒序后为n，由式（1）即可求出涡街频率f。然后根据估算频率，选择最合适的带通滤波器。
（1）
式中：n为功率谱最大的点，Fs为采样频率。
在通常情况下，所分析的频谱在采样的两条谱线中间，没有对正主瓣中心，可以通过主瓣内的谱线来求取主瓣中心的坐标，从而求得比较准确的频率值。由于FFT计算信号频谱的时候，采用的是矩形窗进行截断，所以采用重心校正法的矩形窗修正公式。
FFT的速度要受到数据点的个数、时钟频率的影响。FFT的模块的执行时间从（0.1-0.6）s延迟为（0.1-0.9）s，同时通过减少峰值检测的次数，来压缩其相应模块的时间，来保证在2s的周期中可以运行完整个模块。
2.2 峰值检测及程控放大
由多次检测的峰值求平均值，得到涡街信号的幅值，根据幅值的大小来调整数字电位器的电阻值，从而实现程控放大器放大倍数的调整。这样处理保证小幅值的涡街信号也能被整形器触发。
在程序运行时只有通过不断的充放电才能准确的测量信号的幅值，测量的频率必须与信号的频率相对应，信号频率低时，充放电的频率也要降低，信号频率高时，充放电的频率也可以相应的加快。
2.3 带通选择
由于液体（0～500Hz）、气体（0～2300Hz）的频率不同，带通滤波器的频段设置也不同。其频段为液体（（0，16），（10，42），（35，82），（65，141），（77，213），（101，274），（138，388），（226，642）），气体为（（0，44），（35，88），（73，196），（179，376），（348，798），（735，1074），（1025，1824），（1687，2500））。为了防止当信号处于通道边缘，由频率波动而造成的频率切换通道的问题，使通道在设置上存有一定宽度的重叠，通过软件也减少切换的次数。
2.4 频率计数
对频率的计数采用的是多周期等精度测量。设定定时器TA为涡街信号脉冲计数器，设置定时器TB为填充脉冲计数器，让TA的PWM模块定时发触发捕获信号，TA和TB根据相邻的两次触发捕获信号之间的时间间隔，分别捕获涡街信号脉冲的个数和填充脉冲的个数，根据TA和TB捕获得到脉冲数以及TB的工作时钟频率计算出涡街信号的频率。
涡街信号频率：
（2）
Nx为定时器A捕获的涡街脉冲的个数；Ns为填充脉冲定时器B计数的个数；TBf为定时器B脉冲的个数。
3 测试结果
将涡街流量计安装在耐德流量实验室的管道上，管道直经为50mm，采用钟罩式气体标准装置进行检定。依据《JJG1029-2007涡街流量计检定规程》在量程流量范围内分段检测各流量点，其中一台实验结果如表1，测试得瞬时流量的线性度为0.97%，最大示值误差为0.595%。
表1 50mm口径涡街流量计的气体流量标定实验结果
4 结束语
本文给出了一种基于频谱分析信号处理的涡街流量计的设计，结合软、硬件，选用MSP430F5438作为核心控制器件，硬件上主要分析了压电传感器信号的程控放大与低通滤波、多通道的可选择带通滤波、峰值检测、信号的整形输入，软件上分析了频率估算、峰值检测与放大、带通选择、频率计数，最后，在柴油标准装置上进行了检定验证。结果表明，该流量计设计采用基于FFT的频谱分析和带通滤波，大大提高了液体流量测量精度和抗干扰性。