低功耗智能涡街流量变送器的设计与研制
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摘要
作为测量精度较高、压力损失较小的新型流量仪表,涡街流量计已广泛应用于液体、气体和蒸汽的流量测量。近年来对涡街流量计的研究显示,信号频率越高,强度越大,噪声越小,而低频段的信号,噪声干扰较为严重,所以对信号低频段的分析是重要的。而在实际应用中仪表将长期工作在无外界电源的环境下,所以对功耗要求比较高。本论文从这两方面着手,设计了一款低功耗智能涡街流量计。
软件算法采用变采样点数的FFT算法,由于单片机计算FFT耗时较多,故对于不同频率的信号作不同点数的FFT运算,以达到精度和实时性的较好结合。所以针对涡街流量信号的特点,在测定的频率范围内采用变换采样点数的FFT运算,并由实时测定和计算出的频率区域确定下次的采样点数。通过数据验证和误差分析,证明了变换采样点数的FFT运算可行,加强了流量计的抑制噪声能力,同时最大限度满足了实时性的要求,从而增加了流量计的性价比。
功耗是仪表设计的重要参数,论文采用TI公司生产的超低功耗的16位单片机MSP430F149作为主控制器,单片机对各传感器(涡街传感器、温度传感器、压力传感器)的信号进行采集、分析、计算,并进行补偿。硬件中各部分均采用低功耗设计,各模块的芯片均选用功耗最低的。并且采用EEPROM和日历时钟芯片,将日历时钟和流体的流量结合在一起,便于流量数据的查询。流量计运算结果存入EEPROM,并通过串口输出,也可选择通过液晶显示。
The vortex flowmeter has been widely applied in the liquid, gas and steam flow measurement because of high measuring accuracy and small pressure loss. Recently the research for vortex flowmeter demonstrated that if the signal's frequency is higher, the intensity is larger and noise is less, but the noise disturbance is very serious of the low frequency band's signal, so the analysis of the low frequency band's signal is important. As the flowmeter works chronically under the non-power condition, the size of power is an important parameter. This paper introduced a design of low-power intelligent vortex flowmeter in above two aspects.
In software algorithm, the sampling points for FFT calculation could be changed. Because FFT caculation of MCU is time-consuming, different points FFT operation was made regard to different frequency's signal. This algorithm make the flowmeter reached the requirements of the precision and the real-time. So for the characteristic of the vortex signal, the FFT calculated with selected sampling points within the measured frequency ranges, then determined the next sampling points on the result. The arithmetic is feasible by the error analyzing and data validating. And this technique imprvoe the flowmeter's capability of noise suppress and match real-time request. Thereby it is a high cost-performance.
The size of power is an important parameter. 16 bit MCU MSP430F149 producted by TI was used as main-controller in this design. The MCU had carried on the sampling, analysis, culculation to the signals of various sensors, then made compensation for them. Low-power design was applied in hardware parts. EEPROM and real-time chip was choosed in this design, which combined with the flow of liquid,and this design will make inquiring the flow data conveniently. The results of caculation is stored in EEPROM, and it also can be outputted through serial port and display on the LCD if necessary.
软件算法采用变采样点数的FFT算法,由于单片机计算FFT耗时较多,故对于不同频率的信号作不同点数的FFT运算,以达到精度和实时性的较好结合。所以针对涡街流量信号的特点,在测定的频率范围内采用变换采样点数的FFT运算,并由实时测定和计算出的频率区域确定下次的采样点数。通过数据验证和误差分析,证明了变换采样点数的FFT运算可行,加强了流量计的抑制噪声能力,同时最大限度满足了实时性的要求,从而增加了流量计的性价比。
功耗是仪表设计的重要参数,论文采用TI公司生产的超低功耗的16位单片机MSP430F149作为主控制器,单片机对各传感器(涡街传感器、温度传感器、压力传感器)的信号进行采集、分析、计算,并进行补偿。硬件中各部分均采用低功耗设计,各模块的芯片均选用功耗最低的。并且采用EEPROM和日历时钟芯片,将日历时钟和流体的流量结合在一起,便于流量数据的查询。流量计运算结果存入EEPROM,并通过串口输出,也可选择通过液晶显示。
The vortex flowmeter has been widely applied in the liquid, gas and steam flow measurement because of high measuring accuracy and small pressure loss. Recently the research for vortex flowmeter demonstrated that if the signal's frequency is higher, the intensity is larger and noise is less, but the noise disturbance is very serious of the low frequency band's signal, so the analysis of the low frequency band's signal is important. As the flowmeter works chronically under the non-power condition, the size of power is an important parameter. This paper introduced a design of low-power intelligent vortex flowmeter in above two aspects.
In software algorithm, the sampling points for FFT calculation could be changed. Because FFT caculation of MCU is time-consuming, different points FFT operation was made regard to different frequency's signal. This algorithm make the flowmeter reached the requirements of the precision and the real-time. So for the characteristic of the vortex signal, the FFT calculated with selected sampling points within the measured frequency ranges, then determined the next sampling points on the result. The arithmetic is feasible by the error analyzing and data validating. And this technique imprvoe the flowmeter's capability of noise suppress and match real-time request. Thereby it is a high cost-performance.
The size of power is an important parameter. 16 bit MCU MSP430F149 producted by TI was used as main-controller in this design. The MCU had carried on the sampling, analysis, culculation to the signals of various sensors, then made compensation for them. Low-power design was applied in hardware parts. EEPROM and real-time chip was choosed in this design, which combined with the flow of liquid,and this design will make inquiring the flow data conveniently. The results of caculation is stored in EEPROM, and it also can be outputted through serial port and display on the LCD if necessary.
引文
[1]徐科军,陈荣保,张崇巍.自动检测和仪表中的共性技术,清华大学出版社,2000
[2]徐科军.基于DSP的涡街流量计和科氏质量流量计二次仪表.石油工业技术监督,2001,17(7):1-3
[3]刘晖.基于HART协议的智能涡街流量计的开发.矿业研究与开发,2000,20(3):37-39.
[4]梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表.北京:机械工业出版社,2002
[5]李劲松.具有预测控制算法的水槽控制系统.合肥:合肥工业大学硕士论文,2002.
[6]郁新,张国仁.LUGB系列涡街流量变送器的检测放大器.基础自动化,2000,7(3):42-44.
[7]莫德举,朱大雷,吴天文.多变量涡街变送器的研究.测控技术,2001,20(11):18-21
[8]马云峰,王成端,唐述宏,陈子夫.二种铂电阻4～20mA电流变送器电路.传感器技术,2000,19(1):39-43.
[9]李立平,莫德举.两线制一体化多变量涡街变送器的设计.北京化工大学学报,2001,28(4):73-74.
[10]徐科军.涡街流量计输出信号谱分析方法比较.合肥工业大学学报,1994,17(2):6-11.
[11]徐科军,汪安民.涡街流量计信号估计的自适应陷波方法.仪器仪表学报,2000,21(2):206-207.
[12]胡俭波,宋开臣.一种高性能超低功耗流量计设计.工业控制计算机,2002,15(1):57-61.
[13]王铁山.应力式涡街流量计检测方法.石油化工自动化,2001(1):70-73.
[14]韩丽,王式民,归柯庭.智能化涡街流量计测量系统.石油工业技术监督,2001,17(7).
[15]郑建英,孙坚,朱云.智能涡街流量计的研制.现代计量测试,1999(4):35-38.
[16]张桦.智能型差动电容式涡街流量计的设计.自动化与仪器仪表,2000(6):17-19.
[17]黄云志,徐科军,苏建徽,陈荣保.智能仪表键盘监控的设计与实现.合肥工业大学学报,2001,24(5):872-875.
[18]黄石红,陈勇,高伟.基于单片微处理器的应用系统的低功耗设计技术.工业控制计算机,2001,14(12):62-63.
[19]伍卫国,钱德沛.电子系统设计的低功耗技术.计算机工程,1999,25(12):46-48.
[20]张家田.单片机应用系统的低功耗设计.现代电子技术,2001(9):23-25.
[21]李月香,袁涛,木合塔尔.单片机低功耗技术及应用.电子技术应用,2001(12):17-19.
[22]滕召胜.便携式智能仪器通用低功耗单片机系统设计.计算机工程与应用,2000(4):83-85.
[23]胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发.北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[24]胡大可,季燕飞.应用MSP430微控制器时需注意的问题.电子产品世界,2000(3):63.
[25]陈详荣,居滋培,戴发园,沈国彦.基于HART通信的涡街流量计的智能软件设计.上海理工大学学报,2000,22(3):259-264.
[26]张鑫,杨文波,元红妍.嵌入式单片机应用系统的低功耗技术.烟台大学学报,2002,15(4):299-302.
[27]王超,姜印平,张涛.高精度智能涡街流量变送器的研究.仪器仪表学报,2000,21(4):357-359.
[28]徐科军,汪安民,吕迅,陈荣保,苏建徽.基于自适应陷波的涡街流量计信号处理系统.计量学报,2000,21(3):199-204.
[29]陈大钦.模拟电子技术基础.武汉:武汉理工大学出版社,2001.
[30]许华杰,明健.用MSP430实现斜率A/D转换.电子产品世界,2001(7):26-28.
[31]陈海波,陈立功,倪纯珍,耿明.用MSP430实现LCD人机界面系统.电子产品世界,2001(11):13-15.
[32]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例.北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[33]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用.北京:北京航空航天大学出版社,2001.
[34]殷岳良.涡街流量计仪表常数的温度校正.自动化仪表,2002,23(2):40-41.
[35]张涛,王超,李刚.具有仪表系数非线性补偿功能的涡街流量变送器.化工自动化及仪表,1999,26(4):46-48.
[36]闫芳,王良.带温压补偿的涡街传感器.工业计量,2001(4):41.
[37]Calzolai,Macro;Capineri,Lorenzo;Fort,Ada;Masotti,Leonardo;Rocchi,Santina;Scabia,Marco,3-D PW ultrasonic Doppler flowmeter;Theory and experimental characterization,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control v 46 n 1 Jan 1999.p 108-133.
[38]Kraft,Amy Green,Roger,Software-gated pulse-Doppler ultrasound for a DSP-based blood flower,ICASSP,IEEE International Conference on Acoustics,Speech and Signal Processing-Proceedings v 6 2000.IEEE,Piscataway,NJ,USA,00CB37100.p 3598-3601.
[39]沈福民.自适应信号处理.陕西:西安电子科技大学出版社,2000.
[40]刘焕成,刘智勇,尹征琦,林森.基于HART协议的智能变送器设计.单片机与嵌入式系统应用,2001,(6):15-20.
[41]肖宛昂.嵌入式系统中FFT算法研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2003,(04).
[42]季虎,夏胜平,郁文贤.快速傅立叶变换算法概述[J].现代电子技术,2001,(08).
[43]高丽,刘卫新,张学智.FFT标准整序算法的优化[J].探测与控制学报,2004,(02).
[44]肖柏军,曹宏宇.FFT变换及其C++实现[J].山西建筑,2004,(08).
[45]陈良刚,张波,丘东元,谢锐凯.嵌入式谐波检测系统数据采集与实时处理的协调优化方案[J].电网技术,2007,(17).
[46]邢景富,张广洁.智能化仪器的设计[J].中国科技信息,2005,(22).
[47]王福珉.涡街流量计的应用现状[J].工业计量,2000,(S1).
[48]孙志强,张宏建.涡街流量计信号能量的功率谱式表征与应用[J].传感技术学报,2007,(8).
[49]王跃军,宋同伟.涡街流量计在综合水计量中的应用[J].工业计量,2005,(02).
[50]黄咏梅.基于差压原理的涡街质量流量测量方法研究[D].浙江大学,2005.
[51]孙志强.基于差压原理的涡街流量计旋涡频率检测方法的数值仿真及实验研究[D]中南大学,2000.
[52]王立臣.涡街流量计的二次仪表设计[J].国外电子元器件,2006,(02).
[53]兰向东.涡街流量计应用关键环节的控制[J].炼油与化工,2006,(02).
[54]黄云志,徐科军.基于小波滤波器组的涡街流量计信号处理方法[J].计量学报,2006,(02).
[55]贾云飞,张涛.涡街流量计中电荷放大电路的研究与设计[A].天津市自动化学会第十四届学术年会论文集[C],2005.
[56]欧学伟,毕文春.涡街流量计及其应用[J].基础自动化,2001,(03).
[57]徐科军,陈智渊.一种涡街流量计数字信号处理方法研究和系统设计[J].电子测量与仪器学报,2005,(04).
[58]赵晖,刘伟.关于涡街流量计在蒸汽测量中的讨论[J].化工自动化及仪表,2005,(06).
[59]蒋中荣.单片机在涡街流量计测量系统的开发应用[J].机电产品开发与创新,2005,(02).
[60]胡凤忠.基于FF协议的智能涡街流量计设计[J].中国仪器仪表,2005,(12).
[61]潘岚,宋开臣,徐国梁.高抗干扰性能涡街流量计传感器的研究[J].中国计量学院学报,2005,(04).
[62]陈培,卢嘉,郑永辉,李东.涡街流量计的选型[J].石油化工自动化,2005,(04).
[63]王翥,佟晓筠,陈晓娟.提高涡街流量计精度的一种补偿算法及实现[J].化工自动化及仪表,2005,(03).
[64]谢立平,朴兴哲.基于MSP430型单片机的智能涡街流量计转换电路的设计[J].石油化工高等学校学报,2004,(02).
[65]王文华.智能涡街流量计[J].仪器仪表标准化与计量,2004,(02).
[66]钟斌,马莉丽.基于PIC单片机的智能涡街流量计的设计[J].计量技术,2004,(07).
[67]郝祖龙,常太华,田亮,郝雷.涡街流量计数字信号处理方法分析与比较[J].现代电力,2005,(02).
[68]王谊.基于网络通信的低功耗涡街流量计[D].合肥工业大学,2004.
[2]徐科军.基于DSP的涡街流量计和科氏质量流量计二次仪表.石油工业技术监督,2001,17(7):1-3
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[4]梁国伟,蔡武昌.流量测量技术及仪表.北京:机械工业出版社,2002
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[54]黄云志,徐科军.基于小波滤波器组的涡街流量计信号处理方法[J].计量学报,2006,(02).
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[56]欧学伟,毕文春.涡街流量计及其应用[J].基础自动化,2001,(03).
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[66]钟斌,马莉丽.基于PIC单片机的智能涡街流量计的设计[J].计量技术,2004,(07).
[67]郝祖龙,常太华,田亮,郝雷.涡街流量计数字信号处理方法分析与比较[J].现代电力,2005,(02).
[68]王谊.基于网络通信的低功耗涡街流量计[D].合肥工业大学,2004.