一种电池供电的数字涡街／旋进旋涡流量计制造技术

一种电池供电的数字涡街／旋进旋涡流量计，包括压电传感器、单运放差动电荷放大器、电压放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、整形电路、单片机、人机接口电路、两级电压转换电路、可控恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和１６位模数转换器。系统的电源设计为两级转换。采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换，实现周期图谱分析，确定涡街／旋进旋涡信号的频率值；设计一组硬件带通滤波器，根据频谱分析结果来选择具体的带通滤波器，进行最佳滤波；未选通的带通滤波器中的运算放大器处于未使能状态。温度和压力补偿，设置为间歇采样模式。在采样的间隙，利用单刀双掷开关切断恒流源的上位端电压供给。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流量检测领域，为一种低功耗数字涡街/旋进旋涡流量计，特别是一 种以单片机(MCU)为核心、周期图谱分析与硬件带通滤波器组相结合的采用电池供电的涡 街/旋进旋涡流量计信号处理系统。
技术介绍
中国专利技术专利公布了一种改进的低功耗两线制涡街流量计(徐科军，刘三山，刘 家祥，罗清林，朱志海.改进的低功耗两线制涡街流量计，申请专利技术专利，200810246107. 9， 申请日2008.12.22.)。这种改进后的低功耗两线制涡街流量计，包括压电传感器、差分电 荷放大器、电压放大器、程控放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开 关电路、峰值检测电路、整形电路、单片机、人机接口电路、4 20mA输出与电源管理电路、 恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器、16位模数转换器。采用少点数FFT频谱分析 与模拟带通滤波器组相结合的方式处理涡街传感器信号，采用多周期等精度的频率测量方 法，具备温度和压力补偿电路和功能，输出4 20mA直流电流、两线制工作。改进后的低功 耗两线制涡街流量计量程比、测量精度和抗干扰能力均大幅度提高。这种低功耗两线制涡 街流量计是用14V-36V直流电压供电工作的，但是，在有些应用现场没有外部电源供电或 者用导线引电源费用比较高，这时就需要用由电池供电的涡街流量计。与涡街流量计测量 原理相近的旋进旋涡流量计，也是采用压电传感器输出与流量成比例的频率信号，通常用 来测量气体流量，也常常采用电池供电方式。对于电池供电的涡街/旋进旋涡流量计，不要 求具备4-20mA电流输出，对测量精度的要求也比普通供电方式的稍低，要求显示瞬时和累 积流量，并进行温度和压力补偿，要求用一节3. 6V、6. 5安 时的电池能够连续工作一年半 以上。为了实现电池供电能够工作一年半，目前此类流量计均是采用经常休眠的方式，具体 地讲，流量计不是每时每刻计流量产生的脉冲，而是间隔一段时间后，计一段时间的脉冲， 再间隔一段时间后，再计一段时间的脉冲，……。即用某一很短时间段内的瞬时流量作为 一长时间段的平均流量。这样，当流量变化比较大时，就会产生很大的测量误差。同时，目 前此类流量计均是使用的放大、滤波、整形和脉冲计数的处理方式，存在量程比小、抗现场 振动干扰能力差的缺陷。
技术实现思路
针对目前电池供电涡街/旋进旋涡流量计的缺陷，本专利技术专利根据对电池供电涡 街/旋进旋涡流量计的精度和量程比的要求，在已经申请专利的基础上，进一步改进电路 与算法(l)根据实际涡街信号频率选择带通滤波器组的某路通道后，其余七个通道不再 进行滤波；(2)考虑在某些应用场合，温度和压力变化比较缓慢，利用间歇采样模式取代实 时采样模式，并且设计回路通断可控的恒流源，以降低系统的功耗；(3)针对于低功耗两线 制工作模式设计的电路，进一步降低电流消耗。 本专利技术的优点是周期图谱与模拟带通滤波器组相结合，对流量传感器进行最佳4滤波，实现准确的脉冲计数；始终对流量脉冲进行计数，即便流量发生较大变化时，也能保 证较好的测量精度；采用一节3. 6伏、6. 5安 时的电池供电，这种低功耗、数字涡街/旋进 旋涡流量计至少可以工作一年半时间。附图说明 图l是系统硬件框图。 图2是单运放差动电荷放大器电路原理图。 图3是电荷放大器输出信号调理电路原理图。 图4是分压跟随电路原理图。 图5是偏置电路原理图。 图6是带通滤波器组1电路原理图。 图7是带通滤波器组2电路原理图。 图8是滤波器选择与脉冲整形电路图。 图9是DC/DC的选通电路图。 图10是数字2. 7V电压转换电路图。 图11是模拟2. 5V电压转换电路图。 图12是掉电保护电路图。 图13是脉冲输出电路图。 图14是可控恒流源、温度传感器和压力传感器接口电路图。 图15是压力传感器差分放大电路图。 图16是16位模数转换器电路图。 图17是单片机电路图。 图18是键盘输入电路图。 图19是LCD显示模块接线示意图。 图20是外部看门狗电路图。 图21是外扩FRAM电路图。 图22是系统软件框图。 图23是系统主监控程序流程图。 图24是系统脉冲捕获原理框图。 图25是系统频率估算流程图。 图26是系统滤波器通道选择流程图。 图27是系统流量计算流程图。 图28是系统键盘扫描流程图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。 本专利技术的设计思想是采用数字频谱分析结合带通滤波器的方法，提高了仪表的 抗干扰能力、测量精度和量程比，并且通过温度和压力补偿，扩展了仪表的适用范围。然而， 按照电池供电的要求，系列要能工作一年半。若采用一节3.6伏、6.5安，时的电池供电，系统消耗的平均电流必须低于500uA，这远远小于单片机完全运行及信号调理和补偿电路的 电流消耗。所以，采用了以下有效措施来降低系统的功耗(l)根据电池实际电压及单片机 的工作状态，实现第一级电压转换中降压型直流-直流变换器(DC/DC)与低压差线性稳压 电源(LDO)的实时切换；为了降低模拟部分功耗，利用LDO实现第二级电压转换，进一步降 低模拟部分的供电电压。(2)采用低功耗单片机进行少点数快速傅立叶变换(FFT)，实现周 期图谱分析，确定涡街信号的频率值；设计一组硬件带通滤波器，其通带覆盖涡街/旋进旋 涡信号的频带，根据频谱分析结果来选择具体的带通滤波器，进行最佳滤波；未选通的带通 滤波器中的运算放大器处于未使能状态，降低系统的功耗。(3)温度和压力补偿，设置为间 歇采样模式。在采样的间隙，利用单刀双掷开关(SPDT)切断恒流源的上位端电压供给，降 低系统的功耗。 本专利技术系统的总体结构如图1所示。本专利技术系统由压电传感器、单运放差动电荷 放大器、电压放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、整形电 路、单片机、人机接口电路、两级电压转换电路、可控恒流源、温度传感器、压力传感器、差分 放大器、16位模数转换器(ADC)。 本专利技术系统的工作过程为从压电传感器输出的微弱电荷信号，首先经过电荷放 大器将其转变为电压信号，由于幅值非常小，所以，在经过一级无源低通滤波后，又经过一 级限幅电压放大器。放大后的信号经过低通滤波器，滤除信号中的高频干扰，然后由电压跟 随器(缓冲器)输出2路信号。第1路信号经过分压、跟随电路后，被单片机自带的ADC采 样和转换，变成数字量。单片机对信号进行少点数的FFT，做周期图谱分析，得到信号的频 率值，来选择带通滤波器组的通道，使能相应通道的运算放大器。第2路信号送至带通滤波 器组，进行滤波；由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号。把经过带通滤波 器组的输出信号送至由比较器组成的整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时 器输入端，采用捕获方式，利用多周期等精度方法进行频率计数。根据计数结果，单片机将 流量信息显示在LCD上。为了降低系统的平均功耗，单片机设置了休眠模式，在该模式下， 单片机消耗的电流仅为5uA。单片机每完成一次测量，休眠3s。系统的电源设计为两级转 换，在第一级转换过程中，依据降压型DC/DC与LDO在不同情况下转换效率各有优劣，设计 了逻辑判断选择电路。当电源电压高于3.3V或者单片机完全运行时，在系统需求的电流 负载下，降压型DC/DC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池供电的数字涡街／旋进旋涡流量计包括压电传感器、单运放差动电荷放大器、电压放大器、低通滤波器、电压跟随器、带通滤波器组、带通选择开关电路、整形电路、单片机、人机接口电路、两级电压转换电路、可控恒流源、温度传感器、压力传感器、差分放大器和１６位模数转换器；其特征在于：从压电传感器输出的微弱电荷信号，首先经过电荷放大器将其转变为电压信号，在经过一级无源低通滤波后，又经过一级限幅电压放大器；放大后的信号经过低通滤波器，滤除信号中的高频干扰，然后由电压跟随器输出２路信号；第１路信号经过分压、跟随电路后，被单片机自带的模数转换器（ＡＤＣ）采样和转换，变成数字量；单片机对信号进行少点数的快速傅里叶变换（ＦＦＴ），做周期图谱分析，得到信号的频率值，来选择带通滤波器组的通道，使能相应通道的运算放大器；第２路信号送至带通滤波器组，进行滤波；由单片机的频谱分析结果来决定输出某路滤波后的信号；把经过带通滤波器组的输出信号送至由比较器组成的整形电路进行整形，整形后的信号送至单片机的定时器输入端，采用捕获方式，利用多周期等精度方法进行频率计数；根据计数结果，单片机将流量信息显示在液晶显示器（ＬＣＤ）上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，方敏，王沁，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]