本发明专利技术涉及一种基于自适应快速傅里叶变换的涡街流量计。本发明专利技术包括电荷放大器、第一滤波器、程控电压放大器、第二滤波器、程控施密特触发器、偏置电压电路、单片机、LDO电路、复位电路、按键输入、4-20mA输出电路、LCD显示电路。涡街传感器产生的信号接电荷放大器，电荷放大器输出与第一滤波器连接，第一滤波器输出接程控电压放大器，程控电压放大器输出接第二滤波器，第二滤波器输出分两路，其中一路接单片机，另一路接程控施密特触发器，程控施密特触发器接单片机。本发明专利技术能有效地抑制各种噪声，实现小流量高精度的测量，从而扩大了量程比，提高了测量精度和灵敏度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子检测
，主要涉及信号处理电路及数字信号处理技术，为一种应力式压电涡街流量计，特别是一种以单片机(MCU)为核心、基于自适应快速傅里叶变换(FFT)功率谱分析的应力式压电涡街流量计信号处理系统。
技术介绍
基于卡门涡街原理的应力式涡街流量计因其灵敏度高、稳定性好、价格低廉等众多优点，自20世纪70年代末出现以来，发展十分迅速。目前，涡街流量计大多将一次仪表和二次仪表融合为一体，向着一体化、智能化方向发展。但是，当前我国智能涡街流量计普遍存在着低流速时信号无法检测和震动噪声影响较为严重的问题，这使得在量程比和抗震性能上无法取得突破。针对这一问题，国内外许多学者尝试从数字信号处理角度来解决如基于FFT的经典谱分析方法、基于Burg算法的现代谱估计方法、自适应陷波方法、小波分析方法、功率谱分析方法和互相关方法、自适应滤波方法等等。根据涡街信号的特点可知，涡街信号的频率与流体流速成正比、涡街信号的幅度与流体流速平方成正比。当仪表要求达到的量程比很高时，其最大流速与最小流速所产生信号的幅度比为非常大，采用固定放大倍数的放大电路会导致低流速是信号无法测量或高流速时信号顶部和底部的失真，从而造成测量精度的下降。此问题可采用本系统中程控增益放大器解决。另外，在将涡街信号整形成脉冲信号预处理时，通常采用施密特触发器电路实现，但单一的阀值电压无法满足系统软件和硬件变参数的需求。目前，基于快速傅里叶变换功率谱分析的方法以成功应用于本
， 但在整个量程区域最小可分辨频率为固定值，这导致小流量时仪表分辨率低、高流量是分辨率高的问题。根据快速傅里叶变换功率谱分析理论，最小可分辨频率￥ = j-r当谱分析的点数y —定时，要使计算误差〃更小就要降低采样频率χ，但根据奈奎斯特采用定理/3又必须大于待分析信号频率的2倍，因此要想达到更高的精度可以采用变采样频率X的分析法(自适应快速傅里叶变换分析法)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种改进前级模拟信号处理电路、基于ARM Cortex-M3内核的STM32嵌入式处理器、采用自适应快速傅里叶变换分析法的低功耗智能涡街流量计。该流量计能够在低流速大噪声的背景下有效地提取非常微弱的涡街信号，并能自动根据噪声的大小改变施密特触发器的阀值电压、根据涡街信号的幅度改变放大电路的增益、根据涡街信号的频率改变ADC的采样频率，从而能有效地扩展仪表的量程比、提高测量精度。本专利技术采用程控施密特触发器，预检测电路中涡街信号的残余噪声，进而调整阀值电压，使得整形后的脉冲信号更加精确。基于自适应快速傅里叶变换的涡街流量计包括电荷放大器、第一滤波器、程控电压放大器、第二滤波器、程控施密特触发器、偏置电压电路、单片机、LDO电路、复位电路、按键输入、4-20mA输出电路、IXD显示电路。电荷放大器由运放TOA、反馈电阻Rfl、反馈电容 Cfl组成，涡街传感器产生的信号由TOA的反向端(引脚2)输入。第一滤波器和第二滤波器均采用二阶低通滤波器，该二阶低通滤波器由运放U6B、电阻R2、R9、R10、电容Cl、C5组成， 信号由电阻R9的一端输入，滤波后的信号由运放TOB的输出端(引脚7)输出。程控增益放大器由数字电位器U2、运放U5A、U5B,电阻R4、R7组成，信号由数字电位器U2的6脚输入， 放大后的信号由运放U5B的输出端(引脚7)输出。程控施密特触发器由数字电位器U3、比较器U4A、电阻Rl、R5、电容C3组成，信号由数字电位器U3的7脚输入，整形后的脉冲由比较器U4A的输出端(引脚1)输出。偏置电压电路由电压基准U1、电阻R3、R6、R8组成，电阻 R3的一端接3.3V电压，另一端输出偏置电压。4-20mA输出电路由电压电流转换芯片U9、 电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、电容C11、C12、NPN 三极管 Q1、二极管 D2 组成， PWM波信号由电阻R15 —端输入，电流由R18上输出。在测量管道中有流体流动时，在阻流体两侧会交替分离出卡曼涡街，漩涡使得压电传感器产生电荷信号，电荷信号经过电荷放大器转变为电压信号，第一滤波器滤除压电传感器的固有震荡噪声，程控增益放大器可对信号在增益为_20dB 20dB的线性范围内进行调节，第二滤波器滤除其余噪声使得涡街信号更加平滑，一路信号经过程控施密特触发器转换成脉冲信号后送入单片机的定时器进行捕获计频，另一路信号送入单片机的ADC， ADC的采样频率由捕获的频率决定，从而实现变采样率的分析。单片机首先对ADC采用来的数字信号进行幅度计算，由该幅度值控制程控增益放大器的增益；然后对信号进行快速傅里叶变换计算和功率谱分析，得到信号的频率值。根据该频率值和仪表系数可计算出瞬时流量和累计流量，单片机将流量信息通过SPI接口发送到LCD驱动器显示在LCD上，同时将流量信息通过定时器产生的PWM波输入到4-20mA V/I转换电路转换成电流信号输出。单片机软件运行过程的调试信息通过UART接口发送到PC机，同时PC机通过UART接口与流量计连接进行参数设置。本专利技术的有益效果本专利技术能自动根据噪声的大小改变施密特触发器的阀值电压，根据涡街信号的幅度改变放大电路的增益，根据涡街信号的频率改变ADC的采样频率； 主控制器采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32嵌入式处理器，高达70MHz的主频和采用汇编语言实现的FFT算法能在2. 138mS完成1024点的FFT运算；本专利技术能有效地抑制各种噪声，实现小流量高精度的测量，从而扩大了量程比，提高了测量精度和灵敏度。附图说明图1为本专利技术的系统整体框图； 图2为电荷放大器电路原理图3为二阶低通滤波器电路原理图； 图4为程控增益放大器电路原理图； 图5为程控施密特触发器电路原理图； 图6为模拟电路偏置电压电路原理图； 图7为微控制器模块电路原理图；图8为4-20mA输出电路原理图； 图9为本专利技术中的软件框架图； 图10为本专利技术软件主程序流程图； 图11为本专利技术流量计算流程图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术进一步描述。本专利技术的涡街流量计是一种改进前级模拟信号处理电路、基于ARM Cortex-M3内核的STM32嵌入式处理器、采用自适应快速傅里叶变换分析法的低功耗智能涡街流量计。 该流量计能够在低流速大噪声的背景下有效地提取非常微弱的涡街信号，并能自动根据噪声的大小改变施密特触发器的阀值电压、根据涡街信号的幅度改变放大电路的增益、根据涡街信号的频率改变ADC的采样频率，从而能有效地扩展仪表的量程比、提高测量精度。在软件算法上，采用基于自适应FFT的算法能实现高流速与低流速分段等精度的功率谱分析，采用快速排序、去最大值最小值、多次取样求平均等方法提高计算精度，采用循环队列保存采样来的数据和边采样边计算的方法来减少计算的等待时间。本专利技术的系统整体框图如图1所示。本专利技术系统包括电荷放大器、第一滤波器、程控电压放大器、第二滤波器、程控施密特触发器、单片机、LDO电路(电源电路)、复位电路、按键输入、4-20mA输出电路、LCD显示电路。涡街传感器的输出信号线接到电荷放大器的输入接线端子Pl，电荷放大器的输出端(图2运放U6A的第1引脚)接入第一滤波器的输入端 (图3电本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．基于自适应快速傅里叶变换的涡街流量计，包括电荷放大器、第一滤波器、程控电压放大器、第二滤波器、程控施密特触发器、偏置电压电路、单片机、ＬＤＯ电路、复位电路、按键输入、４－２０ｍＡ输出电路和ＬＣＤ显示电路，其特征在于：涡街传感器的输出信号线接到电荷放大器的输入接线端子，电荷放大器的输出端接入第一滤波器的输入端，第一滤波器的输出端接入程控电压放大器的输入端，程控电压放大器的输出端接入第二滤波器的输入端，第二滤波器的输出端分两路：一路接入程控施密特触发器的输入端、另一路接入单片机的ＡＤＣ输入端，程控施密特触发器的输出端接入单片机的定时器捕获输入端，偏置电压电路的输出端接入电荷放大器的电压参考端、第一滤波器和第二滤波器的电压参考端、程控电压放大器的电压参考端、程控施密特触发器的电压参考端，单片机的ＰＷＭ脉冲波形输出接入４～２０ｍＡ输出电路的输入端，ＬＤＯ电路输出端、复位电路输出端、按键输入与单片机连接，单片机与ＬＣＤ显示电路连接；所述的电荷放大器由运放Ｕ６Ａ、反馈电阻Ｒｆ１、反馈电容Ｃｆ１组成，Ｐ１为接线端子，Ｐ１的３脚接地，１、２脚相连并连接运放Ｕ６Ａ的反向输入端，Ｕ６Ａ的正向输入端连接参考电压，Ｕ６Ａ的引脚２通过反馈电阻Ｒｆ１和反馈电容Ｃｆ１与输出端相连；所述的第一滤波器和第二滤波器均采用二阶低通滤波器，该滤波器由运放Ｕ６Ｂ、电阻Ｒ２、Ｒ９、Ｒ１０、电容Ｃ１、Ｃ５组成；信号由电阻Ｒ９的一端输入，电阻Ｒ９的另一端接电容Ｃ５、电阻Ｒ１０、Ｒ２的一端，电容Ｃ５的另一端接地，电阻Ｒ１０的另一端接运放Ｕ６Ｂ的反向输入端，Ｒ２的另一端接运放Ｕ６Ｂ的输出端；运放Ｕ６Ｂ的反向输入端连接电阻Ｒ１０、电容Ｃ１的一端，通过电容Ｃ１连接到输出端，正向输入端连接参考电压；所述的程控电压放大器分为两级，第一级由数字电位器Ｕ２和运放Ｕ５Ａ组成，数字电位器Ｕ２通过单片机的ＳＰＩ接口控制来改变阻值的大小，其增益可在－２０ｄＢ～２０ｄＢ的线性范围内调节；第二级为固定增益放大，由运放Ｕ５Ｂ、电阻Ｒ４、Ｒ７组成，增益为固定值；两级之间使用电容Ｃ２隔离直流电平；数字电位器Ｕ２的引脚１、引脚２、引脚３分别与单片机的引脚１４、引脚１５、引脚１７连接，数字电位器Ｕ２的引脚４接地，引脚５接３．３Ｖ电源，引脚６为信号的输入端，引脚７接运放Ｕ５Ａ的反向输入端，引脚８接运放Ｕ５Ａ的输出端；运放Ｕ５Ａ的正向输入端连接参考电压，电容Ｃ２的一端接第一级的输出端，另一端接第二级的电阻Ｒ７的一端，电阻Ｒ７的另一端连接运放Ｕ５Ｂ的反向输入端，运放Ｕ５Ｂ的反向输入端通过反馈电阻Ｒ４连接到输出端，运放Ｕ５Ｂ的正向输入端连接参考电压，输出信号端连接到单片机的ＡＤＣ接口和程控施密特触发器的输入端；所述的程控施密特触发器由数字电位器Ｕ３、比较器Ｕ４Ａ、电阻Ｒ１、Ｒ５、电容Ｃ３组成；数字电位器Ｕ３的引脚１、引脚２、引脚３分别与单片机的引脚１３、引脚１５、引脚１７连接，数字电位器Ｕ３的引脚４接地，引脚５接３．３Ｖ电源，引脚７为信号的输入端，引脚６接比较器Ｕ４Ａ的反向输入端，引脚８悬空；比较器Ｕ４Ａ的引脚３通过反馈电阻Ｒ１连接输出端，引脚２连接参考电压；Ｕ４Ａ的输出端与电容Ｃ３、电阻Ｒ３的一端连接，电容Ｃ３的另一端接地，电阻Ｒ５的另一端接电源，电容Ｃ３与电阻Ｒ３一起组成一阶低通滤波器可滤除部分毛刺使得整形后的脉冲信号更加平滑；整形后的脉冲信号Ｕ４Ａ的输出端输出，连接单片机的定时器捕获输入端；所述的偏置电压电路由电压基准Ｕ１、电阻Ｒ３、Ｒ６、Ｒ８组成；电阻Ｒ３的一端连接３．３Ｖ电压，另一端连接Ｕ１的引脚３，电阻Ｒ６一端连接Ｕ１的引脚３，另一端连接Ｕ１的引脚４，电阻Ｒ８的一端连接Ｕ１的引脚４，另一端接地，Ｕ１的引脚５接地，引脚１、２悬空；输出的偏置电压由Ｕ１的引脚３输出，分别连接Ｕ６Ａ引脚３，Ｕ６Ｂ引脚５，Ｕ５Ａ引脚３，Ｕ５Ａ引脚５，Ｕ４Ａ引脚２；所述的单片机采用ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核，芯片内部集成１２位的ＡＤＣ，单次采样转换时间１μＳ；单片机Ｕ７通过引脚１３、１４、１５、１７与数字电位器Ｕ２、Ｕ３连接，控制数字电位器的阻值，Ｕ７的引脚１３与Ｕ３的引脚１连接，Ｕ７的引脚１４与Ｕ２的引脚１连接，Ｕ７的引脚１５与Ｕ２、Ｕ３的引脚２连接，Ｕ７的引脚１７与Ｕ２、Ｕ３的引脚３连接；单片机Ｕ７通过引脚１１产生ＰＷＭ波形脉冲信号，连接４～２０ｍＡ电流输出电路的输入端；单片机Ｕ７通过任意三个Ｉ／Ｏ口控制串行ＬＣＤ控制器，通过任意６个Ｉ／Ｏ口连接按键输入和ＬＥＤ指示灯，通过引脚４６、引脚２１连接电平转换芯片进行ＵＡＲＴ通信；所述的４－２０ｍＡ输出电路由电压电流转换芯片Ｕ９、电阻Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７、Ｒ１８、Ｒ１９、电容Ｃ１１、Ｃ１２、ＮＰＮ三极管Ｑ１、二极管Ｄ２组成；ＰＷＭ波信号由电阻Ｒ１５一端输...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：秦会斌，江文斌，邵李焕，郑梁，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：86
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