摘要：基于MSP430F1611單片機，采用數字頻譜分析與模擬帶通濾波器組相結合的方式，研制新型兩線制數字蒸汽流量計，以擴展量程比，保證現場測量精度，并實現低功耗工作，解決目前此類流量計存在的關鍵性技術問題。采用低功耗運放和數字電位器組成程控放大器，以適應蒸汽傳感器輸出信號強度較大范圍的變化；根據少點數FFT計算結果，選擇帶通濾波器組，既滿足蒸汽傳感器信號頻率范圍變化大的需要，又對蒸汽信號進行佳濾波；設計有效的電源管理模塊和電流輸出電路，為儀表兩線制工作提供足夠的電流。
0引言
蒸汽流量計具有測量介質廣泛、無活動部件、壓力損失低、輸出信號頻率與狀態體積流量成正比等優點，獲得較為廣泛的應用。但是，蒸汽流量計的現場測量精度有待改進，量程比有待擴展。為此，國內外有關公司和學者將數字信號處理方法應用于蒸汽信號的處理，有效地保證現了場測量精度和擴展量程比。由于以上的算法都比較復雜，需要進行大量的運算，而儀表有實時性的要求，所以，必須采用DSP（數字信號處理器）才能完成任務。但是，DSP芯片的功耗大，一般工作電流都在100mA以上，不能滿足兩線制儀表4～20mA的要求。而這種兩線制、低功耗的儀表是許多過程工業所需要的。基于DSP的信號處理系統無法滿足這些要求。雖然，國內一些學者采用低功耗單片機開發低功耗、兩線制蒸汽流量計，如：文獻[4]用PIC單片機開發了兩線制蒸汽流量計，文獻[5]用MSP430單片機設計了低功耗蒸汽流量計，但是，他們仍然采用的是常規的信號處理模式，即放大、整形和計數，所以，無法有效地從噪聲中提取蒸汽信號。若采用低功耗單片機去實現數字信號處理算法，也無法做到低功耗和兩線制，因為用單片機實現數字信號處理算法，單片機必須總是全速運行，任何低功耗工作模式無法使用。例如，文獻[6]采用小波變換消除信號中的噪聲，用MSP430單片機去實現系統，但是，測試結果表明，無法做到低功耗和兩線制，因為儀表本身的工作電流超過4mA。國外的一些公司為蒸汽流量計一些信號處理模塊設計了的集成電路（ASIC），用硬件的方式來對蒸汽信號進行處理，以便實現低功耗和實時工作。
采取用低功耗單片機MSP430F1611做少點數FFTr結合硬件模擬濾波器組的信號處理方式，來實現蒸汽信號的處理，再設計有效的電流管理和電流輸出模塊，既能從噪聲中提取蒸汽信號，保證現場測量精度，擴展量程比，又能做到低功耗和兩線制工作。
1硬件設計
1.1總體方案
設計的目標是既采用數字信號處理方法，又要保證儀表是低功耗工作，所以，采用低功耗單片機進行少點數快速傅立葉變換（FFT），實現周期圖譜分析，確定蒸汽信號的頻率值；設計一組硬件帶通濾波器，其通帶覆蓋蒸汽信號所在的頻帶，根據譜分析結果來選擇具體的帶通濾波器，進行佳濾波，大限度地消除各種諧波和現場噪聲對測量的影響，提高測量精度。采用數字電位器和運算放大器組成程控放大器，通過峰值檢測確定蒸汽信號的幅值，調整程控放大器的放大倍數，使信號的幅值達到佳范圍，適應大流量和小流量的測量的需要，擴展量程比。選用低功耗的單片機芯片，并設計與之配套的輸出電路和電源管理電路，保證儀表工作電流小于4mA，輸出電流為4～20mA，實現兩線制工作。
1.2硬件框圖
該系統的硬件框圖如圖1所示，包括壓電傳感器、差分電荷放大器、電壓放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選擇開關電路、峰值檢測電路、整形電路、單片機、人機接口電路、4～20mA輸出與電源管理電路、恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器、16位模數轉換器。

1.3工作過程
壓電傳感器輸出的電荷信號經過差分電荷放大器轉變為電壓信號，由于幅值非常小，所以，再經過一級固定的電壓放大器和一級程控放大器。放大后的信號經過低通濾波器，濾除信號中的高頻干擾，然后分為2路。第1路信號由電壓跟隨器（緩沖器）輸出，被單片機自帶的ADC采樣和轉換，變成數字量。單片機對信號進行少點數的FFT，做周期圖譜分析，得到信號的頻率值，來選擇帶通濾波器組的通道。第2路信號送至帶通濾波器組，進行濾波；由單片機的頻譜分析結果來決定輸出某路濾波后的信號。經過帶通濾波器組的輸出信號分為2路。第1路送至峰值檢測電路；峰值檢測電路將信號的峰值送至單片機ADC的輸入端；單片機對信號的峰值進行采樣和轉換，并根據峰值來調整程控放大器的放大倍數，使信號的幅值達到佳范圍；第2路送至由比較器組成的整形電路進行整形，整形后的信號送至單片機的定時器輸入端，采用捕獲方式，利用多周期等精度方法進行計數。單片機根據計數結果，將流量信息顯示在LCD上，并通過自身的DAC轉換，送至4～20rnA輸出與電源管理電路，經過V／I轉換成4～20mA電流信號輸出。下面簡要介紹其中的部分硬件電路。
1.4帶通濾波器組
雖然蒸汽流量傳感器信號經過了低通濾波器，一些高頻信號被消除。但是，由于蒸汽信號頻率的變化范圍較寬，從0.5Hz～3.7kHz。在這個頻帶范圍內，可能包含蒸汽流量信號頻率、機械振動頻率、流場擾動噪聲頻率和其它噪聲頻率。若將此信號直接進行整形和計數，由于各種噪聲的影響，很容易造成整形電路的誤觸發，使測量結果出現較大的誤差。
針對這個問題，設計一組模擬帶通濾波器，包括1個低通濾波器和7個帶通濾波器，這7個帶通濾波器的電路結構相同、參數不同，從而通帶互不相同，但是相互連接，覆蓋蒸汽流量計的頻帶范圍，并且相鄰通帶間有一定的重疊。由1個高通濾波器和1個低通濾波器來實現1個帶通濾波器，這樣比單運放帶通濾波器的幅頻特性好，即這樣形成的通帶部分的幅頻特性比較平坦，截止區域衰減得更快。考慮到整個蒸汽信號的頻率范圍在0.5～3700Hz的范圍，若用1組帶通濾波器組去濾波，效果不佳，所以，針對不同情況設計了若干組濾波器組，這樣既具有一定的通用性和互換性，又保證有較好的濾波效果。例如，針對15～200mm口徑的液體流量測量設計1組帶通濾波器組的參數，其工作頻率覆蓋1～500Hz；針對25—150mm口徑的氣體流量測量設計1組帶通濾波器的參數，其工作頻率覆蓋19～2300Hz。具體選擇哪個濾波器的輸出信號進行整形和計數，由單片機對蒸汽信號進行頻譜分析的結果來決定。即單片機對采集到的蒸汽傳感器信號進行周期圖譜分析，確定蒸汽信號的范圍；據此，確定用哪個帶通濾波器濾波后的信號進行整形和計數，這樣可以大程度地消除各種噪聲對蒸汽信號的影響，避免誤觸發，保證計數的精度。
1.5電源管理與電流輸出模塊
4～20mA輸出和電源管理模塊由4～20mA電流變送器XTR115、DC／DC、3個LDO和磁珠BEAD組成。24V直流電壓先經過DC／DC由24V變為3.3V，經過LDO變成3V電壓，作為數字部分的電源，3.3V再通過另1路LDO變換成3V電壓，作為模擬電路部分的電源，模擬地和數字地之間通過磁珠連接，這樣數字部分跟模擬部分電平匹配，而且單片機在3V電壓下消耗電流更小。同時，由24V直流電壓經過一級LDO變為7V，供溫壓補償部分恒流源工作。系統消耗的電流由XTR115檢測并調整輸出電流。由于系統電源跟輸入之間沒有進行隔離，將表殼（大地）和系統地（模擬地、數字地）之問進行隔離來滿足絕緣的要求（即浮地）。
2軟件研制
2.1總體框圖
該系統軟件總體框圖如圖2所示，由主監控程序模塊、保護模塊、中斷模塊、初始化模塊、程控放大器調整模塊、計算模塊、電流輸出模塊、人機接口模塊組成。其中，初始化模塊包括LCD初始化、流體介質和儀表口徑初始化、峰值檢測模塊初始化、4～20mA電流輸出模塊初始化、溫度和壓力補償模塊初始化、掉電保護模塊初始化、流量計算模塊初始化、帶通濾波器選擇初始化。

2.2主監控程序流程圖
圖2中的主監控程序模塊是整個軟件系統的總調度程序，調用各個模塊中的子程序，實現本系統的所要求的功能。主監控程序的流程如圖3所示。它是一個循環程序，系統一上電，主監控程序自動運行，進入不斷查詢標志和進行相應處理的循環中。
基本過程為：系統上電后，立即進行初始化；初始化后，首先查詢Fn、計算標志位是否置位，若置位，則調用FFT計算模塊，對經過電荷放大、電壓放大、低通濾波和電壓跟隨后的蒸汽傳感器信號做FFT計算、頻譜分析和校正，估計出大能量所在的頻率，根據這個頻率來選擇帶通濾波器，并設置峰值檢測時間的間隔，處理完成后清除標志位；然后，查詢發觸發捕獲信號的標志位是否置位。

2.3脈沖計數
采用多周期等精度測量方法進行脈沖計數。設置定時器A（TA）為蒸汽信號脈沖計數器，設置定時器B（TB）為填充脈沖計數器，讓TA的PWM模塊（TA1）定時發觸發捕獲信號（定時時問由測量頻率的下限而定），TA和TB根據相鄰2次觸發捕獲信號之間的時間間隔，分別捕獲蒸汽信號脈沖的個數和填充脈沖個數，根據TA和TB捕獲得到的脈沖數以及TB的工作時鐘頻率計算出蒸汽信號的頻率，如圖4所示。定時器A的工作時鐘由外部提供，外部脈沖每增加1次，定時器A計數器計數值就會增加1次，即定時器A是用來對外部脈沖進行計數的。定時器B用來產生時間間隔，每次定時時間到就發觸發捕獲信號。根據這個捕獲信號，定時器A的1個PWM單元（TA1）就產生上升沿，定時器A的捕獲單元（TA2）和定時器B捕獲單元（TB2）根據這個上升沿，將其各自的計數器值捕獲進來，計算出相鄰兩次信號的TA的計數差值Ⅳ和TB的計數差值N，則：

式中：F為定時器B的工作時鐘頻率；F為定時器A的工作時鐘頻率，即被測蒸汽流量信號的頻率。

2.4頻率估算
對信號進行采樣，計算頻率值，再選擇帶通濾波器組的通道，接著設置峰值采樣時間間隔，即具體選定帶通濾波器組中的一個帶通濾波器，設置峰值采樣過程充放電時間。該系統采用少點數FFTr估計蒸汽信號的頻率。首先對采樣得到的信號序列進行零均值處理，消除直流分量；然后，對序列進行FFT運算。為了克服單片機的運算速度不夠快和內存資源有限的問題，我們采取了以下的技術措施，在單片機上實時實現了FFrI1運算，并保證了算法的精度：
（1）采用匯編語言編制FFT程序，運算速度快；
（2）數據統一使用Q13定點數表示，即用16位來表示1個數據，高位（左邊的第1位）是符號位，剩下的15位表示數據的大小，其中，高2位（左邊的第2位和第3位）用來表示數據中的整數部分，在計算中作為保護位，低13位（右邊的13位）表示數據中的小數部分，采樣來的數據先放在低12位，然后，左移1位，這樣可以減少內存占用量；（3）采用定點數計算，即在乘法和加法計算過程中使用的數據其小數點都是固定的，以提高計算速度；（4）在FFT運算過程中，每經過一級碟形因子的計算，其結果大可能會擴大3倍，隨著計算級數的增加，用Q13格式表示的數據肯定會發生溢出，所以，在計算過程中必須對數據進行移位（右移），以防止數據的溢出，但是，在實際計算中，并非每級計算的結果都會溢出，若此時對結果進行移位，就會降低F丌計算結果的精度，因為移位使數據變小，即減少了小數部分的有效位，為此，先判斷這一級計算結果是否大于1，當大于1時，才移位，小于1就不移位。由FFT運算結果計算出信號的功率譜，按照能量占優原則，根據大功率譜峰值，估計出蒸汽流量信號的頻率；后，利用重t2"校正法進行頻譜校正，提高蒸汽流量信號頻率測量的精度。根據蒸汽流量信號的頻率，由單片機控制多路選擇電路，選擇對應于當前蒸汽流量信號頻率的帶通濾波器，將此帶通濾波器與后面的整形電路相連。根據蒸汽信號頻率設置峰值采樣過程中的充放電時間間隔。
2.5帶通濾波器選擇
設計的1個低通濾波器和7個帶通濾波器的通頻帶將整個要處理的蒸汽信號頻率覆蓋，同時，相鄰濾波器的通帶之間有重疊部分，以避免當蒸汽信號頻率處于相鄰通帶邊緣時，引起帶通濾波器的頻繁切換，即避免頻繁地變換帶通濾波器。當頻率超出上次選擇的帶通濾波器的頻率范圍時，就查找覆蓋此頻率的濾波器，選出合適的濾波器。具體選擇過程為：當頻率沒有超過當前濾波器通帶的上下*，就仍然選擇當前的濾波器；當頻率正好落在2個濾波器通帶的交叉帶中時，將依據這2個濾波器通帶的交叉點來進行選擇，即把這2個濾波器幅頻特性的相交點作為1個分界線：當頻率低于交叉點時，就選擇低通帶的濾波器，高于交叉點就選擇高通帶的濾波器。

3測試與實驗
當系統研制完成后，我們在實驗室進行了系統功耗和電流輸出精度的測試、脈沖計數精度和抗諧波干擾的測試、少點數FFT功率譜計算精度的測試、溫度和壓力補償測試，在重慶耐德工業股份有限公司進行水流量和氣流量標定實驗，以考核系統的性能。由于篇幅所限，下面僅介紹部分測試和實驗結果。
3.1電流輸出和功耗測試
將該系統與40mm口徑的一次儀表相匹配，組成蒸汽流量計，進行實際流量標定，或者用信號發生器輸入標準的頻率值。將日本YOKOGAWA公司CAIO0型小型通用校驗儀串接在該系統的電流輸出線上，測試系統的輸出電流。注意，此時系統加14V電壓（這比通常的24V電壓嚴格，是考慮到負載上的壓降）。
首先，設定理論輸出電流值等于或者大于4.000mA，考核電流輸出的精度，即小流量對應于4mA，大流量對應于20mA。測試結果表明，大相對誤差小于0.19％。其次，設為0.000mA，即將該系統DA控制電流輸出的模塊斷開，考核系統自身消耗電流值，測試結果為3.775mA，小于4mA。這兩項指標均滿足儀表的要求。
3.2FFT計算精度測試
因為要用FFT計算的結果來確定選擇哪個帶通濾波器，所以，要考核其計算精度。由于FFT運算的大誤差發生在非整周期采樣時，所以，選擇這些大誤差點來進行測試。由于泄漏誤差，信號基頻為：

3.3實際流量測試
將系統與重慶耐德工業股份有限公司40mm口徑的蒸汽一次儀表相匹配，采用氣體鐘罩方式進行標定，讀取系統的頻率值，如表1所示。可見，量程比達到20.6：1。
將系統與重慶耐德工業股份有限公司80mm口徑的蒸汽一次儀表相匹配，采用標準表法進行氣體流量標定，讀取系統的頻率值，如表2所示。其中的標準表是精度為0.2％精度的渦輪流量計。可見，量程比達到18.5：1。
表140mm口徑數字蒸汽流量計氣體標定實驗數據

表280mm口徑數字蒸汽流量計氣體標定實驗數據

4結束語
提出少點數功率譜分析與模擬帶通濾波器組相結合的方式，并在硬件和軟件方面采取了一些有效措施，用單片機研制成功兩線制數字蒸汽流量計，既擴展量程比、保證現場測量精度，又實現低功耗工作，克服了目前基于DSP的數字蒸汽流量計無法低功耗工作，而基于MCU的低功耗蒸汽流量計又無法進行數字信號處理、性能不佳的問題。