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基于数字信号处理器(DSP)的智能流量计仪器系


文章日期:2017-06-17|阅读数:


设计了一种基于 DSP 的智能流量计仪器系统。它采用了先进的基于数字信号处理器的硬件平台,完成对涡街传感器输出信号的数字滤波和数字化信息处理,能够快速、准确地计算出流体的流量。

一、前言

目前市场上的主要流量计产品在对传感器输出的含有噪声的信号的处理上,主要采用模拟滤波来实现,采用这种方式抗干扰能力差、智能化水平低、适应性差,已经不能满足当前工农业生产和社会生活的需要。本项目针对这种情况设计了一种以数字信号处理器(DSP)为核心的智能流量计仪器系统。它采用了先进的基于数字信号处理器的硬件平台,完成对涡街传感器输出信号的数字滤波和数字化信息处理,快速、准确地计算出流体的流量。

二、系统的硬件设计

1、系统设计的原理

当前流量计产品主要由两个部分构成,即流量传感器部分和信号信息处理部分,本文主要对传感器输出信号的处理技术进行研究。

在实验中选用先进的 TMS320LF2407 为核心构建系统。 LF2407A DSP 芯片是基于 C2000 平台的定点运算数字信号处理器,具有 40MIPS 的运行速度,使得其能提供比传统 16位微控制器和微处理器更高的性价比 。以 LF2407A 数字信号处理器芯片为核心构建测量系统,传感器输出的信号经过调理电路的处理,达到 LF2407A DSP 芯片的 A/D 转换器对输入信号的要求。由 DSP 芯片控制片内外设通过 SPI、SCI 模块等数字接口与外界进行通信原理图见图 1。

信号1.jpg

LF2407A 数字信号处理器芯片的 A/D 转换器所允许的输入信号为 0~3.3V,所选用的压电晶体涡街传感器输出的信号为 -3mV ~+3mV 正弦波 ,这样微弱的信号显然不满足 LF2407A 数字信号处理器芯片 A/D 转换器的要求,所以在 A/D 转换前要对传感器输出信号进行放大、抬升、滤波三步调理。选用斩波稳零式高精度运算放大器 ICL7650 对传感器输出信号进行放大,并且在调理电路的***后选用 OP07 搭建滤波电路对信号进行必要的滤波,将输出信号中的高频噪声干扰滤去。

2、信号放大和抬升

ICL7650 除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外,还具有高增益、高共模抑制比、失调小、漂移低等特点,所以常常被用在微弱信号的前置放大器中。

由涡街流量传感器输出的电压信号为一频率变化的含有各种噪声的正弦波信号,即同时具有正、负电压,并且幅值小(毫伏级),而 LF2407A 数字信号处理器芯片的 A/D 转换器要求输入的信号必须为正电压,所以还要将信号抬升到 0~3.3V区间内。并且为了尽可能提高***后的信号处理精度,我们要使得信号经过放大后高、低电平尽可能接近 0、3.3V。

3、信号的滤波

滤波器是具有频率选择功能的电路,它允许一定频率范围内的信号通过,而对不需要传送的信号实现有效的抑制。所以将运放与反馈引入 RC 滤波器,构成有源 RC 滤波器,可以使 Q 值提高,获得合适的过渡带,提高滤波质量。

本系统采用了 LF2407A 数字信号处理器进行信号的处理运算,可以在系统处理速度允许的情况下模拟部分简化电路设计,将复杂的信号滤波由数字信号处理器进行,具体见图 2。这样做既节约了成本,也可以获得更好的信号质量。随着技术的进步,滤波算法的效率会越来越高,通过运用先进的软件数字滤波算法,可以很方便的完成信号的数字滤波处理。普通涡街传感器的输出信号的频率范围为2~2KHz,用 OP07 运算放大器构建一个通带为 2KHz 的二阶低通滤波器放大、抬升电路的输出信号进行滤波。

信号2.jpg

4、数字信号处理器及外围电路设计

(1)时钟电路 LF2407A 数字信号处理器芯片的工作频率为 40MHz,

选用 10MHz 的有源晶体振荡器,需要供电电压为 3.3V,可以直接连接到 LF2407A 数字信号处理器芯片的 XTAL1 脚上。需要在内部进行 4 倍频,达到 40MHz 的工作频率。确定 C8 为 0.015μF、C7 为 0.68、R14 为 11Ω 具体见图 3。

信号3.jpg

(2)电源电路为了提供稳定的系统电源和保证系统的正常工作,选用 TI 公司与 LF2407A 数字信号处理器芯片配套的电源芯片—TPS73HD318。输入电压为 5V,输出电压为 3.3V,输出***大电流为 1.2A。

系统由外部输入 5V 交流电,经过滤波处理后提供给 HD318 芯片,由芯片输出稳定的 3.3V 电压供给 LF2407A 数字信号处理器芯片内核、片内 A/D 转换器以及 PLL 模块。另外,5V 电源经过滤波以后还要提供给 Flash 存储器作为编程电压,见图 4。在高频情况下数字、模拟两部分电路会互相产生较大的噪声和电磁干扰,为了避免这种情况,数字电路和模拟电路的要独立供电,数字地和模拟地也要分开,在每个电源的输出端都要有一个磁珠进行隔离。而且 LF2407A 数字信号处理器芯片每个电源输入端都要有相应的电容进行去耦合滤波,必要的地方还要添加钽电容以提高效果。在 PCB 设计时要注意使滤波电容与所对应的电源输入端尽可能的近。

信号4.jpg

三、系统程序设计介绍

系统程序主要是用来控制系统运行、控制 A/D 转换和控制系统与其他流量计或者计算机等外部设备通信。

 系统程序中主要模块有系统初始化模块、A/D 转换程序模块和 SCI 通信控制程序模块。

如果系统可以与外部进行通信,则当所存储数据溢出时可以将数据送往外部设备,这样可以将数据连续存储,便于使用者的长期检测。如果系统不需要将数据长期保存,则保留***新数据,抛弃旧数据,这样可用于实时检测而不需长期纪录的领域。

1、系统初始化模块

在系统初始化时,除去设置一些系统寄存器以外,还要初始化 ADC 模块和 SPI 模块。需要注意的是:在初始化阶段首先要使用状态寄存器 ST0 中的全局中断使能位 INTM来关闭核心中断,在主程序开始时再打开。

在本项目中选用的外部有源晶振频率为 10MHz,PLL(锁相环)倍频系数选择为 4 倍,将 SCSI1 中 CLK PS2、CLKPS1、CLK PS0 三位均置 0。

将片内双端口 RAM 中 B0 块配置为数据存储器,用来存放 A/D 转换结果。

2、ADC 模块设置

在项目中只对一个模拟通道进行转换,使用两个 8 状态的排序器,选用 ADC0 通道。转换后结果可从 RESULT0中读取。将转换后的结果存在 DARAM 中的 B0 块。

3、SCI 模块设置

在 SCI 模块设置中,可以通过 SCI 通信控制寄存器SCICCR 来定义用于 SCI 的字符格式、协议和通信模式。

在本项目中完成的是系统运行的基本程序设置,使硬件平台能够顺利运行。

四、结论

流量计产品在现代工农业生产和社会生活的诸多领域中的应用越来越广泛,市场对流量计产品的要求也越来越高,针对目前市场上现有传统流量计产品抗干扰能力较差、智能化水平较低、适应性差、精度不够高的技术不足,本项目结合信息技术领域内的新技术,就流量计中信息的数字化处理技术进行了研究,以 TMS320LF2407A 数字信号处理器为核心组建硬件平台,设计了一种具有一定数字化、智能化、信息化水平的流量计产品。

 

 

 



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