CN103984873A - 一种数字信号处理算法在dsp***上的应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于科里奥利原理的质量流量计信号处理和应用技术领域，特别是一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法。该方法基于流量时变的特点，设计设计一种基于自适应格型IIR陷波滤波器与Hilbert变换方法组成的数字信号处理算法，该算法不用进行迭代运算，因此误差不会累积，可以保持测量精度的稳定性，而且没有收敛时间；最后以模块化方式设计了基于DSP数字信号处理器的科里奥利质量流量计软硬件***，在减少精度损失的情况下将该算法移植到DSP***上。本发明方法实现了科里奥利质量流量计流量参数的高速、高精度计算。

Description

一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法

技术领域

本发明涉及基于科里奥利原理的质量流量计信号处理和应用技术领域，特别是一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法。

背景技术

科里奥利质量流量计（Coriolis Mass Flowmeter，英文缩写为CMF，以下简称科里奥利质量流量计）是一种依据科里奥利力原理研制而成的，即处于旋转体系中的流体同时作直线运动就会产生一种与流体质量成正比的科里奥利力。该流量计于1977年由Micro Motion公司率先研制成功，它不但拥有较高的准确性、稳定性、重复性，而且在测量管内没有阻流元件，很大程度上提高了可靠性和使用寿命。目前大部分汽车用的清洁燃料压缩天然气（CNG）就是用它进行计量的，而且在石油、造纸、建材、食品、医药、能源、生物工程、航天等部门的应用也越来越多。

与普通的流量计只能测量体积流量不同，科里奥利质量流量计则可以直接高精度地测量流体质量流量，它除了能够用于测量各类常规流体外，还能用于测量非常规流体，如批料流/两相流、液化气体、浆液和压缩天然气，因此，科里奥利质量流量计的应用也越来越广泛，但是由于技术发展还不够成熟，测量精度还没有达到人们预期的效果。

近几年国内外对科里奥利质量流量计的研究也取得一些成果。

北京航空大学研究了针对新型的直管式和类直管型科氏流量计的信号处理方法及***，该方法以FFT算法作为核心，由FPGA逻辑电路和***电路来实现对传感器信号的频率跟踪，调整直接数字式频率合成器（DDS）生成可变时钟，可以实现对采样频率的闭环控制，使FFT算法能够进行整周期采样，降低非整周期导致的截断形成频谱泄露。但该***的计算误差较大。合肥工业大学对科氏流量计的驱动***和数字信号处理方法进行了研究，在DSP***中对输入信号的过零点进行分析判断，确定信号的相位。并于2010年完成了以DSP为核心的CMF变送器的***测试和实验标定，该***将自适应格型陷波滤波与SDTFT递推算法组合起来，能够精确跟踪信号的频率。但是容易受噪声干扰，影响较为严重，计算精度难以达到要求，由于存在迭代运算，其误差会不断累积，导致测量精度下降。

美国专利US6073495的方案是将两路传感器输出信号的差分信号通过正交解调处理计算出相位差，同时利用其分量控制两路传感器信号的幅值大小。Foxboro公司专利US20020038186的方案是先使用与信号频率相近的信号对两路信号正交解调后再计算频率值、幅值与相位差。牛津大学的Henry提出采用同步调制技术处理科氏流量计的两路传感器输出信号。该方法是通过调制信号，经过滤波之后构造得到的新函数能够反映信号的幅值和频率信息。Freeman在他的专利中首先提出了使用数字锁相环(PLL)技术处理科氏流量计的两路信号。与DFT方法相比，该方法频率跟踪、相位差计算的实时性更好；频率跟踪对随机噪声和固定频率干扰有较强的抑制作用。但与ALE方法相比，该方法所需的采样点更多，计算量更大，并且进行频率估计是采用查表方式，对内存的要求较高，同时相位差的计算受到随机噪声影响较大，是误差的主要原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现科里奥利质量流量计流量参数的高速、高精度计算数字信号处理算法在DSP***上的应用方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，包括如下步骤，

步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计一种基于自适应格型IIR陷波滤波器与Hilbert变换方法组成的数字信号处理算法；

步骤S02：将所述步骤S01获得的数字信号处理算法，移植到DSP***上；

步骤S03：通过所述步骤S02移植有数字信号处理算法的DSP***，处理科里奥利质量流量计的数字信号。

在本发明实施例中，所述数字信号处理算法，具体包括如下步骤，

步骤S21：信号滤波：对科里奥利质量流量计的输入信号进行数字滤波，并进行噪声滤除，得到预定频带信号；然后，通过自适应格型IIR陷波滤波器对该预定频带信号进行滤波处理，输出增强信号；

步骤S22：相位差计算：通过相位差算法对所述步骤S21得到的增强信号进行相位差计算；

步骤S23：流量计算：根据所述步骤S22得到的相位差值，计算得到信号的时间差与流量。

在本发明实施例中，所述相位差算法，具体实现过程如下，

设经滤波后的两路增强信号为：

式中：为信号的幅值，、为相位，为数字角频率；由欧拉公式可知，则有Hilbert变换：

两路信号经过Hilbert变换，得到只含有正频率的解析信号：

由正切函数和差化积公式有：

对上式进行反正切运算即可求得相位差：

。

在本发明实施例中，所述DSP***包括主控器及与该主控器连接的用于为***供电的电源管理模块、信号调理与采集模块和人机接口模块。

在本发明实施例中，所述信号调理与采集模块为一AD转换模块。

在本发明实施例中，所述人机接口模块包括LCD模块和键盘模块。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法经过实际测试，在不同的初始相位差条件下，采用自适应格型滤波、Hilbert变换算法得到的科里奥利流量结果精度较高，相对误差仅在0.02%。

附图说明

图1为格型IIR滤波器结构图。

图2为Hilbert测量相位差实现框图。

图3为本发明数字信号处理算法流程图。

图4为自适应格型陷波滤波器算法流程图。

图5为Hilbert变换算法计算相位差流程图。

图6为本发明***硬件结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，包括如下步骤，

步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计一种基于自适应格型IIR陷波滤波器与Hilbert变换方法组成的数字信号处理算法；

步骤S02：将所述步骤S01获得的数字信号处理算法，移植到DSP***上；

步骤S03：通过所述步骤S02移植有数字信号处理算法的DSP***，处理科里奥利质量流量计的数字信号。

所述数字信号处理算法，具体包括如下步骤，

步骤S21：信号滤波：对科里奥利质量流量计的输入信号进行数字滤波，并进行噪声滤除，得到预定频带信号；然后，通过自适应格型IIR陷波滤波器对该预定频带信号进行滤波处理，输出增强信号；

步骤S22：相位差计算：通过相位差算法对所述步骤S21得到的增强信号进行相位差计算；

步骤S23：流量计算：根据所述步骤S22得到的相位差值，计算得到信号的时间差与流量。

所述相位差算法，具体实现过程如下，

设经滤波后的两路增强信号为：

式中：为信号的幅值，、为相位，为数字角频率；由欧拉公式可知，则有Hilbert变换：

两路信号经过Hilbert变换，得到只含有正频率的解析信号：

由正切函数和差化积公式有：

对上式进行反正切运算即可求得相位差：

。

所述DSP***包括主控器及与该主控器连接的用于为***供电的电源管理模块、信号调理与采集模块和人机接口模块；所述信号调理与采集模块为一AD转换模块；所述人机接口模块包括LCD模块和键盘模块。

以下为本发明的实施例。

本发明的一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，实现过程如下。

一、基于自适应格型IIR陷波滤波器与Hilbert变换方法组成的数字信号处理算法主要内容：

1) 针对科里奥利流量的时变信号和非时变信号的特点，建立了流量随机模型。在实际测量应用中，科里奥利质量流量计信号的各项物理参数不会在每一个采样点上都发生改变；

公式(1)

  公式(2)

  公式(3)

   公式(4)

式中：、、分别表示时变信号的振幅、频率、相位，、和为服从正态分布、均值为0、方差为1的白噪声，、、和决定对应参数的游动幅度，称为游动系数，服从概率为P的0-1分布，决定对应参数的变化，当P趋向于1时，参数每点变化，就是时变信号模型；当P趋向于0时，该模型为非时变信号；

2) 自适应格型IIR陷波滤波器

格型IIR滤波器的结构如图1所示，将全零点格型陷波器和全极点格型陷波器级联构成。其传递函数为：

公式(5)

、分别为等式右侧的分母部分和分子部分，是一个FIR滤波器，因此将其零点固定在单位圆上以减少计算，这样只需要调节一个参数就可以实现自适应陷波。为权系数，用于计算输入信号频率，为偏置参数，它的取值决定滤波器的陷阱带宽，且按公式（6）收敛；

公式(6)

3) Hilbert变换求流量信号相位差，

Hilbert测量相位差实现框图如图2所示，设经滤波后的两路增强信号为：

公式(7)

式中：为信号的幅值，、为相位，为数字角频率。由欧拉公式可知，则有Hilbert变换：

公式(8)

两路信号经过Hilbert变换，得到只含有正频率的解析信号：

  公式(9)

由正切函数和差化积公式有：

公式(10)

对上式进行反正切运算即可求得相位差：

公式(11)。

二、将自适应格型IIR陷波滤波器与Hilbert变换组成的数字信号处理算法移植到DSP***上：

数字信号处理算法主要进行大量数据的计算处理，分为滤波、相位差计算和流量计算三部分。先对输入信号进行数字滤波，对噪声进行滤除，得到一定频带内的信号，然后对该部分信号进行自适应格型滤波，在运行之前需先根据输入信号的特点，设置好自适应滤波器的各项参数。经过滤波后的增强信号通过相位差测量算法计算得到相位差，再根据公式（12）和公式（13）算出信号的时间差与流量，算法处理流程如图3所示；

公式(12)

上式中，为两路信号相位差，为信号数字角频率，为采样频率；

公式(13)

上式中，为流量，为管道的角弹性模量，r 为 U 型管弯曲部分的半径，由公式(13)可知，被测流体的质量流量与两路流量管震动信号的的时间差存在正比关系；

4) 自适应格型滤波

自适应格型陷波滤波器算法的流程图如图4所示。自适应格型IIR陷波滤波器算法的计算量小，能够及时跟踪频率微小变化，且跟踪精度高，跟踪频率估计值的精度优于0.01%。该算法具有灵活应用的特点，可以通过调整参数的初值与终值进行频率跟踪，适用于两相流、批料流等复杂科氏流量计信号。值得注意的是，自适应格型陷波滤波器具有滤波功能且得到是输入信号的增强信号，增强信号的相位会发生变化。因此，在使用过程中，要保证两个陷波器的参数值完全一样，两路信号产生同样的相位移，不影响相位差结果计算；

5) Hilbert变换算法

图5是Hilbert变换算法计算相位差流程，对两路经过滤波的增强信号分别进行Hilbert变换得到对应的值后，两路信号与变换信号通过公式(10)计算等到相位差的正切函数，最后用公式(11)对该函数进行反正切运算得到的值即是两路信号的相位差；

算法经过计算得到的值还需要进行平均处理，否则根据每个点的相位差计算时间差与流量等数据会占用大量的资源和产生很大的计算量。我们采用简单的平均方式进行相位差值处理，首先对每一次得到的450点数据进行求和取均值，然后对1s内平均值结果进行加权平均计算。这样做的好处就是即可以减少计算量，又可以保持算法的跟踪速度。

三、基于科里奥利质量流量计的数字信号处理算法及数字信号处理电路（DSP）***实现：

为了实现算法的高速运算和实时性，本文采用TMS320F28335作为核心，由DSP最小***、AD模块、SARAM、LCD模块、键盘模块，EEPROM模块和4~20mA脉冲输出模块组成；

数字信号处理***（DSP）的结构框图如图6所示，DSP最小***主要包括JTAG电路、晶振、电源等。***主要使用DSP芯片上的缓存串行口McBSP、DMA、SPI和通用输入输出口GPIO，同时还用到了DSP的外部扩展接口XINTF单周期访问随机存储器SARAM，用来存储算法运行过程中的数据。***内配置了EEPROM，用于保存算法的参数设置和算法运行后的测量结果。为了可以直观的观察***运行结果和更改参数配置，加入了人机接口模块，包括一个LCD和机械按键键盘，通过配置DSP的I/O实现。***还有看门狗模块用于对DSP进行检测和复位。

经过实际测试，在不同的初始相位差条件下，采用自适应格型滤波、Hilbert变换算法得到的科里奥利流量结果精度较高，相对误差仅在0.02%。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤S01：根据科里奥利质量流量计特性，设计一种基于自适应格型IIR陷波滤波器与Hilbert变换方法组成的数字信号处理算法；

步骤S02：将所述步骤S01获得的数字信号处理算法，移植到DSP***上；

步骤S03：通过所述步骤S02移植有数字信号处理算法的DSP***，处理科里奥利质量流量计的数字信号。

2.根据权利要求1所述的一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，其特征在于：所述数字信号处理算法，具体包括如下步骤，

步骤S21：信号滤波：对科里奥利质量流量计的输入信号进行数字滤波，并进行噪声滤除，得到预定频带信号；然后，通过自适应格型IIR陷波滤波器对该预定频带信号进行滤波处理，输出增强信号；

步骤S22：相位差计算：通过相位差算法对所述步骤S21得到的增强信号进行相位差计算；

步骤S23：流量计算：根据所述步骤S22得到的相位差值，计算得到信号的时间差与流量。

3.根据权利要求2所述的一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，其特征在于：所述相位差算法，具体实现过程如下，

设经滤波后的两路增强信号为：

式中：为信号的幅值，、为相位，为数字角频率；由欧拉公式可知，则有Hilbert变换：

两路信号经过Hilbert变换，得到只含有正频率的解析信号：

由正切函数和差化积公式有：

对上式进行反正切运算即可求得相位差：

。

4.根据权利要求1所述的一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，其特征在于：所述DSP***包括主控器及与该主控器连接的用于为***供电的电源管理模块、信号调理与采集模块和人机接口模块。

5.根据权利要求4所述的一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，其特征在于：所述信号调理与采集模块包括AD转换模块。

6.根据权利要求4所述的一种数字信号处理算法在DSP***上的应用方法，其特征在于：所述人机接口模块包括LCD模块和键盘模块。