基于DSP的智能光纖流量計信號處理系統(tǒng)?
發(fā)布時間：2022-08-30 08:22:31
1.總體處理方案框圖
本文設計的智能流量計光纖測量系統(tǒng)的整體框架如圖5所示。
隨著葉片旋轉，光纖渦輪流量傳感器拾取到呈周期性變化的光信號，光信號在經過光電轉換器后被轉換為電壓信號，經過信號放大、整形、濾波等硬件處理電路后得到的信號還遠不能達到我們所需的“轉速一頻率一流量”準確信息，為提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)將采用處理能力強，計算精度高的DSP作為信號處理平臺對信號作進一步的軟件處理，并實現(xiàn)流量信息的顯示以及與計算機的通訊。在這里，我們選取TI公司的TMS320F2812型號DSP芯片。DSP2812的內置A/D轉換為12位，可保證在存在硬件干擾的情況下對數(shù)據(jù)的高精度采集;同時具有32位的定點CPU，主頻可達150MHz,計算能力也滿足流量測量系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的要求。
系統(tǒng)設計時，考慮到光源、光電轉換等部件對系統(tǒng)測量結果的影響，溫度變化對傳感器零位漂移的影響，以及傳感器光強調制過程存在非線性，應加人溫度補償和非線性校正算法以及誤差修正。另外，針對工程應用中傳感器工作環(huán)境特點，可以在傳感器探頭加入準直透鏡的方法用以提高傳感器的抗噪能力和擴展傳感器的線性測量范圍。
2.硬件系統(tǒng)設計
硬件電路主要分為兩部分，第一部分是信號預處理部分，第二部分是以DSP為核心的信號處理部分。信號預處理部分分為光電轉換模塊、放大模塊、濾波模塊。而DSP部分除了包括其主要的幾個電路模塊外，還包含對信號的軟件處理。
2.1信號預處理部分
2.1.1光電轉換模塊
光電轉換模塊的功能是將接收光纖接收的光強信號轉換為電壓信號。它在整個動態(tài)檢測系統(tǒng)中起著極其重要的作用，它的好壞和靈敏度將很大程度.上影響著最終系統(tǒng)的測量精度。本系統(tǒng)選用的光電二極管是光電二極管電流與照射在其上的光強成正比，隨著光強的增加OPT101的輸出電壓近似的線性增加。OPT101芯片在一個單片，上集成了互跨阻抗放大器集和光電二極管，這就消除了分開設計中經常出現(xiàn)的如漏電流誤差、噪聲交叉干擾以及雜散電容引起的增益峰化等問題。
2.1.2放大電路模塊
光電檢測系統(tǒng)中，經過OPT101光電轉換后輸出的電壓信.號較微弱，必須通過放大處理。前置放大電路設計的好壞將直接影響整個信號處理電路的性能。由于是微小信號的放大，所以本系統(tǒng)選用儀表運算放大器AD620。AD620是一款低功耗、高精度的運算放大器，具有高共模抑制比、放大頻帶寬、溫度穩(wěn)定性好、使用簡單、噪聲低等特點，只需要改變外部電阻的阻值就可以實現(xiàn)從1到1000倍的放大，因此適合用于對微弱信號的精確放大。
2.1.3濾波電路模塊
濾波模塊是抑制和防止干擾的重要環(huán)節(jié)，其功能是使一-定頻率范圍內的有用信號通過，使在該頻率范圍外的信號衰減，從而提高系統(tǒng)的信噪比。在本系統(tǒng)中，光纖傳感器采集的信號主要干擾成分是光電二極管輸出的電壓和光源信號的漂移、環(huán)境變化及流量計電路等各種噪聲信號。為了避開噪聲高頻干擾信號，濾波電路采用--級陡度系數(shù)較大的有源二階低通濾波器，它可以使噪聲得到較快、較大的衰減，基本濾除疊加在光電轉換后電壓信號上的噪聲和不必要的頻率分量，提高系統(tǒng)的信噪比。
2.2DSP信號處理部分
2.2.1DSP電源電路
由于在信號預處理中用到的各個模擬電路的核心芯片都是±5V供電，所以需要將模擬電源的5V轉化為一5V,這里采用TI公司的LMC7660芯片;而信號處理中用到DSP數(shù)字.電路的工作電壓為3.3V和1.8V,這里選用SPX1117芯片將5V電源進行轉換。其中，內部邏輯供電電壓為1.8V,外部接口引腳電壓采用3.3V，便于直接與外部低壓器件相連接。3.2.2.2A/D轉換電路在經過光電轉換、放大、濾波后的信號進入DSP芯片時，要先經過A/D轉換電路，把模擬信號轉換為數(shù)字信號，由DSP做進一步的信號處理。
2.2.3DSP核心電路及時鐘電路
DSP的各管腳有相應處理，有的接(或有上拉電阻)高電平，有的接(或有下拉電阻)低電平。
2.2.4顯示電路
使用液晶屏顯示頻率或流量信息，可以方便觀察實驗結果。本系統(tǒng)選用1602LCD芯片顯示，1602LCD是指顯示的內容為16X2，即可以顯示兩行，每行有16個字符液晶模塊(顯示字符和數(shù)字)。
2.2.5通信電路
為了流量計與計算機連接實現(xiàn)遠程操作，可以采用RS232接口與上位機進行通信。
3.DSP的軟件系統(tǒng)分析
為了實現(xiàn)高精度測量，還需采用一定的算法對信號加以處.理，包括溫度補償算法、非線性校正算法和誤差修正算法等，這些都可以寫人DSP中通過運算實現(xiàn)。將2812DSP與計算機中的CCS仿真環(huán)境相連接，通過仿真器將相應的程序下載到DSP芯片中進行調試。圖6為DSP中軟件設計流程圖。
