基于數字信號處理器（DSP）的智能流量計儀器系統設計

摘 要：設計了一種基于DSP的智能流量計儀器系統。它采用了先進(jìn)的基于數字信號處理器的硬件平臺，完成對渦街傳感器輸出信號的數字濾波和數字化信息處理，能夠快速、準確地計算出流體的流量。。

關(guān)鍵字：渦街流量計 數字信號處理器（DSP）A/D轉換

一、前言

目前市場(chǎng)上的主要流量計產(chǎn)品在對傳感器輸出的含有噪聲的信號的處理上，主要采用模擬濾波來(lái)實(shí)現，采用這種方式抗干擾能力差、智能化水平低、適應性差，已經(jīng)不能滿(mǎn)足當前工農業(yè)生產(chǎn)和社會(huì )生活的需要。本項目針對這種情況設計了一種以數字信號處理器（DSP）為核心的智能流量計儀器系統。它采用了先進(jìn)的基于數字信號處理器的硬件平臺，完成對渦街傳感器輸出信號的數字濾波和數字化信息處理，快速、準確地計算出流體的流量。

二、系統的硬件設計

1、系統設計的原理

當前流量計產(chǎn)品主要由兩個(gè)部分構成，即流量傳感器部分和信號信息處理部分，本文主要對傳感器輸出信號的處理技術(shù)進(jìn)行研究。

在實(shí)驗中選用先進(jìn)的TMS320LF2407為核心構建系統。LF2407ADSP芯片是基于C2000平臺的定點(diǎn)運算數字信號處理器，具有40MIPS的運行速度，使得其能提供比傳統16位微控制器和微處理器更高的性?xún)r(jià)比。以L(fǎng)F2407A數字信號處理器芯片為核心構建測量系統，傳感器輸出的信號經(jīng)過(guò)調理電路的處理，達到LF2407ADSP芯片的A/D轉換器對輸入信號的要求。由DSP芯片控制片內外設通過(guò)SPI、SCI模塊等數字接口與外界進(jìn)行通信原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統原理框圖

LF2407A數字信號處理器芯片的A/D轉換器所允許的輸入信號為0～3.3V，所選用的壓電晶體渦街傳感器輸出的信號為-3mV～+3mV正弦波，這樣微弱的信號顯然不滿(mǎn)足LF2407A數字信號處理器芯片A/D轉換器的要求，所以在A(yíng)/D轉換前要對傳感器輸出信號進(jìn)行放大、抬升、濾波三步調理。選用斬波穩零式高精度運算放大器ICL7650對傳感器輸出信號進(jìn)行放大，并且在調理電路的最后選用OP07搭建濾波電路對信號進(jìn)行必要的濾波，將輸出信號中的高頻噪聲干擾濾去。

2、信號放大和抬升

ICL7650除了具有普通運算放大器的特點(diǎn)和應用范圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調小、漂移低等特點(diǎn)，所以常常被用在微弱信號的前置放大器中。

由渦街流量傳感器輸出的電壓信號為一頻率變化的含有各種噪聲的正弦波信號，即同時(shí)具有正、負電壓，并且幅值�。ê练�級），而LF2407A數字信號處理器芯片的A/D轉換器要求輸入的信號必須為正電壓，所以還要將信號抬升到0～3.3V區間內。并且為了盡可能提高最后的信號處理精度，我們要使得信號經(jīng)過(guò)放大后高、低電平盡可能接近0、3.3V。

3、信號的濾波

濾波器是具有頻率選擇功能的電路，它允許一定頻率范圍內的信號通過(guò)，而對不需要傳送的信號實(shí)現有效的抑制。所以將運放與反饋引入RC濾波器，構成有源RC濾波器，可以使Q值提高，獲得合適的過(guò)渡帶，提高濾波質(zhì)量。

本系統采用了LF2407A數字信號處理器進(jìn)行信號的處理運算，可以在系統處理速度允許的情況下模擬部分簡(jiǎn)化電路設計，將復雜的信號濾波由數字信號處理器進(jìn)行，具體見(jiàn)圖2。這樣做既節約了成本，也可以獲得更好的信號質(zhì)量。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，濾波算法的效率會(huì )越來(lái)越高，通過(guò)運用先進(jìn)的軟件數字濾波算法，可以很方便的完成信號的數字濾波處理。普通渦街傳感器的輸出信號的頻率范圍為2～2KHz，用OP07運算放大器構建一個(gè)通帶為2KHz的二階低通濾波器放大、抬升電路的輸出信號進(jìn)行濾波。

圖2 系統低通濾波器原理圖

4、數字信號處理器及外圍電路設計

（1）時(shí)鐘電路

LF2407A數字信號處理器芯片的工作頻率為40MHz，選用10MHz的有源晶體振蕩器，需要供電電壓為3.3V，可以直接連接到LF2407A數字信號處理器芯片的XTAL1腳上。需要在內部進(jìn)行4倍頻，達到40MHz的工作頻率。確定C8為0.015μF、C7為0.68、R14為11Ω具體見(jiàn)圖3。

圖3 時(shí)鐘電路

（2）電源電路

為了提供穩定的系統電源和保證系統的正常工作，選用TI公司與LF2407A數字信號處理器芯片配套的電源芯片——TPS73HD318。輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V，輸出最大電流為1.2A。

系統由外部輸入5V交流電，經(jīng)過(guò)濾波處理后提供給HD318芯片，由芯片輸出穩定的3.3V電壓供給LF2407A數字信號處理器芯片內核、片內A/D轉換器以及PLL模塊。另外，5V電源經(jīng)過(guò)濾波以后還要提供給Flash存儲器作為編程電壓，見(jiàn)圖4。在高頻情況下數字、模擬兩部分電路會(huì )互相產(chǎn)生較大的噪聲和電磁干擾，為了避免這種情況，數字電路和模擬電路的要獨立供電，數字地和模擬地也要分開(kāi)，在每個(gè)電源的輸出端都要有一個(gè)磁珠進(jìn)行隔離。而且LF2407A數字信號處理器芯片每個(gè)電源輸入端都要有相應的電容進(jìn)行去耦合濾波，必要的地方還要添加鉭電容以提高效果。在PCB設計時(shí)要注意使濾波電容與所對應的電源輸入端盡可能的近。

三、系統程序設計介紹

系統程序主要是用來(lái)控制系統運行、控制A/D轉換和控制系統與其他流量計或者計算機等外部設備通信。

系統程序中主要模塊有系統初始化模塊、A/D轉換程序模塊和SCI通信控制程序模塊。

如果系統可以與外部進(jìn)行通信，則當所存儲數據溢出時(shí)可以將數據送往外部設備，這樣可以將數據連續存儲，便于使用者的長(cháng)期檢測。如果系統不需要將數據長(cháng)期保存，則保留最新數據，拋棄舊數據，這樣可用于實(shí)時(shí)檢測而不需長(cháng)期紀錄的領(lǐng)域。

圖4 電源電路原理

1、系統初始化模塊

在系統初始化時(shí)，除去設置一些系統寄存器以外，還要初始化ADC模塊和SPI模塊。需要注意的是：在初始化階段首先要使用狀態(tài)寄存器ST0中的全局中斷使能位INTM來(lái)關(guān)閉核心中斷，在主程序開(kāi)始時(shí)再打開(kāi)。

在本項目中選用的外部有源晶振頻率為10MHz，PLL（鎖相環(huán)）倍頻系數選擇為4倍，將SCSI1中CLKPS2、CLKPS1、CLKPS0三位均置0。

將片內雙端口RAM中B0塊配置為數據存儲器，用來(lái)存放A/D轉換結果。

2、ADC模塊設置

在項目中只對一個(gè)模擬通道進(jìn)行轉換，使用兩個(gè)8狀態(tài)的排序器，選用ADC0通道。轉換后結果可從RESULT0中讀取。將轉換后的結果存在DARAM中的B0塊。

3、SCI模塊設置

在SCI模塊設置中，可以通過(guò)SCI通信控制寄存器SCICCR來(lái)定義用于SCI的字符格式、協(xié)議和通信模式。

在本項目中完成的是系統運行的基本程序設置，使硬件平臺能夠順利運行。

四、結論

流量計產(chǎn)品在現代工農業(yè)生產(chǎn)和社會(huì )生活的諸多領(lǐng)域中的應用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)對流量計產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高，針對目前市場(chǎng)上現有傳統流量計產(chǎn)品抗干擾能力較差、智能化水平較低、適應性差、精度不夠高的技術(shù)不足，本項目結合信息技術(shù)領(lǐng)域內的新技術(shù)，就流量計中信息的數字化處理技術(shù)進(jìn)行了研究，以TMS320LF2407A數字信號處理器為核心組建硬件平臺，設計了一種具有一定數字化、智能化、信息化水平的流量計產(chǎn)品。