基于DSP的智能光纖流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)?
發(fā)布時(shí)間：2022-08-30 08:22:31
1.總體處理方案框圖
本文設(shè)計(jì)的智能流量計(jì)光纖測(cè)量系統(tǒng)的整體框架如圖5所示。
隨著葉片旋轉(zhuǎn)，光纖渦輪流量傳感器拾取到呈周期性變化的光信號(hào)，光信號(hào)在經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器后被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、整形、濾波等硬件處理電路后得到的信號(hào)還遠(yuǎn)不能達(dá)到我們所需的“轉(zhuǎn)速一頻率一流量”準(zhǔn)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(qiáng)，計(jì)算精度高的DSP作為信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步的軟件處理，并實(shí)現(xiàn)流量信息的顯示以及與計(jì)算機(jī)的通訊。在這里，我們選取TI公司的TMS320F2812型號(hào)DSP芯片。DSP2812的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換為12位，可保證在存在硬件干擾的情況下對(duì)數(shù)據(jù)的高精度采集;同時(shí)具有32位的定點(diǎn)CPU，主頻可達(dá)150MHz,計(jì)算能力也滿足流量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到光源、光電轉(zhuǎn)換等部件對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響，溫度變化對(duì)傳感器零位漂移的影響，以及傳感器光強(qiáng)調(diào)制過(guò)程存在非線性，應(yīng)加人溫度補(bǔ)償和非線性校正算法以及誤差修正。另外，針對(duì)工程應(yīng)用中傳感器工作環(huán)境特點(diǎn)，可以在傳感器探頭加入準(zhǔn)直透鏡的方法用以提高傳感器的抗噪能力和擴(kuò)展傳感器的線性測(cè)量范圍。
2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
硬件電路主要分為兩部分，第一部分是信號(hào)預(yù)處理部分，第二部分是以DSP為核心的信號(hào)處理部分。信號(hào)預(yù)處理部分分為光電轉(zhuǎn)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(gè)電路模塊外，還包含對(duì)信號(hào)的軟件處理。
2.1信號(hào)預(yù)處理部分
2.1.1光電轉(zhuǎn)換模塊
光電轉(zhuǎn)換模塊的功能是將接收光纖接收的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。它在整個(gè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)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(cè)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(qiáng)成正比，隨著光強(qiáng)的增加OPT101的輸出電壓近似的線性增加。OPT101芯片在一個(gè)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(kāi)設(shè)計(jì)中經(jīng)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(wèn)題。
2.1.2放大電路模塊
光電檢測(cè)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)OPT101光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信.號(hào)較微弱，必須通過(guò)放大處理。前置放大電路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整個(gè)信號(hào)處理電路的性能。由于是微小信號(hào)的放大，所以本系統(tǒng)選用儀表運(yùn)算放大器AD620。AD620是一款低功耗、高精度的運(yùn)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(jiǎn)單、噪聲低等特點(diǎn)，只需要改變外部電阻的阻值就可以實(shí)現(xiàn)從1到1000倍的放大，因此適合用于對(duì)微弱信號(hào)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(nèi)的有用信號(hào)通過(guò)，使在該頻率范圍外的信號(hào)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(hào)主要干擾成分是光電二極管輸出的電壓和光源信號(hào)的漂移、環(huán)境變化及流量計(jì)電路等各種噪聲信號(hào)。為了避開(kāi)噪聲高頻干擾信號(hào)，濾波電路采用--級(jí)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(zhuǎn)換后電壓信號(hào)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(hào)處理部分
2.2.1DSP電源電路
由于在信號(hào)預(yù)處理中用到的各個(gè)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(zhuǎn)化為一5V,這里采用TI公司的LMC7660芯片;而信號(hào)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中，內(nèi)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(zhuǎn)換電路在經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波后的信號(hào)進(jìn)入DSP芯片時(shí)，要先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由DSP做進(jìn)一步的信號(hào)處理。
2.2.3DSP核心電路及時(shí)鐘電路
DSP的各管腳有相應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。本系統(tǒng)選用1602LCD芯片顯示，1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行有16個(gè)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(jì)與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，可以采用RS232接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。
3.DSP的軟件系統(tǒng)分析
為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，還需采用一定的算法對(duì)信號(hào)加以處.理，包括溫度補(bǔ)償算法、非線性校正算法和誤差修正算法等，這些都可以寫(xiě)人DSP中通過(guò)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。將2812DSP與計(jì)算機(jī)中的CCS仿真環(huán)境相連接，通過(guò)仿真器將相應(yīng)的程序下載到DSP芯片中進(jìn)行調(diào)試。圖6為DSP中軟件設(shè)計(jì)流程圖。
