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基于HART总线的智能涡街流量计的研究与开发

喻海清  
【摘要】: 现场总线作为过程自动化、制造自动化等领域现场智能设备之间的互连通信网络,建立了生产过程现场控制设备之间以及与更高控制管理层网络之间的联系。而HART总线技术成功的将数字信号通信迭加到现有的现场控制系统上,对改进智能仪表间的通信提供了无风险的解决方案。因此,基于HART总线技术的智能仪表应用最为广泛。 随着数字信号处理器的发展和广泛应用,其高速及对数据的强处理能力日益为人们所认识,将数字处理器运用于参数的实时检测和分析已成为一种发展趋势,它为进一步提高系统的可靠性,实现更为复杂、精确的控制智能创造了条件。 本论文结合长沙矿山研究院的技改项目,研究开发了一种基于HART总线的智能涡街流量计,采用TI公司的新一代超低功耗的混合型信号处理器(MixedSignal Microcontroller)MSP430f149来对流量产生的涡街频率信号进行处理,利用f149芯片的低功耗特性以及片内丰富的外设模块,用纯硬件的方法解决了HART总线设备的低功耗这一技术难关,完全符合HART通信协议技术规范要求。 传统的涡街流量计由施密特触发器产生与流量成正比的脉冲信号(也就是涡街频率信号),再通过计数器累计得到流量值;但是触发的门限电压在抑制门限电压以下的干扰的同时也限制了仪表的量程下限。本文中设计的智能涡街流量计采用硬件和软件相结合的方案来扩大仪表量程下限。 由涡街产生的原理可知,涡街信号频率与流速成正比,强度与流速的平方成正比。而同一个信号在不同的时期强度相差悬殊。本论文提出在前置的信号调理电路中加入跨导放大器,通过由数字信号处理器产生的PWM信号反馈调节跨导放大器的偏置电流来实现信号调理,力求在到达MD转换模块时都有大致相同的幅值,以便充分的利用MD的字长并减小量化误差。然后,通过自适应陷波滤波算法实时地跟踪涡街信号频率的变化。自适应陷波滤波算法是一种基于预测误差的自适应递归算法,这种陷波滤波器能抑制一个特定频率的窄带信号(陷波频率也就是涡街信号频率),并且几乎不受带宽以外频率的影响。从而保证对信号频率的精确估计。 由仿真分析可知智能涡街流量计的抗干扰能力强,不但提高了测量精度,而且扩大量程比,适用于气体、蒸汽和低粘度液体等多种介质,具有较高的性价比。


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