專利名稱：基于快速傅里葉變換的低功耗兩線制渦街流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域，為一種低功耗兩線制渦街流量計(jì)，特別是一種以單片機(jī) (MCU)為核心、基于快速傅里葉變換(FFT)的周期圖譜分析的低功耗、兩線制渦街流量計(jì) 信號(hào)處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
中國(guó)發(fā)明專利公布了一種改進(jìn)的低功耗兩線制渦街流量計(jì)(徐科軍，劉三山，劉家 祥，羅清林，朱志海.改進(jìn)的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，申請(qǐng)發(fā)明專利，200810246107.9， 申請(qǐng)日2008.12.22)。 一種改進(jìn)的低功耗兩線制渦街流量計(jì)由壓電傳感器、差分電荷 放大器、電壓放大器、程控放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、帶通濾波器組、帶通選 擇開關(guān)電路、峰值檢測(cè)電路、整形電路、單片機(jī)、人機(jī)接口電路、4 20raA輸出與電源 管理電路、恒流源、溫度傳感器、壓力傳感器、差分放大器和16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。該 系統(tǒng)采用差分電荷放大器以提高提取渦街信號(hào)的能力，同時(shí)，增強(qiáng)抗干擾能力；由高通 濾波器與低通濾波器級(jí)聯(lián)組成帶通濾波器，以獲得更好的通帶特性；將峰值檢測(cè)電路放 在帶通濾波器之后，以提高峰值檢測(cè)的精度；將比較器配置成觸發(fā)器對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行整 形，利用定時(shí)器捕獲方式，采用多周期等精度的頻率測(cè)量方法，提高測(cè)量精度；將電路 的模擬地通過串聯(lián)電容和電感的方式，接至儀表外殼，以實(shí)現(xiàn)屏蔽和通過安全性能試驗(yàn)； 采用少點(diǎn)數(shù)的FFT算法，粗估渦街流量傳感器輸出信號(hào)的頻率，作為選擇帶通濾波器的 依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明系統(tǒng)采用基于快速傅里葉變換(FFT)的功率譜分析方法，處理渦街流量傳 感器的輸出信號(hào)，直接由周期圖法得到渦街信號(hào)的頻率來反映流量大小，而不是原先由 少點(diǎn)數(shù)FFT的功率譜粗估渦街頻率，來選擇合適的帶通濾波器對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行濾波，再 根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來反映流量大小，所以，本發(fā)明系統(tǒng)的抗干擾能力更強(qiáng)。原先系統(tǒng)是一種 數(shù)字與模擬相結(jié)合的兩線制渦街流量計(jì)，數(shù)字指的是少點(diǎn)數(shù)FFT，模擬是指模擬帶通濾 波器。本發(fā)明系統(tǒng)完全基于FFT方法，所以，為了與原先的系統(tǒng)相區(qū)別，稱本發(fā)明系統(tǒng)為基于FFT的低功耗兩線制渦街流量計(jì)。為了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)FFT方法，本發(fā)明系統(tǒng)不僅采用 新的超低功耗單片機(jī)，更為重要的是采用實(shí)數(shù)FFT算法，并采用匯編語言編制FFT程序， 以提高運(yùn)算速度和減少內(nèi)存容量。正因?yàn)椴捎肍FT方法，才可以去掉渦街流量傳感器調(diào) 理電路中的程控放大器，減少發(fā)明系統(tǒng)的器件和降低成本。通過隔離DC/DC將外部24V 電源與供單片機(jī)和渦街信號(hào)調(diào)理電路相隔離，這樣可以將調(diào)理電路的模擬地接至儀表的 外殼，以提高抗50Hz工頻干擾的能力，又能通過安全性能試驗(yàn)。
基于FFT的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，包括壓電傳感器、限幅放大器、低通濾波器、 電壓跟隨器、單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換器、4 20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、 LDO、時(shí)鐘管理、 復(fù)位電路、電源監(jiān)測(cè)、按鍵輸入、LCD顯示電路。
壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)過電壓放大器、 限幅放大器、低通濾波器和電壓跟隨器送至單片機(jī)的ADC輸入端，被單片機(jī)自帶的ADC 采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，做周期圖譜分析， 得到信號(hào)的頻率值，計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，將流量信息顯示在LCD上，由單片機(jī) 的SPI接口通過光耦連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由4 20raA輸出電路經(jīng)過V/I 轉(zhuǎn)換成4 20mA電流信號(hào)輸出。計(jì)算出來的流量頻率由單片機(jī)U18的UART接口，通過 光耦U7隔離，再經(jīng)過整形后，發(fā)至外部單片機(jī)，將流量信息送出。外部單片機(jī)通過光 耦U5.，再經(jīng)過整形電路U6，與單片機(jī)U18的UART相連，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。
外部24V電源電壓通過DC/DC轉(zhuǎn)換成7V電壓，再通過隔離DC/DC，轉(zhuǎn)換成3. 3V， 再通過LD0轉(zhuǎn)換成3V電壓，供給模擬信號(hào)調(diào)理電路(電荷放大器、限幅放大器、低通濾 波器和電壓跟隨器)和單片機(jī)及外圍電路。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用實(shí)數(shù)FFT算法，并用匯編語言實(shí)現(xiàn)，與復(fù)數(shù)FFT算法相比， 可以節(jié)省近一半的運(yùn)算時(shí)間和存儲(chǔ)量，使單片機(jī)可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)2048點(diǎn)FFT算法，確定 渦街流量的頻率，與經(jīng)過帶通濾波器后、再通過脈沖計(jì)數(shù)來測(cè)量頻率的方法相比，抗干 擾能力大大加強(qiáng)；在算法中，采用幅值校正、頻率校正、去最大值、去最小值、平均和 加速等方法，提高計(jì)算精度和運(yùn)算速度，減少波動(dòng)；采用隔離的DC/DC為模擬信號(hào)調(diào) 理電路和單片機(jī)及外圍電路供電，使模擬信號(hào)調(diào)理電路的模擬地可以直接接至儀表的表 殼，增強(qiáng)了 50Hz工頻干擾的能力，又能通過安全性能試驗(yàn)；省去程控放大電路，節(jié) 省成本。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)的硬件框圖。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中電荷放大器的電路原理圖。
圖3是偏置電平電路原理圖。
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)中限幅放大器的電路原理圖。
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)中低通濾波器和跟隨器的電路原理圖。
圖6是單片機(jī)芯片管腳接線示意圖。
圖7是本發(fā)明系統(tǒng)中用于4 20rnA電流輸出的光耦隔離的電路原理圖 圖8是本發(fā)明系統(tǒng)中4 20raA輸出電流控制電路的電路原理圖 圖9是本發(fā)明系統(tǒng)中DA轉(zhuǎn)換電路圖。 圖10是4 20mA輸出電路原理圖。 圖11是24V至3. 3V電源電路原理圖。 圖12是3. 3V到3V轉(zhuǎn)換電路原理圖。 圖13是光耦隔離和整形電路原理圖。 圖14是本發(fā)明系統(tǒng)軟件框圖。 圖15是本發(fā)明系統(tǒng)中主監(jiān)控程序流程圖。 圖16是本發(fā)明系統(tǒng)中流量計(jì)算流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是采用實(shí)數(shù)FFT算法，并用匯編語言實(shí)現(xiàn)，減少運(yùn)算量和存儲(chǔ) 量，使單片機(jī)可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)2048點(diǎn)FFT算法，確定渦街流量的頻率，提高抗干擾能力； 在算法中，采用幅值校正、頻率校正、去最大值、去最小值、平均和加速等方法，提高 計(jì)算精度和運(yùn)算速度，減少波動(dòng)；采用隔離的DC/DC為模擬信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī)及 外圍電路供電，使模擬信號(hào)調(diào)理電路的模擬地可以直接接至儀表的表殼，增強(qiáng)了抗50Hz 工頻干擾的能力，又能通過安全性能試驗(yàn)；在電源部分采用隔離DC/DC進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換， 信號(hào)輸出和通信采用光耦進(jìn)行隔離；省去程控放大電路，節(jié)省成本。
本發(fā)明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。本發(fā)明系統(tǒng)包括壓電傳感器、限幅放大器、低 通濾波器、電壓跟隨器、單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換器、4 20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、 LDO、時(shí)鐘管理、復(fù)位電路、電源監(jiān)測(cè)、按鍵輸入、LCD顯示電路。
本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程為壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?信號(hào)，再經(jīng)過電壓放大器、限幅放大器、低通濾波器和電壓跟隨器送至單片機(jī)的ADC輸 入端，被單片機(jī)自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變 換(FFT)，做周期圖譜分析，得到信號(hào)的頻率值，計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，將流量 信息顯示在LCD上，由單片機(jī)的SPI接口通過光耦連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 由4 20mA輸出電路經(jīng)過V/1轉(zhuǎn)換成4 20mA電流信號(hào)輸出。計(jì)算出來的流量頻率由 UART接口接至通信模塊，再通過光耦隔離，再經(jīng)整形后，與外部單片機(jī)(MCU)通信，可 以將流量信息送出，也可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。
如圖2所示，渦街流量傳感器，即壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)由放大器U14A、電 容C23、 C26、 C30、 C33 、 C34、電阻R36、 R43、 R46組成的電荷放大器放大，其中，C23、 C34是反饋電容，決定了電荷放大器的放大倍數(shù)。圖2和其它圖中的偏置電壓Vref由圖 3所示的偏置電平電路提供。偏置電平電路由運(yùn)算放大器U14B、電阻R34、 R35和電容 C24組成，提供1.25V直流電壓。
經(jīng)過放大后的信號(hào)通過隔直電容C27，去除直流成分后，送至由放大器U15B、電容 C25、 C31、電阻R37、 R39、 R40、 二極管D3、 D4組成的限幅放大器，如圖4所示。
經(jīng)過限幅放大器后的信號(hào)送至低通濾波器和電壓跟隨器，如圖5所示。低通濾波器 由放大器U15D、電容C28、 C29、電阻R38、 R41、 R42組成。電壓跟隨器由放大器U15A 組成。
電壓跟隨器的輸出信號(hào)Signall,送至單片機(jī)的第7管腳P7. 6/A14,如圖6所示， 供單片機(jī)ADC采樣轉(zhuǎn)換后進(jìn)行周期圖譜分析。本發(fā)明系統(tǒng)采用TI公司的單片機(jī) MSP430F5418為處理核心，如圖6所示。由于本發(fā)明系統(tǒng)要做到超低功耗，同時(shí)，系統(tǒng) 在信號(hào)處理時(shí)用到FFT運(yùn)算，需要大容量的SRAM，但外擴(kuò)會(huì)大大增加系統(tǒng)功耗，而 MSP430F1611單片機(jī)具有16KB的SRAM。
單片機(jī)將計(jì)算出來的瞬時(shí)流量信息通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換，變成 4 20mA電流輸出。單片機(jī)的第21、 22和23腳輸出的給DAC的時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和 片選信號(hào)分別接至光耦U9的第1、 4腳和光耦Ull的第2腳，如圖6和圖7所示。經(jīng)過 光耦隔離后，對(duì)應(yīng)的輸出是光耦U9的第7、 6腳和光耦U11的第6腳。這些引腳再分別接至比較器U10的第2、 6腳和比較器U12的第2腳，如圖8所示。最終由U10第1腳 輸出時(shí)鐘信號(hào)、第7腳輸出數(shù)據(jù)信號(hào)、U12第6腳輸出片選信號(hào)至DACU1，如圖9所示。 Ul將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過R1接至圖10中的R2，送入4 20mA電路。
如圖10所示的4 20mA輸出模塊由4 20mA電流變送器U2 XTR115、三極管Ql、 穩(wěn)壓管D2、電容C1、 C3、電阻R2、 R3、 R4、 R5組成，將瞬時(shí)流量信息變成4-20mA電 流輸出。
圖11是24V到3.3V的電源電壓轉(zhuǎn)換電路，包括非隔離DC/DC U3、隔離DC/DC U4、 電感L1、電容C6、 C7、 C8、 C9、 C4、 C5、電阻R6、 R8、 R7、 R9。 24V電源電壓通過非 隔離DC/DC U3轉(zhuǎn)換成7V，再通過隔離DC/DC U4將7V轉(zhuǎn)換成3. 3V。
圖12是3. 3V到3V的電源電壓轉(zhuǎn)換電路，包括LD0U13、電容C20、 C21、電阻R29、 R30、 R31。 U13將3.3V轉(zhuǎn)換成3V電壓輸出，為模擬信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī)及外圍電路 供電。
本發(fā)明系統(tǒng)的計(jì)算出來的流量信息還可以通過通信模塊向其它MCU發(fā)送，也可以接 收其它MCU發(fā)來的指令。圖13是光耦隔離和整形電路圖，由光耦U5、 U7、整形電路 U6、 U8、電容CIO、 Cll、 C12、 C13、電阻Rll、 R12、 R13組成。單片機(jī)U18要輸出 的數(shù)據(jù)，經(jīng)第56腳通過電阻R13與光耦U7的第2腳相連，再通過整形電路U8的整形， 發(fā)至外部的MCU，分別如圖6和圖13所示。單片機(jī)U18要接收的外部數(shù)據(jù)是由Rll 接至光耦U5的第2腳，經(jīng)過光耦后，再通過整形電路U6的第4腳接至單片機(jī)U18的 第57腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通信。
本發(fā)明系統(tǒng)軟件總體框圖如圖14所示，由主監(jiān)控程序模塊、看門狗模塊、中斷模 塊、初始化模塊、鐵電存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘管理模塊、人機(jī)接口模塊、算法模塊和通信模 塊組成。中斷模塊中包括定時(shí)器中斷、DMA中斷和通信中斷，其中，定時(shí)器中斷用于控 制計(jì)算累計(jì)流量的時(shí)間、掃描鍵盤、3分鐘保存1次數(shù)據(jù)；DMA中斷用于當(dāng)采集完1組 數(shù)據(jù)(2100點(diǎn))后，將指針移至數(shù)組的起始位置；通信中斷用于與其它MCU之間的信息交 換，即將渦街流量頻率和幅值送至其它MCU，從其它MCU接收指令和數(shù)據(jù)。
圖14中的主監(jiān)控程序模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的總調(diào)度程序，調(diào)用各個(gè)模塊中的子程 序，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明系統(tǒng)的所要求的功能。主監(jiān)控程序的流程如圖15所示。它是一個(gè)循環(huán) 程序，系統(tǒng)一上電，主監(jiān)控程序自動(dòng)運(yùn)行，進(jìn)入查詢和進(jìn)行相應(yīng)處理的循環(huán)中?；具^程為系統(tǒng)上電后，立即進(jìn)行初始化；初始化后，首先查詢是否釆集滿2100點(diǎn)數(shù)據(jù)。 若采集滿，則進(jìn)行流量計(jì)算；再刷新液晶，更新瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等信息的顯示；然 后，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，即與外部單片機(jī)進(jìn)行通信。
基于FFT的低功耗渦街流量計(jì)采用的處理器為MSP430F5418，其RAM容量為16KB。 為了保證計(jì)算精度，需要計(jì)算2048點(diǎn)FFT。在計(jì)算中，需要設(shè)置1個(gè)放2100點(diǎn)數(shù)據(jù)的 循環(huán)數(shù)組；需要放2048點(diǎn)實(shí)部和2048點(diǎn)虛部的中間結(jié)果的數(shù)據(jù)；需要放1024點(diǎn)結(jié)果 的數(shù)據(jù)；而每個(gè)數(shù)據(jù)需要2個(gè)字節(jié)，這樣需要超過14KB內(nèi)存。再加上頻譜校正和平均 等處理，內(nèi)存將超過16KB。為此，本發(fā)明專利系統(tǒng)采用實(shí)數(shù)FFT算法。將2048點(diǎn)的實(shí) 數(shù)分成兩個(gè)1024點(diǎn)的實(shí)數(shù)系列，組成一個(gè)1024點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列，其中2048點(diǎn)中的偶數(shù) 項(xiàng)為復(fù)數(shù)序列中的實(shí)部，奇數(shù)項(xiàng)為復(fù)數(shù)序列中的虛部，然后計(jì)算1024點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT，最 后通過公式將其轉(zhuǎn)化成為2048點(diǎn)的實(shí)數(shù)FFT。經(jīng)過比較，此種方法比直接計(jì)算2048點(diǎn) 的實(shí)數(shù)FFT要節(jié)省4K的內(nèi)存。
假設(shè)要計(jì)算一個(gè)長(zhǎng)度為2N的實(shí)序列x(n)的DFT:X(k)， n=0， 1,…，2N-1 。首先將其 偶數(shù)項(xiàng)g(r)=x(2r)作為復(fù)數(shù)序列中的實(shí)部，奇數(shù)項(xiàng)h(r)=x(2r+l)為復(fù)數(shù)序列中的虛 部，r=0， 1，…，N-l，則組成的N點(diǎn)復(fù)數(shù)序列為 y(r)- g(r)+j*h(r) (1)
根據(jù)DFT的定義，y(r)的DFT為:
Y(k)=》(r)e w
W-l "'^j^
=S cos與+/<r) sin與妙]+ & ,) cos與*r - g(。 sin與Ar]
(2)
式中，4W = J>(r)C0S;^r，3 〃 ，=2>(。cos》，
s 〃 因此，rw(" = 4(A:) + :^(A:)，
，=，-，， ，-A:) = ^(H(A:)，
由定義可知，g(r)的DFT為:
W-1 一,、
=S) [cos與- sin與W
=>W + r ] + 4[， —，一A:)] (3) 同理，可求出h(r)的DFT為
w-i 2" 2;r
= J] Z O)[cos : ^ — / sin : ^r]
^KW + ^iV-AOl + y^I^iV —幻-( ) 又根據(jù)定義，長(zhǎng)度為2N的實(shí)序列x(n)，其DFT為
2W—1
単)k=0, 1，…，2N-l
w=0
g(r)=x(2r) h(r)=x(2r+l)<formula>formula see original document page 10</formula>
其計(jì)算過程為
(1) 對(duì)2048點(diǎn)實(shí)數(shù)序列按照式(l)組成一個(gè)1024點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列；
(2) 計(jì)算1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT，其結(jié)果為式(2);
(3) 根據(jù)式(3)、 (4)計(jì)算G(k)和H(k);
(4) 根據(jù)式(5)計(jì)算出X(k)，即為長(zhǎng)度為2N的實(shí)序列x(n)的DFT。
圖16是流量計(jì)算流程圖。對(duì)2048點(diǎn)數(shù)據(jù)做2次基于FFT的功率譜，即采用Welch (韋爾奇)方法進(jìn)行功率譜，然后，求平均；對(duì)最大的3個(gè)峰值進(jìn)行幅值校正，選出其 中最大的1個(gè)幅值；對(duì)這個(gè)幅值所在的頻率進(jìn)行頻率校正，這樣就完成了 1次渦街流量 頻率的計(jì)算。在2秒鐘內(nèi)，計(jì)算頻率5次，即做10次實(shí)數(shù)FFT運(yùn)算。對(duì)這5個(gè)頻率值， 去掉l個(gè)最大值、l個(gè)最小值，再對(duì)剩下的3個(gè)頻率值做平均，得到頻率值。將這個(gè)頻 率填入1個(gè)可以放15個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)組。若連續(xù)2個(gè)頻率值為0，則結(jié)果為O;若連續(xù)2個(gè) 頻率值與前4秒時(shí)的頻率的差值的絕對(duì)值超過設(shè)定范圍，則清除這2個(gè)頻率值之前的數(shù) 據(jù)，取這2個(gè)頻率值的均值作為渦街流量頻率；在正常情況下，去掉2個(gè)最大值、2個(gè) 最小值以及O值，對(duì)剩下的頻率值求平均，作為渦街流量頻率。再計(jì)算瞬時(shí)流量和累計(jì) 流量。在流量計(jì)算中，做3種平均， 一是對(duì)兩次功率譜計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行平均；二是對(duì)5 次頻率值進(jìn)行平均；三是對(duì)15個(gè)頻率結(jié)果進(jìn)行平均。
權(quán)利要求
1、基于快速傅里葉變換的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，包括壓電傳感器、限幅放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換器、4～20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、LDO、時(shí)鐘管理、復(fù)位電路、電源監(jiān)測(cè)、按鍵輸入、LCD顯示電路，其特征在于壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)過電壓放大器、限幅放大器、低通濾波器和電壓跟隨器送至單片機(jī)的ADC輸入端，被單片機(jī)自帶的ADC采樣和轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，做周期圖譜分析，得到信號(hào)的頻率值，計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，將流量信息顯示在LCD上，由單片機(jī)的SPI接口通過光耦連接到數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由4～20mA輸出電路經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)輸出。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于快速傅里葉變換的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，其特征 在于:采用實(shí)數(shù)FFT算法，將2048點(diǎn)的實(shí)數(shù)分成兩個(gè)1024點(diǎn)的實(shí)數(shù)系列，組成一個(gè)1024 點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列，其中2048點(diǎn)中的偶數(shù)項(xiàng)為復(fù)數(shù)序列中的實(shí)部，奇數(shù)項(xiàng)為復(fù)數(shù)序列中的 虛部，然后計(jì)算1024點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT，最后通過公式將其轉(zhuǎn)化成為2048點(diǎn)的實(shí)數(shù)FFT。
3、 如權(quán)利要求l所述的基于快速傅里葉變換的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，其特征 在于對(duì)2048點(diǎn)數(shù)據(jù)做2次基于FFT的功率譜，即采用韋爾奇方法進(jìn)行功率譜，然后， 求平均；對(duì)最大的3個(gè)峰值進(jìn)行幅值校正，選出其中最大的l個(gè)幅值；對(duì)這個(gè)幅值所在 的頻率進(jìn)行頻率校正，這樣就完成了 1次渦街流量頻率的計(jì)算；在2秒鐘內(nèi)，計(jì)算頻率 5次，即做10次實(shí)數(shù)FFT運(yùn)算；對(duì)這5個(gè)頻率值，去掉l個(gè)最大值、l個(gè)最小值，再對(duì) 剩下的3個(gè)頻率值做平均，得到頻率值；將這個(gè)頻率填入1個(gè)可以放15個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)組； 若連續(xù)2個(gè)頻率值為0，則結(jié)果為O;若連續(xù)2個(gè)頻率值與前4秒時(shí)的頻率的差值的絕 對(duì)值超過設(shè)定范圍，則清除這2個(gè)頻率值之前的數(shù)據(jù)，取這2個(gè)頻率值的均值作為渦街 流量頻率；在正常情況下，去掉2個(gè)最大值、2個(gè)最小值以及0值，對(duì)剩下的頻率值求 平均，作為渦街流量頻率；再計(jì)算瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。
4、 如權(quán)利要求1所述的基于快速傅里葉變換的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，其特征 在于在電源電路部分，釆用隔離的DC/DC為模擬信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī)及外圍電路供 電，模擬信號(hào)調(diào)理電路的模擬地直接接至儀表的表殼。
5、 如權(quán)利要求1所述的基于快速傅里葉變換的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，其特征 在于在信號(hào)輸出和通信部分采用光耦進(jìn)行隔離。
全文摘要
本發(fā)明涉及流量檢測(cè)領(lǐng)域，為一種基于快速傅里葉變換(FFT)的功率譜分析的低功耗兩線制渦街流量計(jì)，包括壓電傳感器、限幅放大器、低通濾波器、電壓跟隨器、單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換器、4～20mA輸出和隔離和非隔離DC/DC、LDO、時(shí)鐘管理、復(fù)位電路、電源監(jiān)測(cè)、按鍵輸入、LCD顯示電路。采用匯編語言實(shí)現(xiàn)實(shí)數(shù)FFT算法，用周期圖法處理渦街傳感器信號(hào)，進(jìn)行幅值和頻率校正，計(jì)算瞬時(shí)和累積流量，輸出4～20mA直流電流、兩線制工作。本發(fā)明運(yùn)算速度快，運(yùn)算精度高，抗干擾能力強(qiáng)，節(jié)省存儲(chǔ)空間，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，制造成本低。
文檔編號(hào)G01F1/32GK101614566SQ20091011717
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者劉三山, 全 周, 徐科軍, 羅清林 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)