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基于DSP的智能光纤流量计信号处理系统
发布时间：2022-08-30 08:22:31
1.总体处理方案框图
本文设计的智能流量计光纤测量系统的整体框架如图5所示。
随着叶片旋转，光纤涡轮流量传感器拾取到呈周期性变化的光信号，光信号在经过光电转换器后被转换为电压信号，经过信号放大、整形、滤波等硬件处理电路后得到的信号还远不能达到我们所需的“转速一频率一流量”准确信息，为提高系统的精度和稳定性，本系统将采用处理能力强，计算精度高的DSP作为信号处理平台对信号作进一步的软件处理，并实现流量信息的显示以及与计算机的通讯。在这里，我们选取TI公司的TMS320F2812型号DSP芯片。DSP2812的内置A/D转换为12位，可保证在存在硬件干扰的情况下对数据的高精度采集;同时具有32位的定点CPU，主频可达150MHz,计算能力也满足流量测量系统对数据处理的要求。
系统设计时，考虑到光源、光电转换等部件对系统测量结果的影响，温度变化对传感器零位漂移的影响，以及传感器光强调制过程存在非线性，应加人温度补偿和非线性校正算法以及误差修正。另外，针对工程应用中传感器工作环境特点，可以在传感器探头加入准直透镜的方法用以提高传感器的抗噪能力和扩展传感器的线性测量范围。
2.硬件系统设计
硬件电路主要分为两部分，第一部分是信号预处理部分，第二部分是以DSP为核心的信号处理部分。信号预处理部分分为光电转换模块、放大模块、滤波模块。而DSP部分除了包括其主要的几个电路模块外，还包含对信号的软件处理。
2.1信号预处理部分
2.1.1光电转换模块
光电转换模块的功能是将接收光纤接收的光强信号转换为电压信号。它在整个动态检测系统中起着极其重要的作用，它的好坏和灵敏度将很大程度.上影响着最终系统的测量精度。本系统选用的光电二极管是光电二极管电流与照射在其上的光强成正比，随着光强的增加OPT101的输出电压近似的线性增加。OPT101芯片在一个单片，上集成了互跨阻抗放大器集和光电二极管，这就消除了分开设计中经常出现的如漏电流误差、噪声交叉干扰以及杂散电容引起的增益峰化等问题。
2.1.2放大电路模块
光电检测系统中，经过OPT101光电转换后输出的电压信.号较微弱，必须通过放大处理。前置放大电路设计的好坏将直接影响整个信号处理电路的性能。由于是微小信号的放大，所以本系统选用仪表运算放大器AD620。AD620是一款低功耗、高精度的运算放大器，具有高共模抑制比、放大频带宽、温度稳定性好、使用简单、噪声低等特点，只需要改变外部电阻的阻值就可以实现从1到1000倍的放大，因此适合用于对微弱信号的精确放大。
2.1.3滤波电路模块
滤波模块是抑制和防止干扰的重要环节，其功能是使一-定频率范围内的有用信号通过，使在该频率范围外的信号衰减，从而提高系统的信噪比。在本系统中，光纤传感器采集的信号主要干扰成分是光电二极管输出的电压和光源信号的漂移、环境变化及流量计电路等各种噪声信号。为了避开噪声高频干扰信号，滤波电路采用--级陡度系数较大的有源二阶低通滤波器，它可以使噪声得到较快、较大的衰减，基本滤除叠加在光电转换后电压信号上的噪声和不必要的频率分量，提高系统的信噪比。
2.2DSP信号处理部分
2.2.1DSP电源电路
由于在信号预处理中用到的各个模拟电路的核心芯片都是±5V供电，所以需要将模拟电源的5V转化为一5V,这里采用TI公司的LMC7660芯片;而信号处理中用到DSP数字.电路的工作电压为3.3V和1.8V,这里选用SPX1117芯片将5V电源进行转换。其中，内部逻辑供电电压为1.8V,外部接口引脚电压采用3.3V，便于直接与外部低压器件相连接。3.2.2.2A/D转换电路在经过光电转换、放大、滤波后的信号进入DSP芯片时，要先经过A/D转换电路，把模拟信号转换为数字信号，由DSP做进一步的信号处理。
2.2.3DSP核心电路及时钟电路
DSP的各管脚有相应处理，有的接(或有上拉电阻)高电平，有的接(或有下拉电阻)低电平。
2.2.4显示电路
使用液晶屏显示频率或流量信息，可以方便观察实验结果。本系统选用1602LCD芯片显示，1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行有16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
2.2.5通信电路
为了流量计与计算机连接实现远程操作，可以采用RS232接口与上位机进行通信。
3.DSP的软件系统分析
为了实现高精度测量，还需采用一定的算法对信号加以处.理，包括温度补偿算法、非线性校正算法和误差修正算法等，这些都可以写人DSP中通过运算实现。将2812DSP与计算机中的CCS仿真环境相连接，通过仿真器将相应的程序下载到DSP芯片中进行调试。图6为DSP中软件设计流程图。
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