設(shè)計了一種基于 DSP 的智能流量計儀器系統(tǒng)。它采用了先進(jìn)的基于數(shù)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(shù)字濾波和數(shù)字化信息處理，能夠快速、準(zhǔn)確地計算出流體的流量。

一、前言

目前市場上的主要流量計產(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實現(xiàn)，采用這種方式抗干擾能力差、智能化水平低、適應(yīng)性差，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活的需要。本項目針對這種情況設(shè)計了一種以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的智能流量計儀器系統(tǒng)。它采用了先進(jìn)的基于數(shù)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(shù)字濾波和數(shù)字化信息處理，快速、準(zhǔn)確地計算出流體的流量。

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1、系統(tǒng)設(shè)計的原理

當(dāng)前流量計產(chǎn)品主要由兩個部分構(gòu)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。

在實驗中選用先進(jìn)的 TMS320LF2407 為核心構(gòu)建系統(tǒng)。 LF2407A DSP 芯片是基于 C2000 平臺的定點運(yùn)算數(shù)字信號處理器，具有 40MIPS 的運(yùn)行速度，使得其能提供比傳統(tǒng) 16位微控制器和微處理器更高的性價比 。以 LF2407A 數(shù)字信號處理器芯片為核心構(gòu)建測量系統(tǒng)，傳感器輸出的信號經(jīng)過調(diào)理電路的處理，達(dá)到 LF2407A DSP 芯片的 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號的要求。由 DSP 芯片控制片內(nèi)外設(shè)通過 SPI、SCI 模塊等數(shù)字接口與外界進(jìn)行通信原理圖見圖 1。

LF2407A 數(shù)字信號處理器芯片的 A/D 轉(zhuǎn)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足 LF2407A 數(shù)字信號處理器芯片 A/D 轉(zhuǎn)換器的要求，所以在 A/D 轉(zhuǎn)換前要對傳感器輸出信號進(jìn)行放大、抬升、濾波三步調(diào)理。選用斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器 ICL7650 對傳感器輸出信號進(jìn)行放大，并且在調(diào)理電路的***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(yùn)算放大器的特點和應(yīng)用范圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小、漂移低等特點，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，即同時具有正、負(fù)電壓，并且幅值?。ê练墸?LF2407A 數(shù)字信號處理器芯片的 A/D 轉(zhuǎn)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(qū)間內(nèi)。并且為了盡可能提高***后的信號處理精度，我們要使得信號經(jīng)過放大后高、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(nèi)的信號通過，而對不需要傳送的信號實現(xiàn)有效的抑制。所以將運(yùn)放與反饋引入 RC 濾波器，構(gòu)成有源 RC 濾波器，可以使 Q 值提高，獲得合適的過渡帶，提高濾波質(zhì)量。

本系統(tǒng)采用了 LF2407A 數(shù)字信號處理器進(jìn)行信號的處理運(yùn)算，可以在系統(tǒng)處理速度允許的情況下模擬部分簡化電路設(shè)計，將復(fù)雜的信號濾波由數(shù)字信號處理器進(jìn)行，具體見圖 2。這樣做既節(jié)約了成本，也可以獲得更好的信號質(zhì)量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，濾波算法的效率會越來越高，通過運(yùn)用先進(jìn)的軟件數(shù)字濾波算法，可以很方便的完成信號的數(shù)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(yùn)算放大器構(gòu)建一個通帶為 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。

4、數(shù)字信號處理器及外圍電路設(shè)計

（1）時鐘電路 LF2407A 數(shù)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(shù)字信號處理器芯片的 XTAL1 腳上。需要在內(nèi)部進(jìn)行 4 倍頻，達(dá)到 40MHz 的工作頻率。確定 C8 為 0.015μF、C7 為 0.68、R14 為 11Ω 具體見圖 3。

（2）電源電路為了提供穩(wěn)定的系統(tǒng)電源和保證系統(tǒng)的正常工作，選用 TI 公司與 LF2407A 數(shù)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***大電流為 1.2A。

系統(tǒng)由外部輸入 5V 交流電，經(jīng)過濾波處理后提供給 HD318 芯片，由芯片輸出穩(wěn)定的 3.3V 電壓供給 LF2407A 數(shù)字信號處理器芯片內(nèi)核、片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器以及 PLL 模塊。另外，5V 電源經(jīng)過濾波以后還要提供給 Flash 存儲器作為編程電壓，見圖 4。在高頻情況下數(shù)字、模擬兩部分電路會互相產(chǎn)生較大的噪聲和電磁干擾，為了避免這種情況，數(shù)字電路和模擬電路的要獨立供電，數(shù)字地和模擬地也要分開，在每個電源的輸出端都要有一個磁珠進(jìn)行隔離。而且 LF2407A 數(shù)字信號處理器芯片每個電源輸入端都要有相應(yīng)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(shè)計時要注意使濾波電容與所對應(yīng)的電源輸入端盡可能的近。

三、系統(tǒng)程序設(shè)計介紹

系統(tǒng)程序主要是用來控制系統(tǒng)運(yùn)行、控制 A/D 轉(zhuǎn)換和控制系統(tǒng)與其他流量計或者計算機(jī)等外部設(shè)備通信。

 系統(tǒng)程序中主要模塊有系統(tǒng)初始化模塊、A/D 轉(zhuǎn)換程序模塊和 SCI 通信控制程序模塊。

如果系統(tǒng)可以與外部進(jìn)行通信，則當(dāng)所存儲數(shù)據(jù)溢出時可以將數(shù)據(jù)送往外部設(shè)備，這樣可以將數(shù)據(jù)連續(xù)存儲，便于使用者的長期檢測。如果系統(tǒng)不需要將數(shù)據(jù)長期保存，則保留***新數(shù)據(jù)，拋棄舊數(shù)據(jù)，這樣可用于實時檢測而不需長期紀(jì)錄的領(lǐng)域。

1、系統(tǒng)初始化模塊

在系統(tǒng)初始化時，除去設(shè)置一些系統(tǒng)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來關(guān)閉核心中斷，在主程序開始時再打開。

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(shù)選擇為 4 倍，將 SCSI1 中 CLK PS2、CLKPS1、CLK PS0 三位均置 0。

將片內(nèi)雙端口 RAM 中 B0 塊配置為數(shù)據(jù)存儲器，用來存放 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2、ADC 模塊設(shè)置

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

3、SCI 模塊設(shè)置

在 SCI 模塊設(shè)置中，可以通過 SCI 通信控制寄存器SCICCR 來定義用于 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(tǒng)運(yùn)行的基本程序設(shè)置，使硬件平臺能夠順利運(yùn)行。

四、結(jié)論

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