基于DSP的高性能电磁流量变送器研制

汪春畅，徐科军，许 伟，梁利平，吴建平

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

基于DSP的高性能电磁流量变送器研制

汪春畅，徐科军，许 伟，梁利平，吴建平

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

为了实时实现适用于水流量和浆液流量测量的高频励磁控制和数字信号处理算法，同时，使变送器具有较为完备的人机接口和通信功能，采用梳状带通滤波算法处理水流量信号，并基于信号重构算法处理浆液流量信号。充分、合理地利用DSP的资源，设计硬件系统，实现仪表的各种功能。巧妙、灵活地安排励磁控制、信号处理、人机接口、数据通信之间的时序，研制DSP软件。通过配置20 ms的定时器中断，并在其中断服务程序中采用中断嵌套的方式，确保励磁控制和信号处理的实时性。将执行时间较长的液晶刷新显示子程序和按键操作子程序放置在主循环中，以便其他模块的正常执行。所研制的DSP软件系统适用于矩形励磁或三值励磁下的水流量和浆液流量的测量。对研制的高性能电磁流量变送器进行算法实时性测试和水流量标定试验，取得了较好的试验结果。

电磁流量计； 变送器； 数字信号处理器； 实时性； 人机界面； 通信模块； PWM

0 引言

电磁流量计由于流量管内无阻挡物、性能可靠等优点，被广泛用于水流量和纸浆、水煤浆等浆液流量的测量。但是，国内大多数电磁流量变送器均采用低频励磁方式[1-4]，且仅仅采用简单的滤波算法[5-7]，既无法有效地消除浆液噪声，也无法提高单相流量的处理精度。为此，提出了高低压切换励磁控制方法和基于脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)的励磁控制算法，以实现高频励磁[8-10]；提出梳状带通滤波和基于统计分析及信号重构的信号处理方法[11-13]，以提高测量单相流量的精度和实现浆液流量的测量。为了实现这些先进和复杂的励磁控制和信号处理算法，采用数字信号处理(digital signal process，DSP)芯片为核心来研制电磁流量变送器。但是，作为高性能电磁流量变送器，不仅要实时实现先进的励磁控制和信号处理算法，而且要具备参数设置灵活、显示内容丰富的人机接口以及功能强大的通信模块。然而，目前基于DSP的电磁流量变送器没有能够同时完成这三方面的能力[14-16]。究其原因是，虽然DSP具有高速运算的能力，但是，励磁控制和信号处理算法复杂、运算量大，而电磁流量计有实时测量和刷新的要求，所以，对DSP软件的实时性提出了挑战。其次，为了丰富显示内容，需要采用点阵式液晶显示器(liquid crystal display,LCD)。与以往基于DSP的电磁流量变送器所用的段码式LCD相比，点阵式LCD的刷新时间和占用DSP的时间长。另外，为了实现与其他设备的数据传输与信息交换，需要具备各种通信功能，例如，Hart和Modbus等，这又将占用DSP较多的运算时间。所以，在设计DSP硬件系统时，如何合理地配置其资源；在开发DSP软件程序时，如何保证其控制和处理算法的实时性，就成为变送器研制中必须解决的关键技术问题。

为此，本文根据高性能电磁流量变送器的要求，充分、合理地利用DSP的资源，巧妙、灵活地安排励磁控制、信号处理、人机接口、数据通信之间的时序，成功研制实时实现励磁控制和信号处理的DSP软硬件，并取得较好的试验效果。

1 硬件设计

1.1 资源配置

为了实现高性能电磁流量变送器的全部功能，必须选择合适的DSP芯片，并合理地配置其资源。选择TMS320F28335 DSP芯片作为高性能电磁流量变送器的控制和处理的核心芯片。该芯片的运算速度为150 MHz，单指令周期仅为6.67 ns，具有很快的运算速度；片上集成了丰富的外设，具有很强的控制能力。根据变送器功能要求，对系统资源进行配置。

①利用DSP的增强型脉冲宽度调制模块ePWM3A/3B和ePWM5A/5B，实现准确、实时的励磁控制，产生矩形波或三值波磁场；同时，产生空管励磁信号，实现空管侦测的功能。

②利用DSP的多通道缓冲器McBSPA和McBSPB与外扩的两片模数转换器(analog to digital converter,ADC)连接，实现传感器输出信号和励磁电流信号的同步采集，节省传输时间。

③利用DSP的增强型脉冲宽度调制模块ePWM2B，实现脉冲频率输出；利用外扩的数模转换器(digital to analog converter,DAC)，完成4～20 mA电流输出；利用DSP的通用输入输出(GPIO)口，实现液晶数据显示以及按键的控制。

④利用DSP的串行通信接口SCIC、SCIB模块，实现Hart、Modbus和RS-485通信。

1.2 硬件组成

根据资源配置，高性能电磁流量变送器的硬件框图如图1所示。

图1 变送器硬件框图

①励磁驱动模块。通过ePWM模块产生两路互补的PWM波来控制H桥点路对臂的通断，从而在传感器内形成周期性波形的磁场。空管脉冲和正常励磁交替进行，每进行10个周期的正常励磁，停1个周期，进行空管侦测。

②信号调理采集模块。通过两片ADC同时采集经过信号调理电路的传感器输出信号和励磁电流，并通过McBSP模块来传输转换后的数据。同时，对采集到的传感器输出信号幅值进行实时监测。若超过某一阈值，利用外扩的DAC模块对其进行偏置调整。

③存储模块。利用SPI模块将关键的仪表参数存储到铁电存储器中。利用外部接口Xintf7模块外扩SARAM，存储较长的程序代码和数据。

④人机接口模块。利用GPIO模拟SPI将数据串行传输到液晶，实现数据的显示。通过判断与按键相连的GPIO的电平高低来判断按键是否按下。

⑤通信模块。通过SCI模块接收上位机发送的命令，并组建相应的发送数据帧，再发送给上位机。

⑥输出模块包括脉冲输出和4～20 mA电流输出。将每秒内的累积流量转化为脉冲频率量，再通过ePWM模块输出相应频率的脉冲。将瞬时流量转换为电流，通过GPIO模拟SPI将数字量传送给DAC，实现电流量输出。

2 软件研制

2.1 处理方法

针对水流量信号幅值微弱易受干扰信号影响的特点，提出梳状带通滤波算法，有效抑制干扰信号，完整地提取出有效的水流量信号。具体方法为:先对传感器输出信号进行梳状带通滤波；再对滤波后的流量信号进行幅值解调；然后对解调结果进行滑动平均滤波；最后，对结果进行转换，得到流量值。

针对浆液流量信号存在随机大跳变的特点，提出基于统计模型的信号重构算法。具体方法为:先对流量信号幅值解调；然后，对解调结果进行中位值滤波以去除随机的浆液干扰；再重构不含浆液干扰的流量信号，对重构后的信号进行梳状带通滤波、幅值解调和滑动平均滤波；最后，对结果进行转换，得到流量值。

在上述算法中，只对采集到的每半个励磁周期后的四分之一点进行处理，以避免微分干扰的影响和减少运算量。当ADC采集的数据为有用段数据时，立即对其进行滤波和解调处理，以保证算法的实时性。对解调结果进行滑动滤波和励磁电流补偿，以保证算法的精度，也加快算法的响应速度。

2.2 工作流程

在设计工作流程时，考虑以下关键因素，以保证DSP软件控制和处理的实时性。

主监控流程图如图2所示。

图2 主监控流程图

①当采用段式LCD时，可以将算法模块放在主循环中。但是，当采用点阵式LCD时，由于显示的内容较多、且数据采用串行传输方式，液晶显示程序执行时间较长(约为80 ms)。若励磁频率为25 Hz，算法模块每20 ms就要调用一次，这样就不能实时更新数据。所以，算法模块不能放在主循环中，而是放在定时时间为20 ms的定时器中断服务程序中。

②由于算法模块的程序执行时间较长(约为8 ms)，将导致定时器中断服务程序执行时间较长，会阻碍励磁中断和ADC数据采集中断的正确执行。而励磁中断和数据采集中断的正确执行是算法正确执行的前提，因此，在定时器中断服务程序的一开始要开中断嵌套来保证励磁中断、数据采集中断的正确、实时执行。

③为了保证按键操作的灵敏性，采用查询的方式，并将按键查询子程序放在定时器的中断服务程序中，由于按键操作子程序也涉及到液晶显示，时间较长，故按键查询子程序采用标志位置位方式，将按键操作子程序放在主循环中。

设计的高性能电磁流量变送器的工作流程如下。

①系统上电后，DSP完成各种初始化工作，包括系统初始化、GPIO口初始化、中断向量表初始化、仪表参数初始化等。开启励磁控制、启动定时器以及A/D采样转换模块。

②A/D转换结束后，通过多通道缓冲器McBSP传输到DSP,实时存储到外扩SARAM中的数据缓冲数组中，并对采集到的流量信号进行预处理。

③通过20 ms的CPU定时器0产生中断。在定时器中断服务程序中，为了保证励磁中断和信号采集中断的正确执行，先开中断嵌套；然后，查询每半个励磁周期信号的预处理是否完成。若完成，则进行算法处理，得到流速、瞬时流量等，并累加瞬时流量得到累积流量；同时，完成4～20 mA电流及PWM脉冲输出；最后，进入按键扫描程序，查询按键是否按下。

④将测量得到的结果通过LCD显示，并判断是否有按键标志位置位。若有，则执行相应的按键操作子程序。重复步骤②～④，对流量进行实时测量。

2.3 重要模块

采用模块化方式设计软件，整个软件由主监控模块、初始化模块、驱动模块、人机接口模块、中断模块和看门狗模块组成。

2.3.1 中断模块

中断模块包括信号采集模块、通信中断模块和定时器中断模块。这里主要介绍定时器中断模块。

定时器中断服务程序流程图如图3所示。

图3 定时器中断服务流程图

在定时器中断中，有算法模块、输出模块以及按键查询模块。先开中断嵌套，调用信号处理算法模块，对预滤波后的流量信号和励磁电流进行处理，再依据所设置的仪表参数得出流速和瞬时流量，并计算累积流量；然后调用输出模块，根据计算出的瞬时流量，转换为脉冲量和4～20 mA电流值；最后，执行按键查询模块。

2.3.2 人机接口模块

人机接口模块由按键和LCD组成，用于设置仪表参数、显示仪表测量结果和修改仪表参数。其软件程序包括处理键盘的子程序和LCD操作子程序。

①LCD显示。

LCD有两个工作状态，分别是自动测量状态和仪表参数设置状态。

自动测量状态下，LCD用于显示仪表的测量结果。显示内容分四屏显示，通过按键可以切换显示屏。具体形式内容为:第一屏显示实时流量和正向累计流量；第二屏显示实时流速和流量百分比；第三屏显示反向累计流量和净累计流量；第四屏显示报警信息，包括是否空管、励磁是否断线以及流量是否超限。

仪表参数设置状态下，LCD用于显示仪表参数变量，与键盘配合，实现仪表参数的修改。由于需要设置的仪表参数较多，系统配置了三级LCD设置菜单，分别为密码输入、菜单号选择和各仪表参数。

②键盘操作子程序。

通过返回键、移位键、递增键和确认键这四个按键来实现LCD显示状态的切换和仪表参数的修改。用于处理键盘操作的子程序主要包括键盘扫描子程序和按键操作子程序。键盘扫描程序在20 ms定时器中断服务程序调用，定时扫描按键是否有按下。由于功能较为复杂，每个按键都设有长按和短按功能。若按键时间超过0.1 s，则视为短按；若按键时间超过2 s，则视为长按。根据按键时间长短不同将相应按键的标志位置位，在主循环中根据标志位调用相应的按键操作子程序。

2.3.3 通信模块

通信模块包括Hart通信、Modbus通信和RS-485通信。

①Hart通信模块。

Hart通信原理如图4所示。上位机发送数字型Hart帧，经过调制解调器调制成模拟信号，叠加到4～20 mA电流环传输，然后经由下位机Hart电路解调成数字信号，触发SCIB接收中断接收该Hart帧；下位机根据接收到的Hart命令发送对应的响应Hart帧，经下位机Hart电路调制成模拟信号，叠加到4～20 mA电流环传输，由调制解调器解调成数字信号，发送给上位机串口。

图4 Hart通信原理框图

Hart数据帧分为主从帧和从主帧。主从帧数据格式没有通信状态和设备状态，其他和从主帧数据格式一样。从主帧数据格式由前导码、定界符、地址、命令、字节数、通信状态、设备状态、数据和校验位组成。

Hart通信中断程序流程图如图5所示。

图5 Hart通信中断程序流程图

由上位机发送相应格式的数据，DSP通过SCI接收中断服务程序来接收数据，并判断接收的数据是否正确。若接收数据正确，则根据相应命令组建相应的应答数据帧，当所有发送数据准备完毕后，发送给上位机；若接收数据不正确，则将错误标志位置位或返回相应的通信错误信息。由于发送数据的时间较长，为了不阻碍其他中断的正常进行，也为了保证正确接收上位机发送的命令，当所有数据接收完毕后，开中断嵌套。

②Modbus和RS-485通信。

Modbus通信与RS-485通信的硬件相同，它们共同使用SCIC模块的接收中断来接收上位机发送的命令。因此，在液晶菜单中设置了通信方式选择，在进入SCIC中断服务程序时，先判断是哪种通信方式，再进入相应通信方式的接收数据子程序。

Modbus协议中主设备发送的数据帧包括设备地址、功能码、数据和校验码，从设备接收到上位机发送的命令后先判断接收的数据是否正确，若正确则返回相应的功能码、数据和校验码；若错误，则返回相应的出错信息。本文采用Modbus通信协议完成仪表数据的读取和参数的设置。采用RS-485通信协议实现上位机采集传感器的输出信号以及设置仪表参数。

3 测试标定

为了验证所研制的基于DSP的高性能电磁流量变送器的有效性，对DSP算法进行了实时性的测试，对电磁流量计进行了水流量的标定试验。

3.1 算法的实时性测试

DSP算法的实时性包括两个方面:一是指变送器计算得到的流速能否及时跟随实际流速的变化，这与滑动平均滤波参数有关；二是指计算出的流速信号幅值的更新速度。对于25 Hz的励磁频率，数据更新速度是20 ms。由于滤波参数不变，跟随流速变化的延迟时间也是不变的。为了测试DSP算法的数据更新速度是否为半个励磁周期，利用DSP芯片的一个空闲GPIO口，在算法模块中进行判断。若该GPIO口输出为1，则将其置0；若输出为0，则置1。通过数字存储示波器测试该GPIO的输出波形是周期为40 ms的矩形波，说明算法模块的流速信号幅值计算结果更新速度为半个励磁周期。因此，算法是实时执行的。同理，测试出励磁中断的执行周期为一个励磁周期，信号采集中断频率为7 500 Hz，说明软件的整个工作过程不发生冲突。

3.2 水流量标定试验

将基于DSP的高性能的电磁流量变送器匹配国内某大型企业研制的50 mm口径的夹持式一次仪表，形成完整的电磁流量计，进行容积法水流量标定试验，试验结果如表1所示。当励磁频率为25 Hz、流量范围为3.5～25 m3/h时，电磁流量计的测量精度优于0.3%。

由于高低压切换励磁和PWM励磁只是硬件上实现恒流的方式不同，二值方波励磁和三值波励磁只是软件中ePWM模块比较输出值不同，浆液测量和水流量测量只是算法模块的不同，而整个软件框架都是一样的。因此，本文所研制的电磁流量变送器软件适用于基于高低压励磁控制和基于PWM励磁控制下的矩形励磁方式或三值波励磁方式。该软件既能用于水流量测量，也能用于浆液流量的测量。

表1 水流量标定试验结果

4 结束语

本文研制了基于DSP的高性能电磁流量变送器硬件、软硬件系统。合理分配DSP资源，实时实现了励磁驱动控制、信号采集、偏置调整、人机交互和输出等功能。设计了较为完整的人机接口界面，增加Hart、Modbus和RS-485通信功能，满足了工业应用需求，便于对现场仪表控制。测试表明，DSP软件系统的实时性较强。对电磁流量计进行了水流量标定，结果表明，电磁流量计的测量精度优于0.3级，且该系统适用于基于高低压励磁控制和基于PWM励磁控制的矩形励磁方式和三值波励磁方式。

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[16]张然，电磁流量计数字信号处理软件系统研究与实现[D].合肥:合肥工业大学，2012.

Research and Development of the DSP-Based Electromagnetic
Flow Transmitter with High Performance

WANG Chunchang，XU Kejun，XU Wei，LIANG Liping，WU Jianping
(School of Electrical and Automation Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

In order to implement the high frequency excitation control and the digital signal processing algorithm in real time for the flow measurement of water and slurry; and to make the transmitter have a more complete man-machine interface and communication functions,the comb bandpass filtering algorithm is adopted to process the signal of water flow,and based on the signal reconstruction algorithm,the signal of slurry flow is processed.The resources of the DSP are reasonably and fully utilized,and the hardware system is designed to realize various functions of the instrument.The time sequence among excitation control,signal processing,man-machine interface,and data communication is skillfully and flexibly arranged,and the software of DSP is developed.A 20 ms timer interrupt is configured,and interrupt nesting is applied in interrupt service program,so as to ensure the real time performance of both excitation control and signal processing.The liquid crystal refresh display subroutine and the key operation subroutine which requires longer execution time are put in the main loop,so other modules can be executed normally.The DSP software developed is suitable for measuring water and slurry flow under rectangular excitation or three-value excitation.The real time performance test of algorithm,and water flow calibration test are conducted for the developed high performance electromagnetic flow transmitter,and good experimental results are obtained.

Electromagnetic flow meter; Transmitter; DSP; Real time performance； Man-machine interface; Communication module; Pulse width modulation

汪春畅(1992—)，女，在读硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统及其应用。E-mail:15856380353@163.com。 徐科军(通信作者)，男，博士，教授，主要研究方向为传感器技术、自动化仪表和数字信号处理。E-mail:dsplab@hfut.edu.cn。

TH814;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201707020

修改稿收到日期:2017-03-17