基于FFT与STM32 MCU的涡街信号处理系统设计 .pdfVIP

基于FFT与STM32MCU的涡街信号处理系统设计

蒋莉;胡建人;秦会斌

【摘要】该文针对涡街传感器输出信号的特点和低流速时涡街流量计测量精度受

限的问题,设计了一种基于STM32芯片的数字涡街信号处理方法与系统,将涡街传

感器输出信号通过低噪声前置放大电路,可采集低流速下的涡街信号,再通过频谱分

析法FFT准确计算出涡街信号频率,有效提高了测量精度.

【期刊名称】《杭州电子科技大学学报》

【年(卷),期】2010(030)005

【总页数】4页(P5-8)

【关键词】涡街流量计;测量精度;频谱分析;傅里叶变换

【作者】蒋莉;胡建人;秦会斌

【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,浙江,杭州,310018;杭州电子科技大

学电子信息学院,浙江,杭州,310018;杭州电子科技大学电子信息学院,浙江,杭

州,310018

【正文语种】中文

【中图分类】TN814

0引言

能量计量、城市公用事业的发展使人们对流量测量需求急速增长,许多新型的流量

计大量地涌现出来。涡街流量计是一种依据卡门旋涡原理测量封闭管道流体流量的

流量计,具有精度高、压力损失小、量程范围大等优点[1],是节流式流量计的理想替

代产品。目前涡街流量计还存在着抗震性能差,低流速时测量精度受限等缺点,尤其

是低流速时涡街信号很微弱,易被噪声淹没难以区分,因此如何从含噪声的信号中提

取出涡街信号是涡街流量计信号处理的主要问题。近年来,国内外对涡街流量信号

的处理方法主要有小波变换法[2]、现代谱分析法,这些算法由于算法的复杂性和计

算量的庞大性,仍处在理论研究阶段。本文采用基于FFT的经典谱分析法对应力式

涡街传感器输出信号进行分析,提高涡街流量计的测量精度,准确提取出涡街信号频

率成分。

1系统总体设计概述

由于DSP芯片的开发设备和产品价格较高、功耗过大,系统采用高性能、低功耗、

成本低的STM32微处理器。系统硬件框图如图1所示,涡街传感器输出信号首先

通过前置放大处理,把放大后的信号送入32位MCUSTM32的ADC进行A/D转

换,在STM32中通过编程实现FFT算法,计算出涡街信号频率并在LCD上显示。串

行通信UART接口使系统可以和计算机进行通信,便于软件设计时进行调试。

2系统硬件设计

系统总体上分两大部分：一是前置放大电路,包括电荷放大电路和自动增益控制放

大电路.前置放大电路首先将微弱的电荷信号转换成与电荷量成正比的电压信号,然

后对电压信号进行预放大,并把放大后的幅值控制在一定范围之内,使之符合处理要

求;二是信号处理,采用STM32F103VC作主控芯片,完成对采集的信号的A/D转换、

进行软件频谱分析、流量计算与液晶显示。

2.1前置放大电路

图1涡街信号处理系统框图

由于压电传感器的输出幅值为毫伏级,输出阻抗很高,采用电荷放大器将电荷信号转

换成电压信号,并将高输出阻抗变为低输出阻抗。选用高输入阻抗运放LM356N,接

成电荷放大电路形式。涡街传感器的输出信号动态范围较大,为了防止放大后进入

截止区或者超出A/D转换的量程范围,在电荷放大器后加入AGC自动增益控制电

路[3];选用低噪、90MHz带宽、增益可调的集成运放——ADI公司的AD603,当

AD603的5脚和7脚之间短接时的增益为40Vg+10,这时的增益范围在-10～

+30dB。当脚5和脚7断开时,其增益为40Vg+30,这时的增益范围为10～50dB,

在5脚和7脚接上电阻,其增益范围将处于上述两者之间。前置放大电路原理图如

图2所示,在5脚和7脚之间接滑动变阻器,可根据需要调节增益量。Q1、R10和

C7组成电路监测输出信号幅度,并形成自动增益控制电压VAGC,其幅度值随输出

信号OUT的幅度变化,加在AD603的1脚的自动增益控制电压VAGC随输出信号

变化。

图2前置放大电路

传感器与电荷放大器之间的信号线屏蔽,屏蔽层的一端接仪表的外壳,另一端接放大

器接地端。将涡街传感器一端接到实验室金属水管,另一端接前置放大电路输入端。

实验表明涡街频率f与流体的平均流速Q成线