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ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
摘要涡街流量计易受噪声影响，现场测量精度得不到保证，量程比受限。本文选用片上资源
芯片作为处理器，研制相应的数字信号处理系统。系统选用数字滤波加频谱分析的信号处理
方法处理传感器信号，提高仪表抑制噪声的能力，扩展量程比；模拟信号调理部分加入限幅
滤波电路，解决传感器信号强度变化大、需要调整硬件电路参数的问题。该系统体积小、成
本低、功能齐全，并可与不同口径的一次仪表匹配。目前该系统已通过实验标定，并应用于
ＤＳＰ－ｂａｓｅｄｌｏｗｃｏｓｔｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｎｏｉｓｅ，ＳＯｔｈｅｉｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃ
ｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｆｉｅｌｄｓａｎｄｔｈｅｔｕｒｎ－ｄｏｗｎｒａｔｉｏｉｓｌ
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ｆｌｏｗｍｅｔｅｒｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｕｓｉｎｇＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａｔ
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的研究者们采用数字信号处理技术解决上述问题，并研制相应的系统。文献［１］对强噪声
情况下的涡街传感器涡街流量计在应用中有２个关键问题没有很好解输出信号进行研究，提
出根据噪声模板消除信号中的强决。（１）由于涡街流量计工作原理的关系，它易受外界振噪
声。文献Ｅ２］对于混有噪声的涡街流量传感器信号，分动干扰的影响。而工业现场的振动
是普遍存在的，例如成２路进行处理：一路用自适应带通滤波器跟踪其涡街管道机械振动干
扰：水泵、阀门的开启，大电机的运行等；频率，滤掉噪声，得到流量；另一路用可调带通
滤波器检流场干扰：流场不稳定，在现场直管段长度达不到要求。测信号中噪声情况，观察
流体流动状态，若发现异常情况这些使得仪表现场测量误差远远大于实验室标定时的误就报
警。文献［３］先对涡街信号进行谱分析，确定当前涡差。（２）量程下限受限，不能测量小
用周期图谱分析方法，选用ＡＤＩ公司的ＡＤ２１８１ＤＳＰ芯片，研制涡街流量计数字信
号处理系统。文献［６］采用自适应陷波滤波的方法处理涡街流量计的信号。文献［７］采
用松弛陷波周期图谱方法分析涡街流量计信号，研制基于ＤＳＰ和ＭＳＰ４３０相结合的双
上述研究均在涡街流量信号处理方面取得了进展，但是，还没有充分考虑实际应用中管道振
造成的测量误差，对涡街流量传感器输出信号强度变化大的问题没有提出很好的解决方案。
此外，基于ＤＳＰ的系统结构比较复杂，芯片多、体积偏大、成本较高。为此，本文对涡街
流量计数字信号处理系统进行了重新设计。选用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＤ
ＳＰ芯片（以下简称２４０７Ａ）为处理器，利用其强大的运算能力和丰富的片内资源，在
配置最少外设器件的情况下，实时实现信号处理算法，有效减小系统的体积和制作成本。模
拟信号调理电路设计中加入限幅放大滤波处理电路，解决因信号强度变化大而需要修改硬件
电路参数的问题，使得系统有能力处理大量程范围内的传感器信号，从而实现系统与不同口
径一次仪表匹配。信号处理方法上，系统用周期图谱方法处理涡街流量传感器信号，利用算
法在抑制噪声、分析范围上的优势，提高仪表抗噪声能力，扩展量程；同时配上一组可选择
的高通数字滤波器，解决强低频管道振动对测量的影响，提高仪表抑制强干扰影响的能力。
针对不同口径仪表工作特性，通过面板对算法参数选择最佳配置，同时也可分段设置仪表系
系统选用周期图谱法分析涡街流量计传感器的信号［４。５］，处理基本过程如下：
周期图谱法抑制噪声能力强、分析频率范围宽、实现控制简单。但是，在应用中需要考虑以
率分辨率的数值与信号采样频率成正比，与采样点数成反比。因此提高频率分辨率有２种方
法：①降低信号采样频率，但是，信号采样必须满足采样香农定理，而且降低信号采样频率
降得太低；②加大采样点数，但是，这会增加计算量，不利于算法的实时实现。因此，提高
频率分辨率不是提高算法精度的根本途径。本系统采用基于重心原则的频谱校正方法，提高
实质是对一段采样时间内信号进行分析，估计出涡街的释放频率，即估计的频率相当于这段
采样时间内的平均频率，也就是说算法不是严格意义上的实时算法。为此，本系统采用了数
据环形缓冲区，按照ＦＩＦＯ的方式对数据刷新，定时采样、定时计算、边采样边计算，实
时实现算法。同时，也实现了覆盖的谱分析技术，即相邻２次谱分析处理的数据部分相互重
（４）应用周期图谱分析处理涡街传感器信号，存在一个前提即传感器信号中涡街信号能量
的管道振动，造成传感器信号中混有低频噪声，其能量远远超过涡街信号。这种强干扰影响
下，若简单地在频域内对低频部分进行截除，因为频谱泄露的影响，不能解决这个问题，周
期图谱分析失效。这种管道自振，在小流量时不会出现，所以，涡街信号与干扰信号分属在
不同频带。因此，在频谱分析之前，可对信号进行数字滤波，消除或削弱传感器信号中干扰
能量，使得滤 波后信号中 涡街信号 能量占优， 确保频谱 分析的有效 。数字
式中：ｚ、Ｙ分别为采样得到的原始信号序列和数字滤波之后的信号序列；｛玩，„，ｂｍ，
锄，„，吼）为滤波器系数；ｍ、ｋ为滤波器的阶数。滤波器系数可根据现场状况，通过系
统面板进行设置。因此，系统采用的是数字滤波加周期图谱分析的处理方法。在系统研制成
功后进行的一次标定实验中（系统与４０ｍｍ口径的检测仪表匹配，测量气体流量），当流量
振动，振动噪声频谱在１０～４０Ｈｚ之间，能量远远超过涡为：传感器信号首先通过模拟
信号调理模块，适当放大、滤波处理之后，送入Ａ／Ｄ，完成信号离散量化，进入数字信号
处理模块；数字信号处理模块用算法对信号进行分析处理，得到流量值；最后，系统将流量
测量结果通过输出模块向外发送，提供给外接的二次仪表或上位机，以备流量监测。系统整
体框图如图ｌ所示。模拟信号输入及调理模块由３路调理通道组成，分别是：涡街传感器信
号调理通道、压力信号调理通道和温度信号调理通道。数字信号处理模块由ＤＳＰ及其外扩
ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ和低压监测电路组成。输出模块则由人机接口电路、脉冲输出电路和
４～２０ｍＡ模拟信号输出电路组成。另外系统还包括一个电源管理模块，负责将工业现场
法，不能正确地检测流量，ＬＣＤ显示错误的结果；采用低频段截除方法也不能解决此问题，
ＬＣＤ仍然显示错误的结果。通过系统面板设置滤波器系数，在频谱分析之前加上数字高通
滤波器，此时显示结果正确。现场实验证明，数字滤波可有效地解决强管道振动影响流量计
系统硬件主要由模拟信号输入及调理模块、数字信号处理模块和系统输出模块组成。系统基
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