電磁流量計數據處理的程序設計

電磁流量計數據處理的程序設計
   在單片機應用系統的輸入信號中，雖然經過了硬件電路的濾波處理，但是信號中還含有種種噪聲和干擾，它們來自于被測信號源、傳感器和外界干擾等。為了實現準確測量和控制，必須對數據進行處理，以消除被測信號中的噪聲和干擾[41l。本系統軟件部分的數據處理程序主要涉及濾波、小信號切除和數值運算。
  一、數字濾波
   數字濾波，數字濾波實際上是一種程序濾波。它通過編制一定的計算程序， 減少干擾在有用信號中的比重。與常規的硬件模擬濾波器相比，數字濾波的主要優點體現在：
  1)程序濾波，無需增加模擬電路，可靠性高、穩定性好，且多通道共享一個濾波器；
  2)可以對頻率很低的信號進行濾波，克服了模擬信號濾波的缺陷，且可． 根據需要修改濾波參數，方便、靈活。常用的數字濾波方法包括程序判斷濾波、中值濾波、算術平均值濾波和一階慣性濾波等。然而在電磁流量計的數據采集系統中，現場干擾因素較多，不可避免地會產生尖狀脈沖干擾，這種干擾一般持續時間短、峰值大，對這樣的數據進行數字濾波處理時，僅僅采用常用的算術平均法時，盡管對脈沖干擾進行了1／n的處理，但其剩余值仍然較大。這種場合策略是：將被認為是受干擾的信號數據去掉，這就是我們采用的防脈沖干擾的去極值平均濾波法的原理。
   去極值平均濾波方法的算法是：對連續采樣的N個數據進行排序，去掉其中和最小的2個數據，將剩余數據求平均值。這個方法既可以濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機干擾。在編程時，為了提高計算速度，常用移位法代替除法求得平均值，故N．2常取2、4、8等。一般在單片機的應用中為了加快數據處理速度，N可以取值6。如果處理器的速度較快，則N值可以適當取大一些。去極值平均濾波程序，通常先用冒泡法對已經轉換好的數據進行由小到大(或由大到小)的排序，再去掉其中的極大和極小值，將剩下的N．2個數據求平均值，從而得到去極值平均濾波后的結果。
   二、小信號切除
   實際計量過程中，往往存在以下現象：在無流速時，外界振動等信號易作用于傳感器，引入“誤流量"信號，這種信號低于儀表的計量下限，但也被累積。而在流體正常流過時，這種弱信號被淹沒，并不影響計量。為了避免“誤流量"信號的出現，我們在低于下限范圍內設置“切除信號"。當測量信號低于該信號時，認為是“誤流量"信號，瞬時流量視為零處理，累積流量不對其進行累積；當引入信號高于該信號時，才被認為是正常流量信號。在實際實現過程中，我們通常取一個和零比較接近的常數A，當流速的值小于A時，把它當作零處理。反之，取真實流速的值加入累計流量。也就是說流速的下限值就是A。
   5．3實驗及結果
   本課題實驗的主要目的就是檢驗動態反饋極化控制方法對極化電壓控制的準確性以及重復性，并對基于該方法設計的恒磁式電磁流量計的軟硬件系統進行綜合調試。由于時間和篇幅的限制，本論文未對恒磁式電磁流量計在一般導電流體流量的測量進行相關的實驗和標定。
   為了檢驗動態反饋極化控制方法對極化電壓的控制能力，包括控制的穩定性以及穩定后極化電壓的準確性(和設定值相比)，首先采用圖5．4所示的電壓信號發生電路來代替恒磁式電磁流量傳感器產生的極化電壓信號進行相關的實驗。圖5．4極化電壓信號替代電路
   如圖5-4所示，電壓源輸入電壓信號Ui，4個10K歐姆電阻和一個總阻值為50K歐姆滑動變阻器構成分壓網絡，通過改變輸入電壓Ui和滑動變阻器的上端電阻Rx，即可改變電極信號S1和S2的電壓值。由4．3．1．3節的信號電平提升電路可知，當輸入信號為零時，系統的初始零點為供電電壓的一半，即1．8V， 因此本課題設定極化電壓控制穩定后的值為1．8V。同時在反饋端，為了盡可能的減少紋波，正負控制電壓的電壓值的分別取+O．5V和．0．5V。在動態反饋極化控制方法的軟件系統中，由于極化電壓是直流信號，變化比較緩慢，因此本課題設置整個控制．測量過程一個周期的時間長度為4ms，且控制時段和測量時段的長度為1：1。通過改變輸入電壓Ui，相當于極化電壓值發生變化。當輸入電壓ui分別為OV(相當于初始零點)、+o．5V(相當于正極化電壓)和一0．5V(相當于負極化電壓)時，示波器記錄的單電極上極化電壓穩定后的波形，以及模擬開關的控制波形如圖5．5所示。3明|nlI 15∞nll l l瞄I I CH2，l RUT0 I鉗講同El (a)Ui=OV時(b)Ui=+O．5V時(c)Ui=．0．5V時(d)初始零點圖5．5單電極上極化電壓和模擬開關控制波形圖
   從圖5．5(a)、(b)和(c)中不難看出，當信號端的極化電壓發生變化時， 經過一段時間的調整，輸出端的極化電壓穩定值都是預先設定值(1．8V)，紋波的峰．峰值僅為40mV，折合到信號端的變化量僅為50I_tV，比反映流量的感應電動勢小一個數量級以上，*可以忽略不計，對極化電壓的控制達到了預期的效果。在圖5．5中，當極化電壓為零時，連接正負控制電壓的模擬開關的導通時間為1：1；當極化電壓為+O．5V時，連接正控制電壓的模擬開關導通時間變短，相應的連接負控制電壓的模擬開關導通時間延長，以抵消正的極化電壓值， 但總的控制時間長度不變；相反的，當極化電壓為．0．5V時，連接正控制電壓的模擬開關導通時間變長，相應的連接負控制電壓的模擬開關導通時間縮短，以抵消負的極化電壓值，但總的控制時間長度不變。
   接下來，利用在第二章中設計的恒磁式電磁流量傳感器(如圖2．8(b)所示)取代圖5-4所示電路作為新的信號輸入源。在保證恒磁式電磁流量傳感器滿管且無水流流動的情況下，示波器記錄的系統的初始零點，如圖5．5(d)所示。從圖中可以看出，信號的初始零點穩定在1．8V，而且隨著時間的推移，初始零點始終穩定在1．8V不變。由此可見，儀表的初始零點穩定性良好。
   5．4本章小結
   本章首先在前面設計的控制方法和硬件電路的基礎上，對系統的軟件進行了總體設計。隨后詳細論述了基于動態反饋極化控制方法的恒磁式電磁流量計的軟件系統設計，其中主要包括中斷程序和數據處理程序的設計，并給出了其相應的結構框圖。最后，在硬件和軟件系統都調試通過的基礎上，對該恒磁式電磁流量計系統進行了定性的實驗，并對實驗結果進行了分析，初步驗證了本課題設計方法的可行性。
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