電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)處理的程序設(shè)計(jì)

電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)處理的程序設(shè)計(jì)
   在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號(hào)中，雖然經(jīng)過(guò)了硬件電路的濾波處理，但是信號(hào)中還含有種種噪聲和干擾，它們來(lái)自于被測(cè)信號(hào)源、傳感器和外界干擾等。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量和控制，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾[41l。本系統(tǒng)軟件部分的數(shù)據(jù)處理程序主要涉及濾波、小信號(hào)切除和數(shù)值運(yùn)算。
  一、數(shù)字濾波
   數(shù)字濾波，數(shù)字濾波實(shí)際上是一種程序?yàn)V波。它通過(guò)編制一定的計(jì)算程序， 減少干擾在有用信號(hào)中的比重。與常規(guī)的硬件模擬濾波器相比，數(shù)字濾波的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：
  1)程序?yàn)V波，無(wú)需增加模擬電路，可靠性高、穩(wěn)定性好，且多通道共享一個(gè)濾波器；
  2)可以對(duì)頻率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波，克服了模擬信號(hào)濾波的缺陷，且可． 根據(jù)需要修改濾波參數(shù)，方便、靈活。常用的數(shù)字濾波方法包括程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均值濾波和一階慣性濾波等。然而在電磁流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)干擾因素較多，不可避免地會(huì)產(chǎn)生尖狀脈沖干擾，這種干擾一般持續(xù)時(shí)間短、峰值大，對(duì)這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理時(shí)，僅僅采用常用的算術(shù)平均法時(shí)，盡管對(duì)脈沖干擾進(jìn)行了1／n的處理，但其剩余值仍然較大。這種場(chǎng)合策略是：將被認(rèn)為是受干擾的信號(hào)數(shù)據(jù)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(duì)連續(xù)采樣的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉其中和最小的2個(gè)數(shù)據(jù)，將剩余數(shù)據(jù)求平均值。這個(gè)方法既可以濾去脈沖干擾又可濾去小的隨機(jī)干擾。在編程時(shí)，為了提高計(jì)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(jī)的應(yīng)用中為了加快數(shù)據(jù)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(dāng)取大一些。去極值平均濾波程序，通常先用冒泡法對(duì)已經(jīng)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)求平均值，從而得到去極值平均濾波后的結(jié)果。
   二、小信號(hào)切除
   實(shí)際計(jì)量過(guò)程中，往往存在以下現(xiàn)象：在無(wú)流速時(shí)，外界振動(dòng)等信號(hào)易作用于傳感器，引入“誤流量"信號(hào)，這種信號(hào)低于儀表的計(jì)量下限，但也被累積。而在流體正常流過(guò)時(shí)，這種弱信號(hào)被淹沒(méi)，并不影響計(jì)量。為了避免“誤流量"信號(hào)的出現(xiàn)，我們?cè)诘陀谙孪薹秶鷥?nèi)設(shè)置“切除信號(hào)"。當(dāng)測(cè)量信號(hào)低于該信號(hào)時(shí)，認(rèn)為是“誤流量"信號(hào)，瞬時(shí)流量視為零處理，累積流量不對(duì)其進(jìn)行累積；當(dāng)引入信號(hào)高于該信號(hào)時(shí)，才被認(rèn)為是正常流量信號(hào)。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，我們通常取一個(gè)和零比較接近的常數(shù)A，當(dāng)流速的值小于A時(shí)，把它當(dāng)作零處理。反之，取真實(shí)流速的值加入累計(jì)流量。也就是說(shuō)流速的下限值就是A。
   5．3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
   本課題實(shí)驗(yàn)的主要目的就是檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)反饋極化控制方法對(duì)極化電壓控制的準(zhǔn)確性以及重復(fù)性，并對(duì)基于該方法設(shè)計(jì)的恒磁式電磁流量計(jì)的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)試。由于時(shí)間和篇幅的限制，本論文未對(duì)恒磁式電磁流量計(jì)在一般導(dǎo)電流體流量的測(cè)量進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和標(biāo)定。
   為了檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)反饋極化控制方法對(duì)極化電壓的控制能力，包括控制的穩(wěn)定性以及穩(wěn)定后極化電壓的準(zhǔn)確性(和設(shè)定值相比)，首先采用圖5．4所示的電壓信號(hào)發(fā)生電路來(lái)代替恒磁式電磁流量傳感器產(chǎn)生的極化電壓信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。圖5．4極化電壓信號(hào)替代電路
   如圖5-4所示，電壓源輸入電壓信號(hào)Ui，4個(gè)10K歐姆電阻和一個(gè)總阻值為50K歐姆滑動(dòng)變阻器構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)改變輸入電壓Ui和滑動(dòng)變阻器的上端電阻Rx，即可改變電極信號(hào)S1和S2的電壓值。由4．3．1．3節(jié)的信號(hào)電平提升電路可知，當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，系統(tǒng)的初始零點(diǎn)為供電電壓的一半，即1．8V， 因此本課題設(shè)定極化電壓控制穩(wěn)定后的值為1．8V。同時(shí)在反饋端，為了盡可能的減少紋波，正負(fù)控制電壓的電壓值的分別取+O．5V和．0．5V。在動(dòng)態(tài)反饋極化控制方法的軟件系統(tǒng)中，由于極化電壓是直流信號(hào)，變化比較緩慢，因此本課題設(shè)置整個(gè)控制．測(cè)量過(guò)程一個(gè)周期的時(shí)間長(zhǎng)度為4ms，且控制時(shí)段和測(cè)量時(shí)段的長(zhǎng)度為1：1。通過(guò)改變輸入電壓Ui，相當(dāng)于極化電壓值發(fā)生變化。當(dāng)輸入電壓ui分別為OV(相當(dāng)于初始零點(diǎn))、+o．5V(相當(dāng)于正極化電壓)和一0．5V(相當(dāng)于負(fù)極化電壓)時(shí)，示波器記錄的單電極上極化電壓穩(wěn)定后的波形，以及模擬開(kāi)關(guān)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(shí)(b)Ui=+O．5V時(shí)(c)Ui=．0．5V時(shí)(d)初始零點(diǎn)圖5．5單電極上極化電壓和模擬開(kāi)關(guān)控制波形圖
   從圖5．5(a)、(b)和(c)中不難看出，當(dāng)信號(hào)端的極化電壓發(fā)生變化時(shí)， 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整，輸出端的極化電壓穩(wěn)定值都是預(yù)先設(shè)定值(1．8V)，紋波的峰．峰值僅為40mV，折合到信號(hào)端的變化量?jī)H為50I_tV，比反映流量的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，*可以忽略不計(jì)，對(duì)極化電壓的控制達(dá)到了預(yù)期的效果。在圖5．5中，當(dāng)極化電壓為零時(shí)，連接正負(fù)控制電壓的模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為1：1；當(dāng)極化電壓為+O．5V時(shí)，連接正控制電壓的模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間變短，相應(yīng)的連接負(fù)控制電壓的模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，以抵消正的極化電壓值， 但總的控制時(shí)間長(zhǎng)度不變；相反的，當(dāng)極化電壓為．0．5V時(shí)，連接正控制電壓的模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，相應(yīng)的連接負(fù)控制電壓的模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間縮短，以抵消負(fù)的極化電壓值，但總的控制時(shí)間長(zhǎng)度不變。
   接下來(lái)，利用在第二章中設(shè)計(jì)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(hào)輸入源。在保證恒磁式電磁流量傳感器滿(mǎn)管且無(wú)水流流動(dòng)的情況下，示波器記錄的系統(tǒng)的初始零點(diǎn)，如圖5．5(d)所示。從圖中可以看出，信號(hào)的初始零點(diǎn)穩(wěn)定在1．8V，而且隨著時(shí)間的推移，初始零點(diǎn)始終穩(wěn)定在1．8V不變。由此可見(jiàn)，儀表的初始零點(diǎn)穩(wěn)定性良好。
   5．4本章小結(jié)
   本章首先在前面設(shè)計(jì)的控制方法和硬件電路的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。隨后詳細(xì)論述了基于動(dòng)態(tài)反饋極化控制方法的恒磁式電磁流量計(jì)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中主要包括中斷程序和數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)計(jì)，并給出了其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖。最后，在硬件和軟件系統(tǒng)都調(diào)試通過(guò)的基礎(chǔ)上，對(duì)該恒磁式電磁流量計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了定性的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，初步驗(yàn)證了本課題設(shè)計(jì)方法的可行性。
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