（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的智能仪表信号处理研究.pdf

摘要 伴随着集成电路( i c ) 技术的发展，电子设计自动化( e d a ) 逐渐成为重 要的设计手段，己经广泛应用于模拟与数子电路系统等许多领域。在工业自动 化领域，过程变量的自动检测仪表是自动化系统的关键。低流量测量仪表存在 易受噪声干扰、现场测量精度不高、量程比有限等问题，需要采用数字信号处 理的方法以得到准确的流速测量结果。但是，算法的加入使微控制器工作量加 大，实时性降低。f p g a 在处理运算量大的算法中具有一定优势，将f p g a 应 用于智能仪表的信号处理是一种新的尝试。 本文首先介绍了e d a 技术的发展概况、f p g a 在数字信号处理上的应用以 及智能仪表信号处理方法。本课题采用a l t e r a 公司f p g a 作为算法处理器件， 提高流量计的数据处理速度和处理能力，取得了很好的效果。论文的主要研究 工作包括： 1 研究流量计信号处理的原理，设计采用f p g a 为核心的数字涡街流量检 测系统实现方案，完成系统电路设计和硬件调试。 2 根据实值输入信号条件，改进f f t 算法。利用实数f f t 的对称性和共轭 去除f f t 各级中的冗余。 3 用v e r i l o g 硬件描述语言，实现了互相关算法和f f t 算法的各功能模块。 经过仿真和调试，f p g a 器件使流量计信号处理的实时性和稳定性有了较 大的提高，改善了量程下限受限的局面。 关键词： v e r i l o gh d lf p g a 智能仪表互相关f f t 涡街流量计 a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ( e d a ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea l li m p o r t a n t d e s i g nm e t h o do fa n a l o ga n dd i g i t a lc i r c u i ts y s t e ma st h ei n t e g r a t e d c i r c u i t s g r o w i n g d u r i n gi n d u s t r y a u t o m a t i o n ，t h ei n s t r u m e n tt h a ta u t o m a t i cm e a s u r e s v a r i a b l ei np r o c e s sc o n t r o ls y s t e mi st h ek e yo fr e v o l u t i o no fa u t o m a t i o ns y s t e m f l o w m e t e ro fl o wv e l o c i t yi ss u b j e c t e dt on o i s ed i s t u r b ，t h em e a s u r i n ga c c u r a c yi n i n d u s t r i a lf i e l d si sn o th i g h ，t h es p a nr a t i oi sl o w e rt h a nt h et h e o r e t i cv a l u e i tn e e d a d o p t sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d st oi m p r o v ef i o w m e t e ra n dg e ta c c u r a t e v e l o c i t y o ff l o wm e a s b l e r e s u l t b u t ，a d d i n g a r i t h m e t i cm a k em c uw o r k i n g o v e r l o a d ，l o w e rt h ec a p a b i l i t yo fr e a lt i m e f p g ah a v ea d v a n t a g ei nc o m p l e x a r i t h m e t i c f p g aa p p l yt od s p o f i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti san e wm e t h o d t h i sp a p e rf r s t l yp r e s e n ts o m eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o na b o u te d a ，a p p l i c a t i o n o ff p g ai nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s sa n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s sm e t h o do fi n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t t h i s s u b j e c ta d o p t sf p g ao fa l t e r ac o m p a n ya s t h ed e c i c eo f a r i t h m e t i cp r o c e s s i ti m p r o v et h es p e e da n dp e r f o r m a n c eo f f l o w m e t e r t h i sp a p e r m a i n l yi n c l u d e d ： 1 】p r i n c i p l e so ff l o w m e t e rh a v eb e e ns t u d i e d ，f l o wm e a s u r es y s t e mt h a ti s b a s e du p o ns c h e m eu s i n gf p g ah a sb e e nd e s i g n e d ，s y s t e mc i r c u i t sh a s b e e nc q m p l e t e da n dh a r d w a r es y s t e mh a sb e e nt e s t e d 2 i m p r o v ef f ta l g o r i t h m o nt h ec o n d i t i o no fr e a lv a l u e ，m a k eu s eo f s y m m e t r ya n dc o n j u g a t et oe l i m i n a t er e d u n d e n c ei nf f l 3 】u s ev e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g er e a l i z ee a c hf u n c t i o n a lm o d u l e o f c r o s sc o r r e l a t i o na n df f ta r i t h m e t i c a f t e rt h ed e b u g g i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es y s t e m ，f p g am a k eg r e a tp r o g r e s s i n r e a lt i m ea n ds t a b i l i t yo ft h ed a t ap r o c e s sb yu s eo ff p g aa n dr e i n f o r c et h e f u n c t i o nw h i c hm e a s u r e st h ej o wv e l o c i t yo ff l o w k e y w o r d s ：v e r i l o gh d l ，f p g a ，i n t e l l i g e n tl n s t u m e n t ，c r o s sc o r r e l a t i o n ，f a s t f o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ，v o r t e xf l o w m e t e r 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津工业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 缸匀 签字r 期：劫彩年? 月，ir 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解天津工业大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文存解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弘幸刁 导师虢牲，为 签字h 期：u ；6 午2 月z 恫签字1 7 tj 朝：。f 年j 月1 1f i 学位论文的主要创新点 一、f p g a 应用在智能仪表领域中，以纯硬件的方式替代了传统的 单片机、a r m 等c p u 的软件控制方式，提高了系统的稳定性和可 靠性。 二、在智能仪表信号采集、信息处理的系统中，利用f p g a 实现互 相关、f f t 等算法模块，极大的提高了系统实时性，减轻了主c p u 的负荷，解决了许多需要高速的场合下系统速度低的瓶颈。 三、在实值输入信号条件下改进f f t 算法，利用对称和共轭的特点， 减少乘法和加法的运算次数，提高了运算效率。 第一章引言 1 1 智能仪表发展与现状 第一章引言 自动化仪表是工业生产过程自动化的重要工具。从仪表自身的特点来看， 其走过了以下历程： 1 第一代仪表是以指针显示为主的仪表，这些仪表以模拟电子为基础，核 心器件出分立元件过渡到集成电路，基本结构出基地式过渡到单元组合 式； 2 第二代仪表是数字显示式仪表，此类仪表的基本原理是将模拟量转化为 数字量进行处理，并以数字形式显示和打印。第二代仪表与第一代相比， 仪表的显示功能由数字电路实现，两者统称为传统仪表； 3 第三代仪表是智能仪表，这类仪表以微处理器为核心，能实现信号检测、 采集、处理和分析。 随着计算机技术和控制技术的发展，以及现代化生产需求不断提高，智能 仪表取得了迅速发展和广泛的应用。智能仪表一般具有以下特点：测量精度明显 提高，能够进行间接测量，能够自动校正，具有自动修正误差的能力，具有自 诊断能力，能够实现复杂的控制功能，允许灵活地改变仪表的功能。因此，现 代工业仪表的发展方向是智能仪表。 仪表的发展阶段，在时间上没有明显的界限。建国以来，在从事自动化工 作人员的努力下，我国的自动化仪表从无到有。从低级到高级，基本跟上了国 际发展的水平。但结合我国工业生产实际，现有的智能仪表仍具有不少不足： 如有些智能仪表缺乏通信能力，仍是单表工作，这使得控制系统难以网络化、 大型化，一些复杂的控制规律难以实现，如多变量系统中的解藕问题。同时， 先进的控制算法，如自适应控制、最优控制、模糊控制和神经网络控制等也难 以应用。即使某些智能仪表具有通信能力，但其通信协议各异，兼容性较差， 若想进行仪表组网，则各种丌销很大，这对于我国中小型企业的技术改造尤其 不利。因此，在国际上网络化浪潮的冲击下，我国的智能仪表将面临机遇和挑 战。 1 2e d a 技术 1 2 1e d a 简介 e d a 是以计算机为工作平台，融合应用电予技术、计算机技术、智能化技 第一章引言 术最新成果而研制成的电子c a d 通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工 作，即i c 设计、电予电路设计和p c b 设计。电子设计自动化( e d a ) 技术研 究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计： 涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通 用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此e d a 技术研究的范畴相当广+ 泛。 e d a 的实现是与c p l d f p g a 技术的迅速发展息息相关的。c p l d f p g a 是8 0 年代中后期出现的，其特点是具有用户可编程的特性。利用c p l d f p g a 电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用i c ，实现硬件、软件的系统的 集成，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了丌发成本。此外， c p l d f p g a 还具有静态可重复编程或在线动态重构的特性，使硬件的功能可 以像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而 且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。 电路设计工程师设计一个电路首先要确定线路，然后进行软件模拟及优化， 以确认所设计电路的功能及性能。然而随着电路规模的不断增大，工作频率的 不断提高，分布参数的影响越加显现，而这些影响用软件模拟的方法较难以反 映出来，所以有必要做硬件仿真。f p g a c p l d 就可以实现硬件仿真。将软件 模拟后的线路经过一定处理后下载到f p g a c p l d ，就可容易地得到一个模型 机，从浚模型机，设计者就能直观地测试其逻辑功能及性能指标。 1 2 2e d a 的发展历史 回顾近3 0 年电子设计技术的发展历程，可将e d a 技术分为三个阶段。 ( 1 ) 七十年代为c a d 阶段，这一阶段人们丌始用计算机辅助进行i c 版图编辑 和p c b 布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。 ( 2 ) 八十年代为c a e 阶段，与c a d 相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又增 加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起， 以实现工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。c a e 的主要功能是：原理图 输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，p c b 后分析。 ( 3 ) 九十年代为e s d a 阶段。尽管c a d c a e 技术取得了巨大的成功，但并没 有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能 化程度还不高，各种e d a 软件界面干差万别，学习使用困难，而且互不兼容， 直接影响到设计环节间的衔接。基丁以上不足，人们开始追求贯彻整个设计过 程的自动化，这就是e s d a 即电子系统设计自动化。图l 一1 给出了上述二三个阶 段的示意图。”1 第一章引言 系统级设 电路级敬 物理级殴 剧1 1e d a 发展阶段示意图 1 2 3e d a 技术的基本特征2 j e d a 代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人 员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统 的关键电路用一片或几片专用集成电路( a s i c ) 实现，然后采用硬件描述语言 ( h d l ) 完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件， 这样的设计方法被称为高层次的电子设计方法。下面介绍与e d a 基本特征有关 的几个概念。 1 “自顶向下”的设计方法。过去传统的电子系统电子产品的设计方法是 采用自底而上( b o t t o mu p ) 的程式，设计者先对系统结构分块，直接进行电 路级的设计。这种设计方式使设计者不能预测下一阶段的问题而且每一阶段 是否存在问题，往往在系统整机调试时才确定，也很难通过局部电路的调整使 整个系统达到既定的功能和指标，不能保证设计一举成功。 高层次设计是一种“自顶向下”的全新设计方法，这种设计方法首先从系 统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿 真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行 验证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级 可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层 次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费， 又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。 2 a s i c 设计。现代电子产品的复杂度同益提高，一个电子系统可能由数 万个中小规模集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题。 解决这一问题的有效方法就是采用a s i c 芯片进行设计。a s i c 按照设计方法的 不同可分为全定制a s i c 、半定制a s i c 和可编程a s i c 。 第一章引言 设计全定制a s i c 芯片时，设计师要定义芯片上所有晶体管的几何图形和 工艺规则，最后将设计结果交由i c 厂家去进行掩模制造，做出产品。这种设计 方法的优点是芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低， 而缺点是丌发周期长，费用高，只适合大批量产品丌发。 半定制a s l c 芯片的版图设计方法分为门阵列设计法和标准单元设计法， 这两种方法都是约束性的设计方法，其主要目的就是简化设计，以牺牲芯片性 能为代价柬缩短丌发时间。 可编程逻辑芯片与上述掩模a s i c 的不同之处在于：设计人员完成版图设 计后，在实验室内就可以烧制出自己的芯片，无须l c 厂家的参与，大大缩短了 丌发周期。 可编程逻辑器件自7 0 年代以来，经历了p a l 、g a l 、c p l d 、f p g a 几个 发展阶段，其中c p l d f p g a 属高密度可编程逻辑器件，目前集成度己高达2 0 0 力f 片，它将掩模a s i c 集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特 点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品丌发，使产品能以最快的速 度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩模a s i c 实现，因此丌发风 险也大为降低。 上述a s i c 芯片，尤其是c p l d f p g a 器件，已成为现代高层次电子设计 方法的实现载体。 3 硬件描述语言。硬件描述语言( 玎) l ) 是一种用于设计硬件电子系统的 计算机语言，它用软件编程的方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连 接形式，与传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。例如一个 3 2 位的加法器，利用图形输入软件需要输入5 0 0 至1 0 0 0 个门，而利用v h d l 语言只需要书写一行“a = b + c ”即可。而且v h d l 语言可读性强，易于修改 和发现错误。 4 e d a 系统框架结构。e d a 系统框架结构( f r a m e w o r k ) 是套配置和使用 e d a 软件包的规范。目前主要的e d a 系统都建立了框架结构，如c a d e n c e 公 司的d e s i g n f r a m e w o r k ，m e n t o r 公司的f a l c o n f r a m e w o r k ，而且这些框架结构都 遵守国际c f i 组织制定的统一技术标准。框架结构能将来自不同e d a 厂商的工 具软件进行优化组合，集成在一个易于管理的统一的环境之下，而且还支持任 务之间、设计师之间以及整个产品丌发过程中的信息传输与共享，是并行工程 和自顶向下设计方法的实现基础。 1 3 数字信号处理技术发展状况 数字信号处理是起源于十七和十八世纪数学的一个学科，今天它在各个科 4 第一章引言 学和技术领域中，已经成为一种重要的现代化工具。数字信号处理采用的各种 方法和它的种种应用已经有悠久的历史，就象牛顿和高斯那样古老，同时它又 象数字计算机和集成电路那样，以崭新的面貌出现于今世。 数字信号处理这一学科主要研究用数字或符号序列表示信号和处理这些序 列。处理的目的可能是估计信号的特征参数，也可能是把信号变换成某种更符 合要求的形式。经典的数值分析公式( 如内插、积分、微分等数值计算公式) 无 疑就是数字信号处理算法。另外，出于高速计算机的出现促进了同益复杂巧妙 的信号处理算法的发展，同时集成电路近年来有了突飞猛进的发展，比较经济 地实现十分复杂的数字信号处理系统。 五十年代以前，信号处理主要还是用模拟设备实现的。到了五十年代发生 了变化，在那些需要进行复杂信号处理的领域中尤为明显。这种数字信号处理 方法一般不是实时的，例如几秒钟的数据，往往需要几分钟甚至几小时才能算 完。即使是这样，数字计算机的灵活性仍然使这一崭新的方法引起了人们的极 大注意。就在同一时期，还出现了用计算机作信号处理的另一种方法。由于计 算机灵活，人们常常在用模拟硬件实现信号处理系统之前，先在数字计算机上 模拟它。利用这种办法，一个新的信号处理算法和系统，在提供研制经费和器 材之前，可以先在灵活的实验环境下进行研究。林肯实验室和贝尔实验室作的 声码器模拟就是个典型的例子。在实现模拟信道声码器时，滤波器的特性会 通过许多难以预知的途径影响得到的语音信号质量。而通过计算机上模拟，可 在模拟设备制作之前，研究这些滤波器的特性，调整它的参数，并估计出整个 系统的质量。 在上面所有用数字计算机处理信号的例子中，计算机表现出很强的灵活性， 但这种处理常常不能实时完成。因此，当时流行的作法是使用计算机逼近和模 拟一个模拟信号系统。数字滤波器的早期工作就是属于这种方式的，先把信号 作模一数转换变成数字信号，然后在数字计算机上用程序实现数字滤波，再作数 一模转换变换成模拟信号，整个系统相当于一个完善的模拟滤波器。当时看来， 想把数字系统付诸应用，去处理语音信号或雷达信号以及其他各种信号还是不 切实际的想法，因为从速度、价格和尺寸这三个重要因素来考虑，使用模拟器 件是有利的。 自从用数字计算机处理信号以来，自然而然出现了一种新的趋势，尝试各 种巧妙信号处理算法的试验同益增多。有一些算法已不单纯是利用计算机的灵 活性，而且从未见到用模拟设备实现过。其中许多算法很有趣，但在当时认为 是有点不切实际的想法。例如频谱分析和同态滤波就是这类算法。计算机上的 实践已清楚表明，应用这种方法可以改进语音带宽压缩系统、改迸解褶积和消 第一章引言 除回声。在实现这种方法时，要求直接计算输入傅罩叶变换之对数的傅罩叶反 变换。而利用模拟的频谱分析仪实现不了所要求的傅罩叶变换精度和分辨率。 因此这种信号处理算法的发展，使实现全数字化的信号处理系统的想法更加具 有吸引力，人们抱着这种系统终将付诸实现的信念，积极地丌始了对数字化声 码器、数字化频谱分析仪以及其它数字系统的研究工作。 1 9 6 5 年发现的计算傅旱叶变换的高效算法，进一步加强了用数字方法实现 信号处理的观点。这种算法后来称作快速傅罩叶变换( 或简写成f f t ) 。从很多 方面来看，快速傅里叶变换有重要的意义。许多以前在数字计算机上实现的信 号处理算法，需要的时间比较长，往往比实时处理时间大几个数量级。因为频 谱分析是信号处理的一个重要组成部分，而以前一直没有一种行之有效的办法 束实现它。而快速博罩叶变换算法把计算博里叶变换需要的时间减少了几个数 量级，就有可能在与系统工作相适应的处理时问内实现日益复杂的信号处理算 法。此外，由于用专用数字硬件也可以实现快速傅里叶变换算法，许多过去认 为不现实的信号处理算法，看来也有可能用专用数字硬件实现了。 快速傅里叶变换算法的另一个重要意义是它本身是离散时域的方法。它可 以直接计算时域离散信号或序列的傅里叶变换，并且有一整套在离散时域上精 确成立的特性和数学关系，它已经不单纯是连续时域傅里叶变换的近似了。它 的重要作用是促使人们利用时域离散数学方法重新建立许多信号处理概念和算 法，在离散时域上形成一套严格的关系式。从而使人们摆脱了那种认为用数字 计算机处理信号仅是模拟信号处理之近似的观点。由于这种观点上的改变，人 们对手新兴的数字信号处理学科表现出了强烈的关心。 数字信号处理技术及其应用，日前正以惊人的速度向前发展着。随着大规 模集成电路的出现和数字部件的成本下降、体积缩小及运算速度提高，数字信 号处理的应用同益广泛。目前己制成多种专用数字滤波器，采样率可高达兆赫。 高速专用快速傅里叶变换( f f t ) 处理机已有商品出售。简单的数字滤波器已制成 集成电路片。目前几乎所有的语音带宽压缩系统都倾向于全数字化，因为目莳 它是最实际可行的方法。数字处理机已成了许多现代化雷达和声纳系统不可缺 少的部分。除了专用数字信号处理硬件有所发展之外，还出现了可编程序的数 字信号处理专用计算机，这种计算机的构造特别适于解决数字信号处理问题， 它目前应用于实时信号处理以及设计、模拟专用数字硬件。 在我国集成电路工业与国外相比还较落后，一般仍然延用中、小规模集成 电路来构造硬件d s p 系统，不仅可靠性差，而且设备过于庞大，设计和维护难 度都很大。目前，有些部门虽然正在努力实现它们的d s p a s i c ，但还没有讵式 的产品问l ! ：。因此，在我国目前的数字信号处理领域，主要是使用进口d s p 芯 第一章引言 片来构造数字信号处理系统。f f t 是数字信号处理领域中最基本、最重要的理 论和手段之一。本文将研究用f p g a 实现f f t 以及互相关算法，为在数字信号 处理领域中应用f p g a 技术奠定基础。 1 4 课题研究的内容和意义 1 4 1 课题研究的内容 国内智能流量计仪表在存在的尚待解决的问题：流量计易受外界振动干扰， 而工业现场的振动是普遍存在的；量程下限受限，不能在低流速、小流量时进 行精确测量。当流量小时，传感器的输出信号比较微弱，容易被噪声淹没。所 以针对这些问题采用数字信号处理的方法使低流速信号从强噪声中显现出来， 从而拓展智能仪表的量程下限。为了实现对低流速信号的准确测量，使用功能 更为强大的f p g a 芯片使数字处理方法发挥出更好的效果，达到提高检测精度 的效果。 用f p g a 实现数字信号处理是一种新技术。利用f p g a 等硬件手段进行数 字信号处理工作，这样可以节省大量的计算时间，提高仪表的实时性，也可以 起到比较好的效果。 1 。4 2 课题研究的意义 f p g a c p l d 器件的开发应用可以从根本上解决m c u 所遇到的问题。与 m c u 相比，f p g a c p l d 的优势是多方面的和根本性的： 1 编程方式简便、先进。f p g a c p l d 产品越来越多地采用了先进的 i e e e i l 4 9 j 边界扫描测试( b s t ) 技术和i s p ( 在系统配置编程方式) 。对于s r a m 结构的f p g a ，其下载编程次数几乎没有限制。 2 高速。f p g a c p l d 的时钟延迟可达纳秒线，结合其并行工作方式，在 超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。 3 高可靠性。在高可靠应用领域，m c u 的缺憾为f p g a c p l d 的应用留 下了很大的用武之地。除了不存在m c u 所特有的复位不可靠与p c 可能跑飞等 固有缺陷外，f p g a c p l d 的高可靠性还表现在几乎可将整个系统放入同芯 片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。 4 丌发工具和设计语言标准化，丌发周期短。由于f p g a c p l d 的集成舰 模非常大，集成度可达数百万门。因此，f p g a c p l d 的设计丌发必须利用功 能强大的e d a 工具，通过符合国际标准的硬件描述语占【如v h d l 或 第一章引言 v e r i l o g h d l ) 柬进行电子系统设计和产品丌发。山于丌发工具的通用性、设计 语言的标准化以及设计过程几乎与所用的f p g a c p l d 器件的硬件结构没有关 系，所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性，它几乎 可用于任何型号的f p g a c p l d 中。由此以知识产权的方式得到确认，并被注 册成为所谓的i p 芯核，从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高。 5 功能强大，应用广阔。目前，f p g a c p l d 可供选择范围很大，可根据 不同的应用选用不同容量的芯片。利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或 数字系统的设计。随着这类器件的广泛应用和成本的大幅度下降，f p g a c p l d 在系统中的直接应用率f 直逼a s i c 。 第二章涡街流颦计信号处理方法分析 第二章涡街流量计信号处理方法分析 涡街流量计是2 0 世纪6 0 年代末期发展起来的一种基于流体振动原理的流 量计。2 0 年代7 0 年代初，商品化的涡街流量计首次在r 本出现。近3 0 年的工业 应用证明了涡街流量计在稳定流体计量中的可靠性和精确性，不仅如此，它的 优点还包括仪表内无机械可动部件，被测流体本身就是振动体，性能可靠；使 用寿命长；测量流量几乎不受流体组成、密度、粘度、压力等因素的影响；适 用于液体、气体和蒸气的测量，介质适应性宽，测量精度较高：压力损失小， 量程比宽；可直接输出数字信号等。 涡街流量计本质上是流体振动型流量计，因此它对外界振动、流体的流动 状态特别敏感，它不仅可以感受涡街力，还可以感受到传感器受到的其他力， 如管道振动、管道流体的冲击力以及由于流体压力变化而产生的随机脉动压力 等，现场的干扰对流量测量产生很大的影响。目前，将涡街流量计用于流量测 量，需要研究的关键性问题：一是抑制流场噪声的影响，流场的不稳定性、不 均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有影响，而且对各种敏感元件的检测效果 也有直接影响。附加的漩涡干扰了涡街信号，降低了信噪比；二是准确测量小 流量，因为小流量所产生的横向升力较小，检测信号非常微弱，易受流体冲击 振动噪声和管道振动噪声的影响，存在一个量程下限死区，从而造成量程比受 限，小流量不能测量。例如涡街流量计的理论量程比为1 0 0 ：1 ，而目前实际的 量程比最大的为1 0 ：1 。 为了改善流量计的抗干扰性能，降低它的量程下限，扩大量程，国内外研 究学者做了大量的工作，归纳起来主要在三个方面：研究漩涡发生体的形状 对流量计性能的影响。p a n k a i n 从优化非流线体几何结构和传感器安装位最的角 度，研究了提高信号质量、频率稳定性和流量计线性度的方法；研究涡街流 量计流体流动状态的影响。m o t t r a m 和r a w a t 研究了脉动的流体对涡街流量计 测量精度的影响。l a n e v i l l e 研究了漩流的情况对流量计输出信号的影响；将 数字信号处理方法应用于流量计，处理传感器的输出信号，提取涡街信号频率。 数字信号处理方法应用于涡街流量计，可以解决流量测量中存在的一些难题， 是目前新技术流量计发展的主要方向。 2 1 数字信号处理在涡街流量计中的应用 1 9 9 0 年，s c h l a t t e r 等人研究了涡街流量计工作条件下的噪声情况，提出了 强干扰条件下信号处理方案。这种强噪声具有以下特点：幅值与涡街信号的 幅度相当或高于涡街信号；频率在涡街信号频率范围内；当管道等一定时， 第- 二章涡街流量计信号处理方法分析 噪卢频率是确定的。但噪声信号和涡街流量信号特性不同，在实际测量中，涡 街信号在时| 日j 轴上是缓慢变化的，变换到频域，结果是一宽带信号。对于固定 的管道，噪声是恒定的，变换到频域是一窄带波形。在建立噪声模扳和信号模 板的基础上，提出用频域转换和互相关功率谱相结合的方法来消除流量测量中 的强噪声，即利用互相关方法，检测出噪声，从而消除噪声，再利用频谱分析 得到涡街信号的准确频率，同时研制了以微处理器( t m s 3 2 0 c 1 0 ) 核心的测量 装置。但是，这种方法只针对某种特定的噪声，实际中噪声情况多种多样，不 易获得所有噪声的模板。 1 9 9 2 年，k a w a n o 通过增强非流线体的刚度和自适应低通滤波方法来提高 流量计的信噪比，并采用自适应低频信号截止辨识器，根据信号频率来调整滤 波器的截止频率，使流量计的抗干扰性能得到了改善，但是，由于限制了频率， 无法测量小流量，量程比受到了限制。 1 9 9 3 年，a m a d i e 研究了工作环境的噪声对漩涡脱离频率的影响，分别给出 了在现场离心泵、容积式泵和震动器工作情况下，流量计传感器输出信号，采 用基于f f t 的谱分析来计算涡街信号频率，提高了流量计的测量精度。同时使 用系统辨识技术，根据涡街流量计输出信号变化来监测工作现场的情况。m i a u 专门研究了冲击振动情况下对压电式涡街流量计输出的影响，通过改进传感器 的设计降低传感器对脉冲振动，在传感器和电荷放大器之间加入低通滤波器， 去除脉冲振动产生的尖峰噪声。 1 9 9 7 年，首次将传感器融合应用于流量计测量，研究了以超声波为探测元 件的涡街流量计，超声波涡街流量计可以直接测量涡街信号频率，然后计算出 流量，也可以先测出两个测量点之间旋涡通过的时间，再计算流量。将两种测 量原理结合在一起，将两种测量方法的测量结果进行融合，得到新的流量值， 提高了流量测量的精度，削弱流体噪声的影响。 不仅国外大量学者致力于流量计关键问题的研究，而且世界上很多生产涡 街流量计的公司，诸如y o k a g a w a ，f o x b o r o ，r o s e m o u n t 等也在进行着流量计新 技术的研究。 y o k a g a w a 是世界上最早生产涡街流量计的公司，1 9 6 8 年生产出世界上第 一台涡街流量计。在涡街流量计技术研究中y o k a g a w a 公司一直处于领先地位， 它研制的数字涡街流量计( y e w e l o ) ，以微处理器为核心，采用频谱信号处理 f s p e c t r a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术，利用信号频谱分析的结果，结合最佳噪声比搜 索算法，调整带通滤波器( b a n d p a s sf i l t e r ，b f p ) ，去除噪声提高流量测量精度。 r o s e m o u n t 公司研制了以数字跟踪滤波器( d 硒t a lt r a c k i n gf i l t e r ) 为核心的涡 街流量计数字信号处理系统，数字跟踪滤波器由一系列具有不同截止频率的滤 第二章涡街流姑计信号处理方法分析 波器组成，处理器根据涡街信号的特点，选择合适的滤波器处理输入信号。采 用数字滤波器提高了流量测量和控制的可靠性和准确性。 f o x b o r o 公司采用自适应滤波( a d a p t i v ef i l t e 0 技术来提高流量测量的精度。 涡街传感器的信号通过带通滤波器进行处理，该带通滤波器的截止频率根据涡 街信号的测量频率动态调整，当测量频率变化很小时，滤波器的转折频率设置 为跟踪信号频率变化：当测量频率变化比较大时，设置为搜索频率模式，初始 化滤波器，重新测量涡街频率，这样避免了滤波器跟踪到噪声频率。 2 1 1 数字信号处理解决的主要问题 在涡街流量计中主要解决的问题是量程下限受限，不能准确测量低流速信 号。所以在以下的数字信号处理的方法中重点放在对低流速下的信号的处理， 实现对小流量的精确测量。所用的流量数据为流量信号2 0 h z 附近时的采集数 据，处于比较低的流速范围内。 涡街流量传感器采集到的信号中混杂着许多干扰信号，特别是低流速时干 扰信号非常大，甚至将流速信号淹没其中，这就是小流量时不能准确测量的主 要原因之一。运用捕捉脉冲的方法来检测流速是涡街流量计常用方法，但是在 低流速时信号很微弱，这种方法的可信度就非常低了。所以，选用适当的数字 信号处理方法去除信号中噪声的干扰，最大程度的复现流速信号，是数字信号 处理的主要任务。 2 1 2 常见随机噪声 i 白噪声 向噪声是智能仪表中最常见的一种噪声，电阻的热噪声、p n 结的散弹噪声 都是白噪声。白噪声的功率谱密度为常数，各种频率成分的强度相等，类似于 光学中的白光，因此称之为“白噪声”。根据量子理论的推测，一些噪声源产生 的白噪声在1 0 ”h z ( 紫外光频段) 以上j 丌始衰减。在实际应用中，只要噪声功 率谱密度平坦的的区域比系统的通带宽度宽，就可以近似认为是白噪声。 如果白噪声在i f 负频率范围内的功率谱密度为s ，( f ) = n 。2 ，n 。为常数。根据 维纳辛钦定理，对于有限能量的平稳随机过程，自相关函数r ，( r ) 和功率谱密度 函数s 。劬) 之问满足傅立叶变换关系，只 ) = 只，( f ) 已1 ”d f 。也就是说， r ，( r ) 和s ，( 。) 构成一对傅立叶变换对，它们与确定性信号f ( t ) 及其频谱g ( j u ) 第二章涡街流昔计信号处理方法分析 之间的傅立叶变换对很相似，只不过t 表示的是延时变量，而t 表示的是时问 变量。 白噪声的自相关函数为 b ( r ) = 石1 瓯如) e d c 0 7 2 。 = 等矿= 丁n o 占( r ) ( 2 _ ，) 式中，j ( r ) 是狄拉克函数。这说明，白噪声在不同时刻的取值互不相关，只有 当t2 0 时，r 。( r ) 才不等于零。工程上只是在实际系统的通带内计算白噪声的 各项性能指标。 2 限带白噪声 限带白噪声x ( t ) 的功率谱密度在低频的有限带宽内为恒定常数，在此频带 外为零，即当p i b 时，s a t ) = n 。2 ；当f | b 时，s x ( r ) = o 。其自相关函数为 皿( r ) 2 瓦1 只) p 如7 如= 等f ：= ，7 d 出 ：鲁 霉i ：百n o b s i n ( b r ) (2_：)b 4 z f ，r 2 石r ” 3 笮带噪声 窄带噪声可以看成是白噪声通过理想带通滤波器的输出，其功率谱密度两 数s ，( c o ) 限制在一个很窄的带宽b 之内，中心频率为出。，而且满足b 甜。这 种噪声在通信系统和调制放大器中经常遇到。 窄带噪声x ( ，) 一般可以表示为工( f ) = 爿( ) c 。s b 。f + 妒( ，) 】，式中，爿( f ) 和妒( ，) 分 别表示x ( f ) 的随机振幅和随机相位，他们是慢变的随机函数。即窄带噪声z f ，) 相 当于一种随机调幅调项波。 2 2 相关检测数字信号处理方法 相关检测是上世纪4 0 年代发展起来的一门技术，它建立在信息论和随机过 程的理论基础上。这一技术首先应用在军事上的雷达技术，然后逐渐转移到其 他科学研究和民用上。现在已经在各个领域得到闩益广泛的应用，并成为从强 噪声中提墩弱信号的重要手段。从本质上来晚，相关检测技术是基于信号和噪 第二章j | 5 5 街流姑计信号处理方法分析 声的统计特性进行检测的，相关函数是两个时域信号相似性的一种度量。确定 信号的不同时刻取值一般都具有较强的相关性；而对于干扰噪声，因为其随机 性较强，不同时刻取值的相关性一般较差，利用这一差异可以把确定性信号和 干扰信号区分丌来。 2 2 1 随机信号分析的概念 所谓相关分析，就是研究两个参数之问的关联性。同一随机过程两个参数之 间关系的函数，称为自相关函数；不同随机过程两个参数之问关系的函数，称为 互相关函数。可见，相关函数是随机过程的重要参数之一。 所谓相关性也就是相似性，在观测数据的曲线拟台中，常常用最小二乘法来 进行曲线拟合，是利用了相关性这一概念。一个随机过程的瞬时值，经过时间延 迟了以后，所得到的随机过程的瞬时值与初始随机过程的瞬时值之间的相关性， 即样本x ( t ) 与x ( t 十t ) 的相似性可以用残差平方和来衡量，这个值越小，则越 相似，残差方程可表示为 q ( r ) = e 【x o ) 一j ：+ f ) 】2 = e x 2 ( ，) + x 2 0 + r ) 一2 x ( t ) x ( t + r ) 】 ( 2 - 3 ) 它是非负值，前两项均方值代表了随机信号的平均功率，和时间延迟f 无关， 故上式可以改写成 q ( r ) = 2 x 2 ( f ) 一2 e 9 x ( t ) x ( t + f ) 】 一( 2 4 ) 可以看出，最后一项积分值越大，目, i l x ( t ) 与x “+ r ) 越相似，它在r 一定时 是个定值，称相关值，相关值随r 而变，故称自相关函数，记为r 。( r ) r 。( f ) = e x ( t ) x ( t + f ) 】 = i i m 土x ( ，) x ( f ，+ f ) ( 2 5 ) n n 智 类似的讨论也适用于互相关函数r 。( f ) 设两个随机过程的时间样本记录x ( t ) 和 y ( t ) ，则互相关函数为 r 。( r ) = e x ( t ) y ( t + r ) 】 = 熙吉善圳巾， 6 ) 可见，相关函数是时间滞后量r 的函数。 第二章涡街流姑计信号处理方法分析 2 2 2 自相关分析 自相关函数是建立随机过程一个时刻的数据值与另一个时刻数据值之剧的 依赖关系。用波形描述时，则表示为一个时刻的波形与另一个时间坐标移动了f 之后波形间的相似程度。它表示了在观察时间过程t 内，两组幅值乘积的平均 值。定义如下 r 。= h l i m 。下1 - m r x ( 帆( ，+ r ) 国( 2 - 7 ) 自相关函数具有如下性质： ( 1 ) k 是t 的实值偶函数，即 月。( f ) = r 。( 一f )( 2 - 8 ) ( 2 ) 当t 相当大时： 平均值为零的随机函数的自相关函数很快收敛趋向于零，即 ! 觋r “( r ) = r 。( 。) = o ( 2 9 ) 平均值不为零的随机函数的自相关函数，很快接近于平均值的平方，即 ! 受r 。( f ) = 月。( o 。) = m ： ( 2 一l o ) ( 3 ) 当t = o 时： 平均值为零的随机函数的自相关函数等于均方值或方差，即 r 。( o ) = x 2 = 盯，2( 2 1 1 ) 平均值不为零的随机函数的自相关函数等于均方值或方差加上均值平方的 和，即 月。( o ) = 工2 = 盯；+ m ；( 21 2 ) ( 4 ) 自相关函数在t = 0