基于DSP的磁致伸缩液位传感器

基于DSP的磁致伸缩液位传感器
作者：柴婷婷；柴晓杰





       由磁致伸缩传感器构成的液位测量系统主要包括脉冲激发、信号检测、信号滤波及放大、液位计算与输出、数据通信等部分。信号检测和滤波是磁致伸缩液位传感器实现高精度测量的关键因素。随着半导体制作工艺的发展和计算机体系结构等方面的改进,DSP芯片以其更强的功能、更快的速度、更小的体积和功耗、更低的价格等优势带来了更多的应用思路。利用TMS320F2812实现信号检测、滤波和液位结果计算与输出。

1、磁致伸缩液位传感器误差原因与提高精度的方法

       磁致伸缩液位传感器具有测量精度高、使用寿命长、耐腐蚀、耐尘、耐压、耐高温、耐高振荡等一系列特点,已在行程测量和液位测量中得到了愈来愈多的应用。但由于其测量原理是通过计算两个不同磁场相交所产生应变脉冲信号的时间周期,再根据超声波的传递速度获得准确的位置值。测量过程中,传感器内波导管的电流脉冲和应变脉冲不可避免地对测量的输出信号产生一定的干扰,强度可以达到满量程的012%。在一些模拟控制系统中,影响程度不明显,可以忽略。若对高精度的数字式控制系统,影响程度很明显,甚至影响到系统的稳定,必须予以消除。

       针对这些干扰信号,最好的方法就是采用滤波处理来滤除这些系统的干扰信号,提取出所需要的实际信号。

      传统的磁致伸缩液位传感器系统中出现的硬件滤波电路,由于硬件滤波电路结构复杂、参数调整不易和系统性能易受环境影响、容易引起电子噪声等缺点,系统中用数字滤波方法来替代。

       基于DSP的磁致伸缩液位传感器系统的硬件主要由激励脉冲电路、放大电路、TMS320F2812、液晶显示电路、串口通信电路等部分组成。

      DSP先给激励脉冲电路发送一个激励脉冲,然后激励脉冲电路产生大电流脉冲,输入波导丝产生环绕磁场。该磁场传播到位置磁铁处和其垂直磁场作用,因磁致伸缩效应在该处产生磁致扭转波,并以通过实验标定的约为21838mm/μs的波速传回,遇到检测装置,检测装置把机械信号转换成电信号,但幅值较小,需要进行放大,然后DSP开始采集放大后的信号,读取采集信号数据,并将其进行FIR数字滤波后,接着得到液位测量值L,然后输出到LCD上显示,并用于通信。

2、基于DSP的磁致伸缩液位传感器的软件设计

       系统采用全采样法,即DSP发送激励脉冲的同时,开始启动AD,一直采样,直到所设置的全量程数据采集完毕,然后对所采集的全量程数据进行FIR滤波处理,寻找波形的特征点,A/D转换速率是已知的,进而能求得特征点处的时间,乘以波速即得液位。

       通过寻找回波信号的特征点求取液位的方法有以下优点:(1)由于波导丝本身的不连续性,超声波在传播过程中会发生幅值上的衰减,采用比较器检测的方式,比较器的门限电平是预先设定的,会使翻转时间推后,造成较大的测量误差。采用提取特征点的方法可以有效避免干扰。

(2)不需要这些检测电路,大大节约了系统的硬件数量,避免了太多硬件电路所造成的电子干扰。便于进行数字滤波,充分发挥数字滤波的优点。

(3)可以消除放大器零点漂移带来的影响。

2.1FIR滤波程序

       为了滤掉电子系统的各种随机干扰成分,分析检测信号的频谱特性,进而根据其频谱特点设计恰当的滤波器。采用周期图作为功率谱的估计时有快速算法,可以应用FFT.因此,采用周期图来作为功率谱的估计,取256个采样点来分析其频谱特性。从频谱分析结果看出,传感器检测信号的中心频率在77kHz附近,是一个低频特性,须设计一个具有低通特性的滤波器滤掉高频的噪声,所以对采集的信号进行FIR低通滤波算法处理。

2.1.1FIR的算法实现

         读取AD转换值后,程序的第一步就是在RAM区中设置两组连续的存储区:一组存放FIR滤波器系数,另一组用于存放采集数据。初始化时,存放采集数据的存储区要设为0,存放FIR滤波器系数的存储区中放入按FIR算法设计得到的滤波器的单位脉冲响应系数,然后,将读取的结果存放到数据存储器中。在PC机上求解FIR滤波器的单位脉冲响应。首先,在主函数中,定义了4种数字滤波类型:低通、高通、带通和带阻;接着,定义了6种窗函数类型:矩形窗、三角形窗、汉宁窗、海明窗、布拉克曼窗和凯泽窗;然后,调用计算窗函数的子程序fir_window(),求出这6种窗函数系数;再用这6种窗函数系数乘以理想单位脉冲响应hd(n),就是所求得的FIR滤波器的单位脉冲响应系数。由于设计的是低通滤波器,hd(n)就是低通理想单位脉冲响应。最后,将求解的FIR滤波器的单位脉冲响应系数存放在DSP的存储空间。

2.1.2滤波系统的实验验证

        实验设计的是具有低通特性的FIR滤波器,窗函数选择的是海明(Hamming)窗。由于海明窗可将991963%的能量集中窗谱的主瓣内,主瓣宽度为8π/N,但旁瓣幅度更小,旁瓣峰值小于主瓣峰值的1%。并且,通过反复实验,选择滤波器阶数N=32。输出信号的滤波前后仿真图可以看出,没有经过FIR滤波的波形明显存在许多干扰,而经过FIR滤波后的波形明显滤掉了系统所带来的各种干扰成分,从干扰噪声中提取了有用的特征信号,为进行高精度液位测量提供了重要的理论基础。

2.2液位测量

       对于磁致伸缩液位传感器系统,液位测量是重要环节。程序设计中,调用峰值点子程序ffpeak(),在该子程序中,h为所选的采样点,fp为比较峰值点的次数,ConversionCount为AD采样数据个数,SampleTable[]为放置AD采样点数据的数组。当AD采样完成后,把采集的数据保存在放置AD采样点数据的数组SampleTable[]中,然后,从第5个采样点开始判断峰值点。确定峰值点后,再用峰值点数乘以程序中A/D的转换速度,得到了所要求的峰值点处的时间,然后,用峰值点处的时间乘以波速即得到液位测量值。

2.2.1峰值点的程序实现

unsignedintffpeak()

{unsignedinti,h,fp=0;

for(h=15;h<ConversionCount-15;h++)

{for(i=1;i<=15;i++)

{if(SampleTable[h-i]<=SampleTable[h-i+1]);elsebreak;

if(SampleTable[h+i]<=SampleTable[h+i-1])fp++;

else{fp=0;break;}

}

if(fp>=14)break;

}

if(fp>=14)return++h;elsereturn0;

}

2.2.2液位测量的实验图

       实验中采样周期:T=013μs,波速v=21838mm/μs,由采样周期所限,测量值只能精确到018514mm.真实值以精度为1mm的钢板尺作为测量工具。位置1的真实值为38123cm,可以看出滤波前的测量值误差太大,测量值中的最大值与最小值之间的差值达到了0135cm,而滤波后的测量值基本在真实值附近,测量值中的最大值与最小值之间的差值只有0116cm.位置1的真实值为84171cm,可以看出滤波前的测量值误差太大,测量值中的最大值与最小值之间的差值达到了0145cm,而滤波后的测量值基本在真实值附近,测量值中的最大值与最小值之间的差值只有0107cm.经过滤波系统后,液位测量值与滤波前相比,精度有了比较大的提高。

3.结束语

       系统详细阐述了基于DSP的磁致伸缩液位传感器的硬件和软件设计。硬件设计部分,相对于传统的磁致伸缩液位传感器需要许多检测电路,而该设计方案中,不需要这些复杂的硬件检测电路,大大节约了系统的硬件数量,避免了太多硬件电路所造成的电子干扰。软件设计部分重点介绍了FIR滤波程序在DSP上的实现,并通过比较滤波前后信号的波形以及滤波前后液位测量值的实验,得到基于DSP的磁致伸缩液位传感器的设计方案。为今后设计高精度磁致伸缩液位传感器提供了方向。






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