針對旋進漩渦流量計易受流體壓力波動以及機械振動干擾的問題，采用了一種由單片機實現的低功耗自適應FFT 信號分析方法，該方法通過電路粗判流量傳感器的信號頻率，在中小流量段，選取與之匹配的采樣頻率對信號進行采樣，然后通過功率譜分析獲得主頻率從而達到抗 干擾的性能，提高流量測量精度；而在中大流量段，直接由硬件控制輸出。經試驗證明：該方法降低了旋進流量計測量下限，拓寬了流量計范圍，大大提高抗干擾性 能，且適合于微功耗流量計使用。

  1旋進流量計是基于流體經過旋渦發生體時產生流體振動，而振動頻率與流體的流速成正比。他們已有近 30 年的歷史，主要包括精度高、線性度好，使用壽命長、線性范圍寬，幾乎不受濕度、壓力密度變化影響等優點，得到廣大用戶的青睞，在氣體、液體、蒸汽等領域具 有廣闊的應用前景。但其采用的測量原理決定了振動信號易受外界噪聲的干擾，當流體不穩定時，流體壓力的波動以及來自系統和環境的振動和噪聲等將使流量計的 信噪比明顯降低，特別是在低流速等信噪比小的情況下，甚至使其喪失其正常計量功能[1]。因此，如何對輸出信號進行處理，從疊加了噪聲的信號中提取有用的頻率信號，成為了提高旋進流量計性能的重點。

2 旋進流量計存在的主要缺點

流量下限偏高，在低流速下極易受到各種干擾，從而無法保證其計量精度，是旋進流量計的缺點。目前，流量傳感器采用的一般為壓電晶體，其輸出的信號為毫伏 級，且其信號一般由兩部分組成：（1）由流速產生的正弦流體振動信號；（2）各種干擾引入的噪聲信號.因此傳感器輸出的信號遠非理想的正弦波，而是一個混 有噪聲的混合信號。當流量比較大時，流體振動信號較強，在同樣強度的噪聲干擾下，其信噪比高，干擾噪聲的影響不顯著，如圖1所示，流量信號還是比較理想的 正弦波，此時一般通過硬件電路整形濾波即可得到正常的流體振動頻率信號。而當流量比較小時，流體振動信號較弱，信噪比小，干擾噪聲的影響顯著，流量信號的 波形發生畸變，如圖 2 所示，此時采用一般的硬件電路無法得到正常的流體振動頻率信號。因此，低流速測量成為了限制旋進流量計應用的瓶頸。廠家一般通過規定下限截止頻率、限制下 限流量來解決此問題，但這樣就犧牲了流量計的優點。其次，信號整形過程多采用閾值比較法，這也易引起漏計和多計現象現象，從而導致測量誤差。目前，基于對 稱安裝的雙壓電傳感器構成的差動式結構使旋進流量計的抗干擾性能雖得到了很大提高[1]，但還有提高的空間。

3旋進流量計信號處理方法

一般信號處理方法可分為模擬信號處理和數字處理兩種。

3.1 模擬信號處理方法

模擬信號處理一般由硬件電路來實現。現在使用的旋進流量計，大多數產品雖采用了微處理器，但僅用于流量計算處理，而表征流速的頻率仍用硬件電路實現，典型的電路和框圖如圖 3 所示，壓電傳感器輸出信號經放大器N1、N2放大后再經 N3差動放大，可濾除部分共模成分，再經過 N4和斯密特電路 D1的放大、濾波、整形，得到與流速成正比的脈沖頻率信號，送入微處理器進行計數并運算處理，從而獲得被測流體的流量。用硬件電路實現頻率檢測實時性較好，反應快。

3.2 數字信號處理

數字信號處理技術具有靈活、精確、抗干擾性強、速度快等優點，這些都是模擬信號處理技術所無法比擬的。國內外對于旋進流量計和渦街流量計的數字信號處理方法主要有互相關法[2]、譜分析法、小波變換法[3]等。 其中應用的較多的是譜分析的方法，譜分析法能夠從含有噪聲的信號中提取有用信號的主頻率。但以往的 FFT 譜分析方法都只是采用單一的采樣頻率，缺少對高低頻率同時適應的能力，降低下限作用不顯著；另外，一般為采用 DSP 技術，無法實現微功耗，無法在電池供電系統使用。

4 低功耗自適應 FFT 方法

4.1 自適應 FFT 簡介

在 FFT 譜分析中，系統的分辨率由采樣頻率 fs與采樣點數 N 來決定，即：

為滿足旋進流量計電池供電的要求，必須采用微功耗單片機進行FFT 功率譜分析。但在單片機實現的 FFT 譜分析中，為保證系統的實時性和低功耗要求，采樣點數不能太高。為了提高系統的分辨率，就必須減小采樣頻率，但采樣頻率的降低又受香農采樣定律的制約，即 采樣頻率必須大于等于信號頻率的 2 倍，以防發生頻率混疊現象。采樣頻率必須根據信號最大頻率選取，這時在低頻段由于頻率分辨率的不足就會造成測量誤差。因此，用普通的 FFT譜分析方法難于滿足旋進流量計在低流速時的需要。為此，我們提出了自適應的 FFT 功率譜分析方法，它是將 FFT 的采樣頻率進行分段而不是采用單一采樣頻率，以適應高低頻段的要求。

4.2 自適應 FFT 方法的實現

要實現自適應 FFT 技術，就需要預先測得流量傳感器輸出信號的大體頻率范圍，以確定所選用的采樣頻率。此方法為由單片機先測量流量傳感器輸出的信號經放大整形得到的脈沖頻率 值，再通過閾值比較的方法來獲得。在 FFT 的應用中，使用較多的是針對采樣點數 N 等于 2 的整數次冪的算法，它們主要有基 2 算法、基 4 算法、分裂基算法等。“基”數越大，運算的次數越少，但是當“基”數大于 4 后，運算次數的減少不再明顯，因此常用的是基 2 算法和基 4 算法。因基 2 算法較為簡單且運用廣泛，所以我們采用基于頻率采樣（DIF）的基 2 算法來實現FFT變換。

采用基-2 頻分 FFT 算法（DIF），其分步運算流程圖如圖 4。

在 RAM 存儲空間中存儲 N=512 的序列，由于快速傅里葉是原位運算，即每一個運算蝶的輸入和輸出占據相同地址的存儲空間，因而在實現 FFT 過程中無需額外的存儲空間。

快速傅里葉變換中有復數 WNn參 與運算，因而序列是復數序列.復數包含實部和虛部，分別以 12位浮點數FPP12表示，并用前文所述的方法存入3個字節，即一個復數占據 3 字節的存儲空間。在蝶運算之前，先從存儲空間中讀出兩個 3 字節的復數x（n）和 x（n+N/2），并分別拆分成 FPP12 格式的實部和虛部，分別存入暫存器中，然后再進行蝶運算。在蝶運算之后，將結果兩個復數的實部和虛部用前文所述的方法壓縮為兩個 3 字節的復數，分別存入原存儲空間x（n）和 x（n+N/2），作為下一級運算的x0（n）和 x1（n），實現原位運算，進而實現 FFT。

考慮到流量計低功耗的需求，我們采用 TI 公司的超低功耗單片機 MSP430F149，并用 C 語言編程實現了自適應的 FFT 譜分析法[4]， 電路設計如圖 5 所示。考慮到在中上流量段，流量計信噪比高，不易受到干擾，我們采用頻率測試判斷方法。對于不同口徑，設置不同頻率閾值，當 CPU 的 A 端口檢測到的頻率大于閾值時，直接置 B 端口為高電平，將整形放大后的脈沖信號直接送到流量計的表頭計數處理，且 FFT 模塊中的 CPU 直接進入休眠狀態，以降低功耗。而當頻率低于閾值時，即啟動 FFT模塊，進入 FFT 過程，同時 CPU 的 B 端口置為低電平，關閉前置信號輸出通道，而由 FFT 計算后所得頻率信號輸出到信號輸出口。另外，為了進一步降低功耗，主程序均采用中斷方式，減少等待時間，達到進一步降低功耗的目的。系統的軟件流程圖如圖 6 所示。

4.3 自適應 FFT 參數確定

4.3.1 采樣點數

由于采用的 FFT 算法為基 2 算法，所以采樣點數應是 2 的指數冪。采樣點數越多，FFT 譜波越接近理想狀態，功率譜的譜峰值越高，對噪聲的抑制能力也越強。為了保證計算精度，FFT 譜分析采樣點數一般要大于 512 點。但是隨著采樣點數的增多，系統的運算任務也越大，運算時間會較長，加之單片機存儲空間的限制采樣點數不能太大，經折中考慮，選取采樣點數為 1024 點。實際證明，1024 個采樣點能兼顧單片機的運算時間和計算精度的需要。

4.3.2采樣頻率

采樣頻率要綜合考慮香農采樣定理和分辨率的要求來選擇。在 FFT 程序中采樣頻率是由 Time_B的連續計數模式來實現的，則可設定流量信號的采樣周期為：

當 FFT 模塊第一次 AD 采樣時，其采樣頻率是通過單片機粗測的頻率值來確定采樣頻率，選擇的依據是讓采樣頻率大于信號頻率的 4 倍而小于 8倍（見表 1）。而通過 FFT 計算得到信號頻率 Fv后，緊接的下次采樣頻率是由上次 Fv的值進行確定的，確定依據也是按表1進行。采樣頻率的選擇是通過改變 SAMPLE_NUM 的值實現的。SAMPLE_NUM 取為2的整數倍。

5實驗與結果

我們對一臺DN50 的旋進流量計在 LXH-600臨界流噴嘴氣體流量標準標定裝置上進行了性能比對試驗。A 方案為僅帶圖 3 的模擬信號處理電路模塊，B方案為在A方案的同個模擬信號處理電路模塊上增加 FFT 處理模塊，原理框圖如圖5所示。同時對兩種形式都采用了無干擾源和有干擾源的方案進行了測試，干擾源的加入方法是在后直管段的 5D 處增加振動幅度為 5 mm、頻率為 20 Hz 的振動干擾源。且 FFT 處理模塊的頻率閾值取 200 Hz（對應流量約為 30 m3/h），實驗結果如表 2 所示 

上面的實驗結果表明：

（1）當流量為 4.95m3/h 時，此時流速很低，旋渦振動弱，僅采用模擬信號處理電路模塊的 A 方案無法檢測流量，加入振動時，頻率波動更大。而增加FFT 模塊后的 B 方案，即可準確檢測到流量值，說明采用自適應 FFT 方法后，流量計的流量下限得到明顯下降，提高了流量范圍度。

（2）當流量為 8.1 m3/h 時，若無干擾，僅采用模擬信號處理電路模塊的 A 方案也可準確檢測流量值，但當有干擾時，即頻率波動范圍大，無法正常檢測。當流量提高到 27.9m3/h時，才基本不受干擾影響。而增加 FFT 模塊后的 B 方案，均可準確測量流量，說明采用自適應 FFT 方法后，流量計的抗干擾能力得到很大的提高。

（3）當流量大于頻率閾值對應的流量（30 m3/h）時，此時流量已能準確測量，關閉了 FFT 模塊，兩種方案所測頻率范圍一致。

（4）當流量大于頻率閾值對應的流量（30 m3/h） 時，FFT 模塊處于關閉狀態，其功耗僅 0.05mW，而當 FFT 模塊打開時，其功耗也僅 1.2 mW，假設流量計 1/3 時間處于 FFT 模塊打開狀態，2/3 時間處于FFT模塊關閉狀態，其平均增加功耗僅 0.44mW，實際上只要選型正確，流量計大部分時間應工作在中大流量，FFT 模塊大部分時間應為關閉狀態，所以可完全滿足微功耗系統的需要。

 本文提出的以硬件電路粗判流量傳感器輸出信號頻率，并按不同頻段變采樣頻率的自適應FFT功率譜分析方法，既可解決旋進流量計抗干擾差的缺點，又可有效降 低流量計的流量下限，擴大流量范圍度，同時又可滿足流量計微功耗的需要。以 50 mm 口徑旋進流量計為例，實驗表明，加入 FFT 模塊后，流量計的流量下限從 8.1 m3/h 下降到 4.95 m3/h，可測量的小流量值得到明顯改 進，同時在中小流量段，測量準確可靠，基本不受干擾影響，抗振性能明顯改進。可以預見，通過進一步完善，這種方法將在旋進流量計中得到推廣應用，成為改進 旋進流量計性能的極好辦法。此外，這種信號處理方式的應用不單局限于旋進流量計，在旋渦進動流量計與射流流量計等其他振動式流量計中也同樣適用。