2．
5人機接口模塊
由鍵盤及液晶顯示電路組成，方便工業現場儀表參數和其它參數的輸入設置和流速的現場顯示。系統中采用 4個按鍵組合的方式，通過菜單進行儀表參數設定 ;采用帶背光的點陣式 LCD以將有關系統測量的參數、單位、提示符、診斷信息等顯示出來。
2．6通訊模塊
采用 F2812片上 SCIA作為通訊端口，采用電平轉換芯片 MAX3221實現3．3 V CMOS邏輯電平與標準 RS232電平之間的轉換，最高通訊速度能達到 250 ×103 bit/s，從而為采集的傳感器輸出數據、勵磁電流數據及其他測量數據和診斷信息的實時傳送提供條件，并方便遠程監控。
2．7電源管理模塊
為方便使用，系統采用220V市電供電，通過開關電源電路將其變換為系統中所需的直流勵磁電源36V和系統其他部分工作電源±15V。模擬調理部分的±12V電源采用線性電源從±15V直接變換;模擬5V電源由線性電源從+12V變換;DSP系統所需的數字3．3V和1．8V電源先由DC/DC從+15V變至+5V，再由低壓差雙路輸出線性電源TPS767D301將其變換成3．3V和1．8V。設計中，模擬電源和數字電源分開設計。系統中同時將TPS767D301的兩個開漏輸出復位引腳與手動復位電路的輸出直接連接并通過電阻上拉，接入至F2812復位輸入引腳，以實現F2812在系統上電和斷電及手動復位時能夠得到有效的復位。
3系統軟件研制
3．1信號處理方法
根據法拉第電磁感應定律及主要噪聲產生機制，電磁流量計輸出信號形式如式(1)所示。其中，第一項BDv為由流體流速v引起的輸出分量，第二項為由于電極回路與磁力線不平行造成的正交分量，第三項為由于渦流效應導致的同相干擾分量，第四項為工頻干擾，第五項為由于電化學效應導致的極化噪聲、流動噪聲及漿液噪聲等。另外，信號中還存在白噪聲。E=BDv+k1dBdt+k2d2Bdt2+ec+ed(1)式中:只有BDv為反映流體流速的有用信號，而其他分量均為干擾分量。其中，正交干擾和同相干擾可以通過采用方波勵磁的方式并在勵磁穩態進行采樣加以消除。共模工頻干擾項由前置差分放大電路消除。所以，信號處理時主要在于去除差模工頻干擾及電化學效應導致的噪聲。漿液測量時，電化學效應主要引起極化噪聲及固體顆粒劃過電極時的漿液噪聲。極化噪聲引起傳感器輸出信號的基準點漂移、頻率很低，漿液噪聲則表現為電極極化狀態突然被打破并重新建立極化平衡狀態而造成信號較大跳變的過程，其與頻率之間呈1/f特性。漿液測量時，如何去除此類噪聲為系統軟件設計的關鍵。針對差模工頻干擾、極化噪聲及白噪聲，由于系統采用方波勵磁，傳感器輸出信號的理想特性也應為方波，所以，系統中采用梳狀帶通濾波器，只讓特定頻率的方波信號通過，從而去除其他頻率分量的噪聲干擾。設系統勵磁頻率為fe(一般不為工頻頻率)，則梳狀帶通濾波器的帶通中心頻率設置為fe、3fe、5fe、7fe等。梳狀帶通濾波器Z域傳遞函數如式(2)所示。其中，n為濾波器階數，其值為。H(z)=b×1－z－n1+az－n(2)由于漿液噪聲頻帶范圍較寬，覆蓋整個方波信號的頻帶范圍，且其頻率呈1/f特性，因而，上述梳狀帶通濾波器不能有效克服漿液噪聲的干擾。由式(1)可知，方波勵磁時，流體的流速與傳感器感應輸出方波信號的正負半周幅值差成正比。在信號處理時，需對傳感器輸出信號進行幅值解調，求取其正負半周幅值之差。漿液干擾發生在不同的勵磁半周期有可能造成對應半周期內的幅值解調結果偏大或偏小，從而引起測量誤差。為此，通過對一段時間長度的漿液流量實驗數據各勵磁半周期的幅值解調結果進行統計分析發現，解調幅值與勵磁半周期數成近似高斯模型，近似高斯分布示意圖如圖4所示。圖4中，T為無漿液干擾影響的勵磁半周期幅值解調結果，［ab］為誤差帶。超過［ab］誤差帶的幅值解調結果即為漿液干擾引起的幅值偏大或幅值偏小的結果。圖4漿液測量勵磁半周期數與解調幅值之間近似高斯分布示意Fig．可見，漿液測量時，解調幅值正常的勵磁半周期數仍然是占絕對大多數，而漿液干擾引起的幅值偏大和幅值偏小的勵磁半周期數則近似相等且比較少。因此，幅值解調后，可先對幅值解調結果進行統計分析，即對一段時間內的幅值解調結果進行排序，并取排序結果中幅值居中的一段數據的平均值作為反映實際流量大小的幅值結果T。統計分析后再進行信號的遞推重構，以獲取不受漿液干擾影響的每個半勵磁周期的信號。信號重構計算式為:R(k)=2［T(k)+T(k－1)］·(－1)i－3［R(k－2)－R(k－1)］+R(k－3)(3)式中:T為統計排序得到的幅值結果，R為信號重構的結果，R(k)位于勵磁正半周期時，取i=0;R(k)位于勵磁負半周期時，取i=1。信號重構結果序列R中的每點對應半勵磁周期平穩態的信號大小。信號重構后即可再通過梳狀帶通濾波器濾除其他噪聲。t+k2d2Bdt2+ec+ed(1)式中:只有BDv為反映流體流速的有用信號，而其他分量均為干擾分量。其中，正交干擾和同相干擾可以通過采用方波勵磁的方式并在勵磁穩態進行采樣加以消除。共模工頻干擾項由前置差分放大電路消除。所以，信號處理時主要在于去除差模工頻干擾及電化學效應導致的噪聲。漿液測量時，電化學效應主要引起極化噪聲及固體顆粒劃過電極時的漿液噪聲。極化噪聲引起傳感器輸出信號的基準點漂移、頻率很低，漿液噪聲則表現為電極極化狀態突然被打破并重新建立極化平衡狀態而造成信號較大跳變的過程，其與頻率之間呈1/f特性。漿液測量時，如何去除此類噪聲為系統軟件設計的關鍵。針對差模工頻干擾、極化噪聲及白噪聲，由于系統采用方波勵磁，傳感器輸出信號的理想特性也應為方波，所以，系統中采用梳狀帶通濾波器，只讓特定頻率的方波信號通過，從而去除其他頻率分量的噪聲干擾。設系統勵磁頻率為fe(一般不為工頻頻率)，則梳狀帶通濾波器的帶通中心頻率設置為fe、3fe、5fe、7fe等。梳狀帶通濾波器Z域傳遞函數如式(2)所示。其中，n為濾波器階數，其值為。H(z)=b×1－z－n1+az－n(2)由于漿液噪聲頻帶范圍較寬，覆蓋整個方波信號的頻帶范圍，且其頻率呈1/f特性，因而，上述梳狀帶通濾波器不能有效克服漿液噪聲的干擾。由式(1)可知，方波勵磁時，流體的流速與傳感器感應輸出方波信號的正負半周幅值差成正比。在信號處理時，需對傳感器輸出信號進行幅值解調，求取其正負半周幅值之差。漿液干擾發生在不同的勵磁半周期有可能造成對應半周期內的幅值解調結果偏大或偏小，從而引起測量誤差。為此，通過對一段時間長度的漿液流量實驗數據各勵磁半周期的幅值解調結果進行統計分析發現，解調幅值與勵磁半周期數成近似高斯模型，近似高斯分布示意圖如圖4所示。圖4中，T為無漿液干擾影響的勵磁半周期幅值解調結果，［ab］為誤差帶。超過［ab］誤差帶的幅值解調結果即為漿液干擾引起的幅值偏大或幅值偏小的結果。圖4漿液測量勵磁半周期數與解調幅值之間近似高斯分布示意Fig．可見，漿液測量時，解調幅值正常的勵磁半周期數仍然是占絕對大多數，而漿液干擾引起的幅值偏大和幅值偏小的勵磁半周期數則近似相等且比較少。因此，幅值解調后，可先對幅值解調結果進行統計分析，即對一段時間內的幅值解調結果進行排序，并取排序結果中幅值居中的一段數據的平均值作為反映實際流量大小的幅值結果T。統計分析后再進行信號的遞推重構，以獲取不受漿液干擾影響的每個半勵磁周期的信號。信號重構計算式為:R(k)=2［T(k)+T(k－1)］·(－1)i－3［R(k－2)－R(k－1)］+R(k－3)(3)式中:T為統計排序得到的幅值結果，R為信號重構的結果，R(k)位于勵磁正半周期時，取i=0;R(k)位于勵磁負半周期時，取i=1。信號重構結果序列R中的每點對應半勵磁周期平穩態的信號大小。信號重構后即可再通過梳狀帶通濾波器濾除其他噪聲。綜上所述，基于統計分析與信號重構的漿液信號處理流程為 :幅值解調 Ⅰ→統計分析 →信號重構 →梳狀帶通濾波 →幅值解調 Ⅱ→電流修正 →滑動均值濾波 →流量轉換。其中，幅值解調 I是直接計算系統采集進來的傳感器信號的每勵磁半周期的信號幅值 ;幅值解調 Ⅱ是求取信號重構與梳狀帶通濾波后信號每勵磁半周期的信號幅值 ;然后，將其與勵磁電流相除得到電流修正結果，并進行滑動均值濾波和流量轉換得到測量輸出的流量值。
3．2軟件實現
軟件設計采用模塊化設計方案，將完成特定功能或類似功能的子程序組合成功能模塊，主要功能模塊有 :初始化模塊、驅動模塊、數據處理模塊、通訊模塊、人機接口模塊、看門狗模塊等，由主程序統一調用和協調各模塊正常有序工作。
初始化模塊負責系統內 F2812、過程參數變量及各外設初始工作狀態的初始化。系統將軟件程序下載至內部 Flash中，并在系統初始化時將調用頻繁的子程序從 Flash中拷貝到內部 RAM中運行以提高程序執行效率。外設初始化主要包括系統中各模塊的工作狀態的初始化，如采集模塊 ADC的同步啟動、偏置調整的初始輸出及驅動、通訊的初始化等。
驅動模塊主要為勵磁控制，由 F2812結合時序邏輯電路實現。單頻勵磁時，勵磁控制僅由 GP Timer4控制 ;雙頻勵磁時，勵磁控制由定時器 GP Timer3和 GP Timer4控制。系統初始化后，插入相應定時器啟動程序即可進行勵磁控制，而無需 CPU干預。
數據處理模塊主要包括數據采集、流量計算和偏置調整三個子模塊。數據采集通過捕獲中斷 ( CAP1)通知 CPU讀取數據，由 GPIOA8 /9模擬 SPI功能來同步讀取傳感器信號和勵磁電流的轉換結果。偏置調整則通過設置上下門限，當信號最大幅值超過上門限或其最小幅值低于下門限時，則計算偏置調整量并由 SPI控制偏置調整電路 DAC輸出將其基準拉回至 0。流量計算則采用
3．1節所述基于統計分析與信號重構的漿液信號處理流程。通訊模塊采用 SCI接收中斷方式監聽上位機控制指令，在與上位機數據交互中采用 FIFO模塊進行數據信息批量處理，并根據上位機指令動態調整 FIFO級數以提高系統自身通訊效率。SCI通訊波特率由上位機設定，系統中 F2812采用自動偵測的方式設置波特率。
人機接口模塊用于液晶刷新、顯示切換及參數修改等;看門狗模塊為防止系統 “死機 ”，系統啟用 F2812內部自帶的看門狗模塊。
主監控程序是整個軟件系統的總調度程序，控制著程序的有序運行。系統上電或復位后，主程序先調用各模塊初始化子程序，進而啟動勵磁控制，繼而同步 ADC
工作，然后進入數據處理循環操作。主監控程序流程圖如圖 5所示。
4實驗結果
為了考核研制的漿液型電磁流量計的測量精度和漿液測量性能，在重慶川儀自動化股份有限公司流量儀表分公司分別進行了水流量標定實驗和漿液測量實驗。
1)水流量標定結果
水流量標定采用標準表法，標準表精度為0． 2級，標定線口徑分別為 100 mm、50 mm、25 mm。系統勵磁方式為 25 Hz方波勵磁，信號采樣率為 4 800 Hz。水流量標定中，由上位機發送指令同步控制被校表與標準表累計流量的啟停并計時，由串口通訊方式讀取兩表的測量結果。上述各口徑水流量標定實驗結果表明，該漿液型電磁流量計的測量精度優于0． 5級。由于電磁流量計的測量結果只與流體的流速有關，而與流體的介質無關，因此，上述水流量標定結果可保證該電磁流量計的漿液測量精度。
2)漿液測量結果
系統的漿液測量實驗在重慶川儀自動化股份有限公司自制的 25 mm口徑的漿液流量測量實驗裝置上進行，同時在該裝置上與當前技術先進的日本東芝漿液型電磁
流量計進行了測量比照實驗。漿液流量測量實驗裝置主要由水槽、泵、管道、兩臺電磁流量計一次儀表、分流閥等組成。其中，兩臺一次儀表串接于主管路中，上游一次儀表接本系統，下游一次儀表接東芝漿液型電磁流量計二次儀表 ;分流閥位于兩臺一次儀表的上游，以通過控制支管路分流流量來實現對主管路流量的控制 ;流過主管路與支管路的漿液流體均直接返回水槽。實驗中，紙漿質量濃度配為實驗裝置所允許的最大濃度 (約為 5% )。為方便比照，實驗時先將流量調至最大，然后調整本系統儀表修正系數以使兩表測量結果示值一致。由于工業應用中，漿液測量要求主要為穩定測量和快速跟隨，測量結果波動一般要求不超過 ±5%，跟隨時間在 4s以內。因此，本實驗主要考察系統漿液測量的波動率和跟隨響應速度，并與東芝漿液型電磁流量計進行比照。波動率定義為一段時間內測量結果的最大值與最小值之差除以最大值與最小值之和。實驗時依次取 5種紙漿濃度 (依次加水稀釋)，每種濃度下取兩個流量點進行實驗，每組實驗記錄 200 s的測量結果數據來計算波動率。漿液測量跟隨響應速度實驗則是在最大濃度、最大流速下采用啟 /停泵的控制方法，記錄系統的跟隨響應時間。
實驗結果表明，本系統漿液測量時穩態波動率在 4%以內，跟隨響應時間在 4s以內，從而具有較好的漿液噪聲抑制能力和較快的動態跟隨響應速度，滿足實際應用要求，且測量性能與東芝漿液型電磁流量計接近。圖 6和圖 7分別為在最大紙漿濃度、滿流量情況下，系統漿液穩態測量曲線圖和紙漿泵啟-停-啟時系統漿液測量曲線圖。
5結論
1)采用基于線性電源的高頻方波勵磁控制技術，以 TMS320F2812為核心，研制了漿液型電磁流量計，系統運算能力強且能保證高頻方波勵磁時信號零點穩定。研究結果表明，系統能有效用于漿液測量。 2)采用基于統計分析與信號重構的漿液信號處理方法，能夠很好地克服信號中的漿液干擾，并有效抑制工頻干擾、極化漂移等噪聲的影響，實現漿液流量的準確測量。 3)水流量標定實驗結果表明，該漿液型電磁流量計的測量精度優于0． 5級，從而保證了其漿液測量精度。紙漿測量實驗結果表明，該漿液型電磁流量計漿液測量穩態波動率小于 4%，動態跟隨響應時間均在 4s以內，滿足實際工業應用的要求。