（模式识别与智能系统专业论文）fir数字滤波器的matlab设计与dsp实现.pdf

f i r 数字滤波器的m a t l a b 设计与d s p 实现 摘要 捅要 近年来，f 市场1 需求的增长，国内电磁流量计q 二产商迅速增加t j b i 外著名品脚 斗 | 比，田产品牌电磁流造计在性能和质量卜俘订：一定筹距，特别是高端电磁流量计几乎 被国外品牌垄断。信号处理技术是，f 发其有自主知谚护权高端电磁流量汁的瓶颈，是提 高抗干扰能力平测量精度的关键技术。 本文正是以某高端电磁流量计开发项目为背景，针对来自电源、流体、空问电磁场 等途径的十扰信号远大丁- 有效信号的难题，采用m a t l a b 开展了数字滤波器的设计和 仿真研究，并在数字信号处n 器( d s p ) j = 得以实现，j 哑用到一款高端电磁流量计卜。该 电磁流量计产品精度高，抗干扰能力强，在测试围液两相流体中性能优异。本文主要一i 作如下： 1 1 对电磁流量计领域的国内外发展状况进行了伞面系统的综述，分析了目前励磁 技术的原理，确也了以交流励磁作为电磁流基计的励磁方式，并结合目前抗_ 扰技术，讨论r 软件和硬件抗干扰方案； 2 ) 介绍了数字滤波器的定义及分类，洋细说明了数字滤波器的m a t l a b 设计方 法及基本实现结构： 3 ) 窗函数设计法实观f i r 滤波器。介绍了窗函数法设计、实现及仿真的整个流 程： 4 1 最优化设计方法实现f i r 滤波器，l s 最优化方法及p a r k s m c c l e l l a n 方法实现 不同类型的滤波器，以满足巧i 嗣的性能要求。 5 ) 以t id s pj l 发板作为目标系统，进行了硬件仿真实验。把经过仿真实验验证的 f i r 数宁滤波程序，成功移植到设计的电磁流量计产品系统i 二，并经过实验测 试效果良好。 关键词：l u 磁流艟引，f i r 数字滤波器，商函数，p a r k s m c c l e l l a n 最优化，d s p 型垄兰竺主：! 竺笙查 坐型 m a t l a bb a s e d d e s i g na n dd s p i m p l e m e n t a t i o no ff i rd i g i t a lf i l t e r s a b s t r a c t w i t ht h em a r k e td e m a n df o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r ( e m f ) g r o w i n gt h e s ey e a r s ， t h en u m b e r so fe m fm a n u f a c t u r e r sa r ei n c r e a s i n gq u i c k l y t h e r ea r eg r e a td i f f e r e n c e si nt h e p e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yb e t w e e nt h en a t i v ee m f sa n dt h ew e l l - k n o w no v e r s e a se m f s ， e s p e c i a l l yf o rt h eh i g hq u a l i t yo fe m ea n dt h eh i 曲一e n do fe m fp r o d u c t si nt h em a r k e ti s d o m i n a t e db yt h ef a m o u so v e r s e a sm a n u f a c t u r e r s t h et e c h n o l o g yo fs i g n a lp r o c e s s i n gi s h e l p f u li nr e s o l v i n gt h ep r o b l e mo fd e v e l o p i n gt h en a t i v ee m fw i t ht e c h n i q u ei n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h to f c h i n a ，a n dw h a t sm o r ei ti st h em o s tc r i t i c a la s p e c ti ni m p r o v i n gt h ea b i l i t y o fa n t i - j a m m i n ga n dp r e c i s i o no f m e a s u r e m e n t ， w i t ht h eb a e k g r o u n do fd e v e l o p i n gs o m ee m fp r o j e c t s ，t h ea u t h o rs t u d i e sa n dd e s i g n sa d i g i t a lf i l t e rb ym a t a l ba n dd o e ss o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si no r d e rt od e a lw i t ht h e p r o b l e mt h a tn o i s es i g n a l s ，w h i c hc a u s e db yt h ep o w e r , l i q u i d ，e l e c t r o m a g n e t i s ma n ds oo n ， a r em o r eg r e a t e rt h a nt h en o r m a le f f e c t i v es i g n a l a tl a s tt h ef i l t e r i sr e a l i z e di nd s pa n d i m p l e m e n t e di ns o m ee m f i ti sp r o v e dt h a t t h i se m fi sw i t hh i g hp r e c i s i o no fm e a s u r e m e n t a n dh i g ha b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g a n dt h ee m fh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei nm e a s u r i n gt h e s o l i d l i q u i df l o w so nl i n e ，t h em a i nw o r k si nt h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ed e v e l o p m e n to fe m fi nt h ew o r l dw a ss u m m a r i z e di nt h er o u n d a f t e rs t u d y i n g t h ee x c i t a t i o n t e c h n i q u e a t p r e s e n t ，o n t h eb a c k g r o u n do fd e v e l o p m e n to f a n t i - j a m m i n gt e c h n i q u e ，t h et h e s i sp r o v i d e dah i g ha b i l i t yo fa n t i - j a m m i n gs y s t e mo f e m fs i g n a lc o n v e r t e rw i t ha ce x c i t a t i o na n dd i s c u s s e dt h em e a s u r e m e n to f a n t i - j a m m i n gu s i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e 2 ) t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ec o n c e p t i o na n dc l a s s e so f d i g i t a lf i l t e r , a n dg a v ead e t a i l e d e x p l a i n i nh o wt o d e s i g nad i g i t a l f i l t e ra n di t sb a s i cr e a l i z a t i o ns t r u c t u r e | 1 1 m a t l a b 3 ) t h et h e s i si n t r o d u c e dh o wt oi m p l e m e n taf i rf i l t e rw i t hw i n d o w sf u n c t i o n ，a n d m a d eo u tt h ec o u r s eo fd e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n ds i m u l a t i o ni nh o wt ou s e w i n d o w sf t i n c t i o n s 4 1 i h et h e s i si m p l e m e n t e df i rf i l t e r sw i t ho p t i m i z e dm e t h o d ( o n c r c t e l ys p e a k i n g ，i t 东北大学硕 学位论文a b s n a c t i m p l e m e n t e df i rf i l t e r sw i t hl sm e t h o da n dp a r k s m c c l e l l a nf o rd i f i e r e n t p e r f o r m a n c es p e c i f i c a t i o n s 5 ) t h et h e s i sd i dh a r d w a r ee n m l a t i o ne x p e r i m e n t so nt h ed e v e l o p m e n tb o a r do ft i d s p ，t h e ns u c c e e d i n gi nt r a n s p l a n t i n gt h ep r o g r a m so ff i rd i g i t a lf i l t e rt h a th a d v e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t st ot h ee m fs y s t e m i tp r o v e dt h a tt h ee m fw i t h e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo nt e s t s k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cf l o wm e t e r , f i rd i g i t a lf i l t e r , w i n d o wf u n c t i o n ，p a r k s m c c l e l l a n o p t i m i z a t i o n ，d s p 独创声明 本人声明所交的学位沦文是在导师的指导下宠成的。论文 t 蚁得的研究成果除加 以标汁和敛谢的地方外，小包含其他人已经发友或撰写过的研究成聚，也4 i 包括本人为 获得其他学位f 山使用过的材料。与我问f 作的同志对本研究所做的任阿兜献均已在论 文中作了明确的漉丑月并表示诚挚的谢意。 学位论义作者签名 莠跃) 硎 签字厂l 期：v 伽6 2 ，7 弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学自关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论艾的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人h 意东北人学町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、交 流。 ( 如作者和导师同意网f ：交流，清在f 方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名： 签字r 期 导师签名： 签字h 期 查苎苎。兰翌兰! 堡丝圭 一釜二兰 生l 第一章引言 1 1 研究背景 从信息科学看，检测技术是寻找o 自然信息具有刘j 、v 关系的各种表现 乡式的信号以 及确定_ 二者问的定性定量芙系，并f 一一定条件f 找出最合适表现形式以及最佳的采集、 变换、处理、存贮等的方法、手段帛l 相应蹬备。也就是要根据检测对象的特性和检测的 具体问题，合理设计、科学组建控制系统，以i f 确使用各种检测工具、设备和检测方法， 一确地进行测量。随着社会信息化的发展，作为检测对象信息特征的自动化检测仪表， 其重要作用同益显著，它是流程工：业乃至社会生活中的许多方面实现自动化的必要环节 和技术工具，各种算法和控制方案的实现都也必须依靠过程变量的准确获段。自动化检 测仪表与控制理论一样，不仅会推动工业企业的自动化水平，也会影响控制理论的研究 方向和内容。半个多世纪以来，依托于微电子技术、计算机技术和网络技术的迅猛发展， 检测仪表从模拟式、电子式逐步向高精度、高可靠性、小型轻量化、数字化、智能化方 向发展。 随着7 e 产力水平的发展，生产过程对检测技术、枪测工具、检测方法、检测理论等 提出的要求会越来越高。迄今为止，检测技术在经历了几个重要历史时期的发展之后， 作为自动化科学的一个重要分支，已经形成一门实用型、综合型的新兴边沿学科”i 。信 息化促进了( j 动化检测仪表的发展，特别是近些年来，流程 业现代集成制造系统( c i m s ) 的出现1 2j ，无论是从质量l ，还是从数量上，都更加重视以过程状态量为中心的现场信 息，更好的测最仪表，对流程工业生产过程的底层自动化j 。品质量和生产j # 的提高县有 至关重要的作用。而对能量转换的研究是切生产过程和科学实验的基础，在能罐转换 的过程中必须检测的二个参数就是流量、温度、压力。因此流量和压力、温度仪表样 得到广泛的应州。 流量测量f | i ，各种物理原理是其理论堆础，流量测量的原理按物理学科可分为：力 学原i 甲、电学原理、声学原f 里、原f 物理原理以及其它原 电口l 。其中应用们努利定理的 差压。弋、泞了弋；碰用流体振动原理的涡街式、旋进式；应用流体附力原理的靶式等等， 部属j i 力学腺理。应用电学原理测链流最的自电磁式、f 窬式、电感式、l 乜阻式等。j 、i j j 声学原理测艟流髓的有超声式、声学式。j 衄f j 原r 物刖原理测量流量的有核磁j l 孰t 一弋、 核辐射。等。j 它原理热学晾理、比一学原耀等。各种测引乐理的流璧引十1 市场1 - n 比 东北欠学硕士学位论文 第一章 引吾 普：最夫的足蔫：变送流鞋“，然后是电磁流量计，1 释年l ! ， j ；t i l ；= 计，涡街i 靛量计。近些年， 以l 乜磁流量汁、涡街流量汁的发展较快。，j ：压变送流毓计的l e 率在4 4 t 籽if 降。 电磁流量计( e m f ) 是根据法 迕第电磁感应定律：b 4 成的。种测量导电性液体的仪表。 当导电流体在磁场巾作切割磁j 线方向运动时，会感应产牛个其方向与磁场方向及流 体流动方向相垂直的感应电动势，其值与磁感应强度及流体i 薹动速度成正比。电磁流骷 计由传感器和转换器两部分组成，也可以做成一体式。电磁流量计有许多优良特性，可 以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量，7 0 、8 0 年代电磁流量 在技术l 有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量讨，存流量仪表中其使用量不断e 升。其主要的优点： a ) e m f 的测量是通过一段无阻流检测件的光滑直管，闪不易阻塞适用于测量含有 固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。 b ) e m f 不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的延 程阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为合适。 c ) e m f 所测得的体积流量，实际上不受流体密度、稚度、温度、压力和电导率( h 要在某闽值上) 明显变化的影响。 d ) e m f 测量范围度大，通常为2 0 ：1 5 0 ：1 ，呵选流量范围宽。满度值液体流 速可在o 5 1 0 m s 内选定。有些型号仪表可行：现场根据需要扩大和缩小流量， 不必取下作离线实流标定。 e 1e m f 的口径范围比其它品种流量仪表宽，从儿毫米到3 m 。与其它大部分流量 仪表相比，前簧直管段要求较低。 f )可测j 下反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多。仪表 输出本质上是线性的。 g ) 易于选择与流体接触件材料品，西j 应用于腐蚀性流体。 电磁流量计( e m f ) 也= f = 它的局限性，如e m f 小能测鼍电导率很低的液体( 石油制品 和囱i 机溶剂等) ；不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；通用e m f 由于衬单材料 和i 乜气绝缘材料限制，不能用j 较高温度的液体。 1 2 流量计的发展趋势与进展 r 乜磁流量计自hl - 年代进入州p 心用以束，绎历了 流肭磁、l ：频交流励磁、低堋 h t 彤波锄馓、i 值低频钳形波矧j 磁、蚁j 贼矩彤波励磁等l 个阶段。 i - 4 受早期l l ! f 技术 东北大学硕士学位论文 第一章引言 的局限性，仃屿锄磁技术的优越性并没有得到允分的府j i i ，近 i 求，随着电产技术、特 别是微处理器相天产品的迅速应圳，也使得电磁流量计的性能# 刮很快的提高，改进的 双频励磁投术，非满管电磁流量汁的问世，以及两线制低功耗电僦流量计的出现都训实 f 相关数7 l 品，如高性能微处理器、d s p 、f p g a 等对电磁浠星计产品设计影响。也 使电磁流量汁的应用范围不断拓宽。 非满管电磁流量计应用于具有自由表面自然流的卜i 水排放领域，提高了该领域的测 量精确度，将传统非满管自然流或明渠流流量误差从士3 5 降低到士1 2 ，自1 9 9 2 年f i s c h e r p o r t e r 公司首家向市场推出非满管自然流电磁流量计以来，到1 9 9 6 年还有 爱知时计( 1 9 9 4 ) 、东芝( 1 9 9 5 ) 、k r o h n e ( 1 9 9 6 ) 共四家向社会提供该类仪表【4 】【5 1 。 测量更低电导率的液体：可测量比传统电磁流量计电导率阂值低2 3 个数量级的液 体，以前不能测量的甘油、乙二醇等现在都能测量【6 】。口立制作所于1 9 9 2 年首先提供 可测量电导率不小于1 0 - - 8 s c m 的电容电极信号检出的电磁流量计。该类仪表的大面积 电极不与被测液体接触，紧贴在衬罩外表面，以电容耦合方式检出流量信号，因此办有 称之无电极电磁流量计”。除可测低电导率液体的特点外，还因不会产生电极钝化等表 而效应所形成的浆液噪声和流动噪声，适用于测量浆液例。到1 9 9 7 年，有f i s c h e r p o r t e r ( 1 9 9 4 ) 、横河电机( 1 9 9 5 ) 、k r o h n e ( 1 9 9 7 ) 共4 家提供该类产品。 低功耗和两线制电磁流量计发展较快【9 1 ：低功耗电磁流量计使采用干电池或太阳能 电池成为可能，更方便地将电磁流量计用j 二无市电供电的场所。传统分体型电磁流_ 基计 中流量传感器和转换器之间，分别有两根励磁电流线和流量信号线分开传送，称作四线 制”1 。二线制电磁流量计在流量传感器和转换器n q 只有两根信号线，励磁电流则山4 2 0 m a 直流输出流鼓信号中零信号输出( 即4 m a ) 供给。二线制电磁流量计早在1 9 8 3 年就“ ( h ) 爱知时计公司丌发，但应用并不普遍。这是由于励磁电流减小( 减小2 0 5 0 倍) ，降低了流量信号，信嗓比劣化，影响测黾精度和稳定性等，性能尚待提高。近 7 8 年世界籍名电磁流最汁制造r ( 如b a i l yf i s c h e r & p o r t e r 、e n d r e s sa n dh a u s e r 、 k r o h n e 、d i 武、东芝、同立) 相继丌发：线制电磁流量计投放市场，其应用f 1 筒增k 。 2 0 0 2 年，啄b a i l yf i s c h e ra n dp o r t e r ( 现并：入a b b ) 已销售1 3 0 0 台，约【与其i u 磁流置 讨哼肖售总台数的3 4 。山武公i 日2 0 0 3 勺i8 月著文透露2 0 0 3 年颈训可销售i 线制 电磁流量训2 0 0 0f i ，约；电磁流避汁销售台数的l 6 ，声称将成为世界第位线制i 乜 磁流睦计 i 喊商。k r o h n e 公c d2 0 0 1q - i 。出笫+ 靠一线制电磁流量计，适应j _ 笄种晦 j 和，最优化 f 能f j i l n ，极 ：n f 。，a 泶l l 。 东北走学硕士学仁沦足 第一章； 吾 二维电磁流速计和多测量 插入式电磁流精讨：胃j 肼 体外部的船冉| 电磁航速仪是 插入式h t 磁流肇汁的雏形【】”。历来插入式电磁流餐计在大畸，弘管道中有较大发展，也有 用r 明染，称作电磁流速计( e l e c t r o m a g n e t i cc u l l e t l tm e t e r ) f 1 3 1 f 日_ , 4 - 7 1 道流或水利试! 冷模 型小仅要测罨= 流速还要知道流速疗向。一二维i u 磁流速记又称向量流速计，使电磁流景仪 表族可以进入水艾试验应用领域。此外插a j f b 磁流量计还参照均速管的设汁思路，在 插入杆j ：置多套电磁流速测量午元，提高测蹬精度，使插入- 电磁流量计在大管径应用 领域处于有利地位。 1 3 电磁流量计的干扰 电磁流量训的发展和应用与其抗干扰技术的发展进步密切相关，特别是近几十年米 采用三值低频矩形波动励磁技术和双频矩形波励磁技术“，以及微处理器硬件和软斜 技术明显地提高了电磁流量计抗干扰能力和测量精度，扩大了电磁流量计的应用领域， 改变了人们长期认为电磁流量计测量精度低，抗干扰能力差的概念。 电磁流量计是基于导电性流体在磁场中运动所产牛的感应电势来推算流体流量的 测量仪表，其基本工作原理是电磁感应定律。因此电磁耦合静电感应是电磁流量计干二扰 噪声的首要来源：被测流体介质特性产生的电化学干扰噪声是电磁流量计干扰燥声的第 二来源；电磁流量计供电电源的电压和频率波动等电源于扰噪声是电磁流量计于扰噪声 的第三来源【1 6 i 。以卜- 三类十扰噪声的来源、机理、特性一i 同。对电磁流量计的影响方- 式 不同，相应采刚的抗干扰措施也0 i 同。 电磁流量计励磁技术的发腱极大地推动其抗干扰技术的进步f i ”。5 0 年代术电磁流 景计首次工业应用丌始，电磁流量计抗干扰技术的发展经历了几个阶段，每一次进步都 足为了解决其抗干扰能力的问题，促使电磁流量计抗干扰技术出现一次飞跃，电磁流量 计的性能指标提高。5 0 年代未、十年代初，为了减弱直流励磁磁场下电极表面的严重极 化电势的影响，采用了工频i t - _ g 玄波励磁技术，但导敛了电磁感应、静电耦合等i 一频1 。扰， 致使采用复杂的1 卜交1 二扰抑制电路等多种抗r 扰措施，难以完全消除工频下扰噪声的影 响，导致电磁流最汁零点难以稳定、测量精度低、l j r 靠f ，j ：岩。7 0 年代中期，随着电f 技 术的发腱雨f 同步采样技术的问t i l ，采用低频矩形波励磁技术，改变i ：频干扰的形念特扯， 利j j 工频h 步采样技术，获得 乜磁流量计较女f 的抗l 频i 二扰的能力，测量精度提高、：筝 t i 稳定、可靠，睢增强。8 0 年代初采用：值低颁斜! 形波励磁技术和动态校零技术、l i i j , o - l s j t 磁、同哆宋f f 技术以捩得l 也磁流醍最佳的每点稳定性，逊 步提高抗】频 扰利枉乏化 东北大学硕士学位论疋 第一掌引言 电势1 扰的能力。8 0 年代术暴用舣劫! 矩彤波励缎技术，既能克服流体介质产，匕的泥浆干 扰和流体流动噪声，又能 宵低频矩肜波励磁 乜磁流量 计的零点稳定性，实现电磁流量 计零点稳定性、抗 。扰能向和响应速度的最佳统 。叫此电磁流量订励磁技术的进步， 方面【墩变正交卜扰电势的形态和特征，另h 面降低泥浆r 扰和流动噪声的数量级， 从而提高电磁流量汁抗干扰能力，所以电磁流量计励磁技术的改进是最有效的抗干扰措 施。 电磁流最计采用交流励磁虽有定的优点，但随之丽术的电磁f 扰就成为很麻烦 的问题，特别是这些电磁r 扰信号与有用的流量信号混杂在一起，它们不仅成分复杂而 有时还会比流量信号大得多。通常，在液体的平均流速为i m s 时，变送器产生的流量 信号为l m v 左右，最大流量时也只有几mv ，而f 扰信号的幅值严重时竟会达到几 m v ，毖至更大。在这种情况f ，电磁流量计就无法进行正确的测量。 通过多年的实践和科学实验证明，尽管这些于扰信号的成分复杂，产生的原因和来 源很多，但是二1 二扰信号基本上可以归纳为两大类：一类是9 0 0 干扰信号，也称为正交干 扰18 1 ：另v 一类是同相干扰信号外，当被测介质含有混入物时，也会对测量造成影响。当 测萤流体中混入成泡状流的微小4 泡时，电磁流量计仍可i f 常工作，但测得的是含气泡 体积的混合体积流量；如气体含量增加剑形成弹( 块) 状流，因电极可能被气体盖住使 电路瞬时断歼，出现输出跳变甚至刁i 能正常j ：作。 综合l ：述电磁流量计干扰噪声产生的物理和特性分析，智能电磁流量计分别采用硬 件和软件于扰技术，以提高电磁流量汁抗干扰能力。 1 3 1 智能电磁流量计硬件抗干扰技术 1 ) 新型励磁技术是提高电磁流量计抗于扰能力的重要手段 电磁流量计励磁技术的发展，不仅减弱电极极化电势、泥浆干扰、流动噪声的影响， 又能改变工频干扰的形念，便于同步采样技术处理工频干扰噪声，以避免工频干扰的影 响。门自u 电磁流量传感器采用工频频率同步三值低频知i 形励磁和双频矩形波励磁，从而 提高1 u 融流量计整个抗干扰能力，提高电磁流量讨的测舒精度和可靠性。 2 ) i i i j - 胃放大器的设计是提高抗1 i j 尤能力的首要环节 f n 磁流量传感器输m 流信号十分微弱，内阻抗较商，i 爿此高输出入阻抗、低漂移、 低噪声、高c r m m 前胃放大器才能满足抗嗣桐具模f 扰的要求【”l 。前置放大器采用j f e t 高输入m 抗吼j i ! 缓冲器，低漂移低唏声减法器，精密r u 阱l 精心旺配胡i 成仪川放人器，并 东北走学硕士学侄论五 第一专 吾 _-_-w_一电势1 扰的能力。8 0 自。代术泉用双撕 矩形波励磁技术，既能觅服流体介质产7 - ：f l q e 浆干 扰和流体流动噪声，义能 有低频矩彤波励磁 u 磁流 计的零点稳定性，爻现电磁流量 计零点稳定性、抗 。扰能匀和响应速度的虽佳统。鳓此电磁流量训励磁技术的进步， 方口改变i f 交_ ；二扰申| 势的彤怎和特征，另方面降低泥浆r 扰和流动噪声的数量级， 从而提局电磁流量计抗干扰能力，所以电磁流量计励磁技术的改进是最有效的抗干扰措 施。 电磁流量计采用交流励磁虽有定的优点，但随之f 盯束的电磁 二扰就成为很麻烦 的问题，特别是这些电磁干扰信号与有用的流量信号混杂在一起，它们不仅成分复杂而 有叫还会比流量信号人得多。通常，在液体的平均流速为i m s 时，变送嚣产生的流量 信号为i m v 舟右，展大流量时也只育几n lv ，山f 扰信号的幅值严重时竟会达判几十 m v ，甚至更大。住这种隋况下，电磁流量计就无法进行正确的测量。 通过多年的实践和科学实验证明，尽管这些干扰信号的成分复杂，产牛的原因和来 源很多，但是下扰信号基本l 可以归纳为两大类：一类是9 0 0f 扰信号，也称为正变干 扰”o 一类是同相干扰信号外，当被测介质台有混入物刚，也会对测量造成影响。当 测量流体中混入成泡状流的微小气泡时，电磁流量计仍可正常工作，但测得的是含气泡 体积的混合体积流量；如。e 体台量埔加到形成弹( 块) 状流，因电板可麓被气体盖住使 电路瞬时断开， j 现输出跳变甚至不能f 常工作。 综合上述电磁流量计十扰噪声产生的物理和特性分析，智能电磁流量计分别采用硬 件和软俐- 干扰技术，以提高电磁流量计抗f 扰能力。 l3 ，1 智能电磁流量计硬件抗干扰技术 1 ) 新型励隘技术是提高电磁流萤计抗于扰能力的重要手段 f 乜融流量引励磁技术的发展，4 i 仅减弱电极极化电势、泥浆1 二扰、流动噪声的影响， 叉能改变工频干扰的彤态，便于同步采样技术处理工频干扰噪声，以避免工频f 扰的影 响。1 莳i 缸碰流量传感器采用工频频率同步三值低频矩形励磁和双频矩形波励磁，从而 提高1 u 磁流量计整个抗干扰能力，键高电磁流量讨的洲最精度和可靠性。 2 ) 湔背放大器的设计是提高抗r 扰能力的酋要珥书 f b 融流嚣传感器输i _ j 流信号十分微弱，内阻抗较岛，吲此高输出入阻抗低漂移、 低噪声、；每c r m m 前置放大器才能满足抗同帽弛模1 扰的要求”1 。前置放大嚣采用j f e t 高输入抗哇上m 缓冲器，低漂移低嗡声减法器精密f u m 精心匹配目l 成仪j | | j 放人器，并 高输入抗【i 、缓冲器，低漂移低嗡声减法器，精密电阻精心匹配组成仪j | | j 放人器，并 东北大学硕士位论文 第一章 引言 采剧输入保 j i 技术，共琐嘲岖自举技术相l 接地技术尺夫提高抗，模 二扰的能力，抑：刊零 点漂移的影响。 3 ) f 司步采样的频度补偿技术 同步采样和工频电源频率监视补偿技术，是提高抗流量信号电势中混入 频丁扰和 工频电源频：棼波动产生1 频f 扰能力的有效方法。同步采样技术，其采样脉宽为下频周 期的整数倍，使流量信号电势中 一频丁扰平均值等f 零，以消除工频干扰的影响：i 频 电源的频率波动补偿是保证频率的动态波动中，励磁电源和采样脉冲得以同步调整，真 i f 实现同步采样技术和同步励磁技术，同步a d 转换，以降低 频干扰的影响。 4 ) 采用新型h c m o s 系列芯片技术 采用7 4 h c 系列芯片技术较采用7 4 l s 系列芯片其低噪声容限提高2 4 倍，高煤声 容限提高2 1 倍，智能电磁流量计整个硬件采用7 4 h c 系列芯片，不仅降低整个功耗， 而且提高元器件本身抗干扰能力，为电源流量计小型轻量一体化奠定了基础。 5 ) 微处理器系统电源电压监视技术 智能电磁流量计中微处理器系统当电源瞬念欠压，励磁丌关脉冲动作都会造成微处 理器误动作，数据丢失等现氰，因此必颁采j j 可靠的复位电路和电源电压监视技术。最 简单实用的方法是采用低成本电源配合高灵敏度的电源电压监视器，提高微处理器系统 和抗干扰能j j 。 1 3 2 智能电磁流量计软件抗干扰技术 智能电磁流量计固化在e p r o m 中的软件配合硬件除完成智能电磁流量计的 f 常功 能外，必须具备较强的抗十扰能力和容错能力2 0 1 ，组成完善的应用程序。 1 ) 数7 滤波技术 数亨滤波技术是智能仪器中最常采 j 的技术，能够完成模拟滤波器不能完成的功 能，很容易解决脉冲干扰剔除、数字电路毛刺十扰消除、a d 转换器的抗工频能力以及 输入微处理器数字的可靠性问题。 2 ) 程拧放大器技术 程控放人器技术即解决电磁流量计鞋稃自动转换n u 题，同时利用增益控制方法有效 削弱微分 扰峰值使放人器过载的问题，便f 流节信 乜势处理，提高抗微分f ：扰的能 3 ， 3 ) 微处胖器硬件i i l 5 障一渗断技术 东北大学硕士学位论文 第 微处娌器硬件故障f i 跨断技术是聚川软件容错设计，极大地提高硬件系统的i t “ 性，从而提高整个智能电磁流量u 的抗二1 扰能力。具体包括c p u 自诊断，定时器诊断， 中断功能渗断，r a m 诊断，a d 通道诊断和校正，d a 通道诊断，数字i 0 口通道的 渗断等部分，涉及到智能f 毡磁流罱计的关键部件。 4 ) 微处理器抗干扰技术 f 述各种抗干扰措施是解决输入、输出通道中的各种干扰问题，“j 干扰噪声没有作 t 至j j 微处理器本身时，微处理器仍然正确无误地执行各种抗干扰软件，消除或者削弱i i 扰噪声对电磁流量计输入输出通路的影响，当干扰噪声通过三总线等作用到微处理器本 身，c p u 将不能按币常状态执行程序，导致智能电磁流量计整个工作混乱，为了提高微 处理器自身的抗干扰能力采用硬件和软件相配合的多种抗干扰措施。多种复位方式解决 失控的c p u 最简单的方法，掉电保护技术，软件指令冗余措施，软件陷阱抗干扰方法 也是排除智能电磁流量计微处理器失控的有效方法。 5 ) 程序运行监视系统( w a t c h d o g ) 智能电磁流量计采用程序运行监视系统以监视微处理器执行应用程序的状况，当程 序l f 弹到一个临时构成的死循环中时看f j 狗能及时发并强追系统复位，摆脱死循环状 态。 智能电磁流量计多种抗干扰技术的采用，使电磁流量计抗干扰能力增强，精度和可 靠性提高， i 仅实现了电磁流量计小型轻量一体化智能化，而且推动r 电磁流量计的广 泛应用， 拓了电磁流量汁的潜存市场。 1 4 本文主要研究内容 励磁技术是影响电磁流量计抗干扰能力的重要因素。从电磁流量计的发展趋势，电 磁流量计原理性的理论己基本完善，f j 前电磁流量计的研制也是以改进励磁方式、提高 部分功能环节的性能以及数字化设计着手。而对交流励磁技术的分析，得出其住含固态 ，悬浮液的j 柏流测量中的t a 女f 表现，确定电磁流量计以交流励磁方式，并在处理及分析 人甓现场采集的数掘的基础f ：，确定r 某一交流励磁频率。 数据的处理能力是智能仪器水平的柄i 志，是智能仪器的特点 “。测量精度和可誊忭 是仪器n 0 最要指标，引入数据处婵算法石；，使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理 题柑以解决，从而克服和弥补了包括f 感器在内的各个测蛀环节一 j 硬件本身的缺陷或 弱- i ，挺岛r 仪器的综合性能| 2 2 | 东北赶学硕士学位论文 第一章i 言 数? ：滤波算法的优点 数。，滤波只是一个计尊过稃，厄需硬件，因此叫链h 高，j h 小存在阻抗匹配、特 性波动、非一致性等问题，模拟滤波器稿- 频率很低时较难实现的问题，i i 会h 现在数亨 滤波器的宴 蛇过程中。 h 要适“j 改变数字滤波程序仃天参数，就能方便的收变滤波特性，因此数字滤波使 用时方便灵活。 基j 二上述数字滤波器的优点，奉文侧重f 数字滤波器的各种设计方法讨沦，并借助 m a t l a b 信号处理工具箱进行设计，并在d s p 卜实现，最终应用于电磁流量计产品匕。 具体内容如下： 1 ) 剥电磁流量计领域的国内外发展状况进行了全面系统的综述，分析了目前励磁 技术的原理，确立了以交流励磁作为电磁流量计的励磁方式，并结合目前抗于 扰技术，讨论了软件和硬件抗干扰方案； 2 ) 介绍了数字滤波器的定义及分类，详细说明了数字滤波器的m a t l a b 设计方 法及基本实现结构： 3 ) 窗函数设计法实现f i r 滤波器。贪绍了窗函数法设计、实现及仿真的整个流 程： 4 ) 最优化设计方法实现f i r 滤波器，l s 最优化方法及p a r k s m c c l e l l a n 方法实现 不同类型的滤波器，以满足不同的性能要求。 5 ) 以t id s p 丌发板作为目标系统，进行了硬件仿真实验。把绎过仿真试验验证的 f i r 数字滤波程序，成功移植到设计的电磁流量计产品系统上，并经过实验测 试效果良好。 东北大学硕士学位论疋 第二章数 滤波嚣商伞 第二章数字滤波器简介 2 1 数字滤波器的定义及分类 数字滤波器是种用来过滤时间离散信号的数宁系统，通过对抽样数掘进行数学处 理来达到频域滤波的耳的。可以设计系统的频薯、响应，让它满足一定的要求，从而刈通 过陔系统的信号的某些特定的频率成分进行过滤，这就是滤波器的基本原理。如果系统 是一个连续系统，则滤波器称为模拟滤波器。如果系统是。个离散系统，则滤波器称为 数字滤波器。 信号坟t ) 通过线性系统后，其输出y ( o 就是输入信号聊和系统冲激响应h ( t ) 的卷积。 除了h ( t ) 书( t ) 外，y ( t ) 的波形将不同于输入波形f i t ) 。从频域分析来看，信号通过线性系 统后，输出信号的频谱将是输入信号的频谱与系统传递函数的乘积。除非f ( j u ) 为常数， 否则输出信号的频谱将不同于输入信号的频谱，某些频率成分i h ( i u ) l 有较大的模，因此， f ( j ( 1 ，) 中这些频率成分将得到加强，而另外一些频牢成分处h 0 u ) 的模很小甚至为零，剐( ，) 中这部分频率分量将被削弱或消失。因此，系统的作用相当j ：对输入信号的频谱进 i j u 权。 线性系统对信号频谱的这种加工，可以肓意识地用柬按照人们的需要改变信号的频 谱结构。这就是所谓频率滤波，是信号处理的一种方法。此时，人们也往往称此系统为 滤波器。 由于计算机和人规模集成电路技术的进步，依靠传统的模拟电路来实现的电子系统 已不适应。现在都在丌始采用数字化技术，传统的模拟滤波器，正在被数字滤波器所代 替，数字滤波器的输入是个数字序列，输出是另一个数字序列。从本质卜说它只是 个序列的运算加工过稗，但另方面 因为它是一个离散系统，而一个离敖系统具匀- 定的频率响应特性，适当地控制离散系统结构使其频率特性满足一定的要求，就叮以起 到和模拟滤波器| 一 样的作用。f h | 数字滤波器却具有精度高，可靠性强，灵活性大，适应 范围广( 在甚低频范围) 快速等优点。而且可以分时复用，同时处理若f 小同信一7 ， 川此已得到越来越j 泛的应用。 个离散的时川系统，当它的系统函数经确定后就町以根据h ( z ) 写出输“ 和输入 父系的差分方摊柬，再用计算机根据不问的输入序列情况求m 其相应的输m 亭州。数j ： 滤波器是一个j 仃插定频牢特一r 的离敞系统，队l 此它的设计就疗：r 确定它的系统函数。 主! ! 查兰竺主堂! i 堡墨 一箜三主鍪主垒鎏璺塑坌 再找到能满足频：簪特性要二k f 门系统l 雨数后，就可以用硬什或软什束实现，硬什实现就是 川数宁电路制成的运算单元( 延时器，加法器等) 按框h 联接成号用的处理机，软件实 现就是按差分方程写出计算机的计钳程序，然后j j 通用讣算机完成，在地球物理数据处 胖中，主要依靠通用计箅机求实现数字滤波。 数字滤波器的传递函数就是系统单位函数响应的z 变换，因为冲激信号的频率特性 是频率的周期函数，而月其周期就楚抽样频率1 t ，因此数字滤波器的频率特性也有周 期重复的特点，在模拟滤波擀叶】低通、高通、带通、带阻四种形状的频率特性，在数字 滤波器中只在频率的一个周期内保留，但在整个频率轴上将有完全不同的形式，因此， 必须适当选择抽样频率。 一般离散系统的函数有如下形式( 当m 自) ： ( ：) ：益! ：五= ! 车竺刍! 鱼 。 z ”+ n - i z ”一1 + l z + 日o ( 2 1 ) 所以，数字滤波器的设汁，就在j 二求m 。组系数a i ( i = o ，n 1 ) 及b i ( i = o ，n 1 ) 使得 h ( j ) 能具有所要求的特性，这一步骤和模拟滤波器的逼近问题很相似。 数字滤波器之所以得到广泛应刖，是因为模拟滤波器的设计复杂，只能用硬件实现， 而数字滤波器有两种方法来宾现数字滤波器：种方法是采用通用计算机，利用计算机 的存储器、运算器和控制器把滤波器所要完成的运算编成程序通过计算机柬执行，也就 是采用计算机软件来实现；另一种方法是设计专h j 的数字硬件( 通常称之为数字信号处 理器来实现) 。 数字滤波在软件实现时只需根据滤波器的差分方程进行编程即可，非常简便，而且 还町以方便地通过凋整差分方程的系数来获得理想的滤波性能。滤波器的种类很多分 类的方法也很多。如根据滤波器的滤波功能( 频率响应特性) 来分，则可以将数字滤波 器分为低通、高通、带通、带阻、全通等n ：种类型。如根据滤波器单位冲激响应h ( n ) 的 长度可以将滤波器分为有限冲激晌j 、i 滤波器f i r 和无限冲激响应滤波器i i r 。如果根据 滤波器的构成方式，则可以将滤波器分为递归式的数字滤波器和非递归式的数字滤波 器。 除了f ：面的一些分类方法，从总体f ：还r - j 以把数字滤波器分成两大炎。一类足经欺 滤波器，类是现代滤波器i ”i 。经煦滤波器赴假定系统输入信qx ( n ) ， ，的仃j 成分和希 查北戈学硕士学位论文 第二章数j 庹波器简介 颦左除的成分各f l i 有不同的频带，这样，、x ( n ) 通过个线性系统( 即滤波器后) n ， 欲去除的成分有效地去除。如果信l j 和噪声的相互重叠，那么经典滤波器将无能为力。 现代滤波器理论研究的证要内容是从含肯噪声的数据记录( 又称时间序列) 中估计 出信号的某些特征或信号本身。一旦信号被估计出，那么估汁出的信弓将比原信号会有 商的信噪比。现代滤波器把信号和噪声都视为随机信号，利用它们的统计特征( 如自相 关函数、功率谱等) 导出一套鼹仕的估值算法，然后用硬件或软件予以实现。 存实际应用中经常会遇到f i r 与i i r 的数字滤波器分类方法，那么