基于PIC32的數(shù)字渦街流量計(jì)設(shè)計(jì)方案

研究背景與意義

1.渦街流量計(jì)概述

當(dāng)流體中安放一個(gè)非流線型旋渦發(fā)生體時(shí)，流體將會(huì)在發(fā)生體兩側(cè)交替分離，并釋放出兩串規(guī)則的交錯(cuò)排列的旋渦。在一定范圍內(nèi)，旋渦分離頻率與流量成正比。根據(jù)這種原理實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的流量計(jì)叫做渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)具有壓力損失小,量程寬,精度高，構(gòu)造簡(jiǎn)單牢固，維護(hù)方便，安裝費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測(cè)量。

2.渦街流量計(jì)的研究現(xiàn)狀

盡管渦街流量計(jì)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，并在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。但現(xiàn)有的渦街流量計(jì)仍存在一些問(wèn)題，影響到它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。例如，渦街流量計(jì)下限量程高，抗機(jī)械振動(dòng)干擾能力差，在線參數(shù)修改不便。因此，解決渦街流量計(jì)小流量測(cè)量，抗干擾等問(wèn)題，對(duì)于改善現(xiàn)有渦街流量計(jì)的測(cè)量精度與可靠性具有重大意義。同時(shí)，優(yōu)化渦街流量計(jì)的操作界面能極大方便用戶的使用。

3.渦街流量計(jì)研究的意義

正如上文所述，渦街流量計(jì)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有許多亟待解決的問(wèn)題。我們的研究將針對(duì)解決小流量測(cè)量，抗干擾以及優(yōu)化操作界面這三個(gè)問(wèn)題展開(kāi)。通過(guò)引入溫度、壓力補(bǔ)償，數(shù)字信號(hào)處理，以及USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)确椒?，解決長(zhǎng)期阻礙渦街流量計(jì)發(fā)展應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題，進(jìn)一步提高渦街流量計(jì)的可靠性，精確性與實(shí)用性，推動(dòng)渦街流量計(jì)在工業(yè)中的應(yīng)用。

課題研究的特色

2.1 創(chuàng)新性

⑴當(dāng)前的渦街流量計(jì)沒(méi)有考慮溫度、壓力等環(huán)境因素對(duì)流量測(cè)量的影響，測(cè)量精度無(wú)法提高。我們的研究將增加溫度、壓力補(bǔ)償功能，使測(cè)量過(guò)程不受環(huán)境因素影響，結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠;

⑵由于當(dāng)前的渦街流量計(jì)采用計(jì)數(shù)方式計(jì)算流速，因此，當(dāng)流速較低時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)減弱，造成小流量測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)。我們的研究將使用軟硬件合成濾波的方法，提取并放大微弱的低流速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低流速的準(zhǔn)確測(cè)量;

⑶當(dāng)前的渦街流量計(jì)使用查表和線性擬合的方式計(jì)算流量，由于擬合誤差的存在，測(cè)量結(jié)果誤差較大。我們的研究將利用解析計(jì)算公式，并加入溫度壓力補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)流量的精確計(jì)算;

⑷當(dāng)前的渦街流量計(jì)難以消除管道內(nèi)部的振動(dòng)噪音，從而造成較大的測(cè)量誤差。我們的研究將應(yīng)用數(shù)字傅里葉算法，消除渦街信號(hào)中的噪音成分，提高渦街流量計(jì)的抗干擾能力;

⑸通過(guò)增加USB數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的在線下載與測(cè)量參數(shù)的在線修改，使得流量計(jì)的使用更加方便靈活。

2.2 可實(shí)現(xiàn)性

⑴PIC32系列單片機(jī)的高速計(jì)算性能使得復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算成為可能;

⑵PIC32系列單片機(jī)的豐富外設(shè)簡(jiǎn)化了渦街流量計(jì)外部電路的設(shè)計(jì)，使得流量計(jì)體積更小，成本更低，可靠性更高;

⑶PIC32系列單片機(jī)的OTG模塊減少了USB數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的解析量，縮短了USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)發(fā)周期。

方案設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)由主機(jī)與從機(jī)兩部分組成。主機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)儀表，具備流量測(cè)量、顯示以及數(shù)據(jù)記錄等功能。從機(jī)為手持管理儀表，使用者通過(guò)USB連接線，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的管理。管理內(nèi)容包括測(cè)量數(shù)據(jù)的下載和測(cè)量參數(shù)的修改。具體硬件設(shè)計(jì)如下圖所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序由三部分組成。第一部分為啟動(dòng)初始化程序，它完成渦街流量表的初始狀態(tài)設(shè)定。第二部分為測(cè)量主程序，它實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的采集，處理，計(jì)算與顯示。第三部分為USB數(shù)據(jù)傳輸中斷程序，它由按鍵觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的數(shù)據(jù)交換。

3.3 單片機(jī)選型

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，所選單片機(jī)應(yīng)具有以下基本配置：

⑴80MHz主頻;

⑵32位總線設(shè)計(jì);

⑶32kB RAM空間;

⑷128kB Flash 存儲(chǔ)空間

⑸2路中斷信號(hào)通道

⑹4路A/D轉(zhuǎn)換通道;

⑺4路I/O轉(zhuǎn)換接口;

⑻USB OTG硬件解析模塊;

⑼1路D/A轉(zhuǎn)換通道。

因此，我們選擇PIC32MX440F128H及以上版本的單片機(jī)作為渦街流量計(jì)的處理芯片。