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抗干擾技術在智能電磁流量計中的應用
電磁流量計由于其可靠性高、耐腐蝕性強、測量精度高、容易變更測量范圍等特點,目前在石油、化工、治金、造紙等行業得到廣泛應用;特別在能源短缺的今天,電磁流量計的發展為資源的科學管理提供了重要基礎技術支持。然而,科學技術的迅速發展向電磁流量計提出了更高更新的要求,尤其是流量測量的精確度和穩定性方面。電磁流量計中干擾信號與流量信號混在一起,不僅成分復雜而且有的干擾信號數量級與流量信號相當,此外噪聲進入微處理器可能造成系統運行異常,在這種情況下,如何抑制干擾成為研制和使用電磁流量計的一項關鍵技術。
 
1.電磁流量計中噪聲的產生機理及對策
電磁流量計工作原理基于法拉第電磁感應定律,通過測量導電流體在磁場中的感應電動勢來推算流體流量。勵磁磁場,感應電動勢采集電極,信號運算放大電路以及模數轉換器都容易受到工作現場的電場和磁場輻射耦合,因此電磁耦合是流量測量中的最主要的干擾方式。其次被測液體的電化學反應和泥漿干擾是流量測量的另一噪聲來源。
1.1微分干擾機理及對策
在現行的電磁流量計設計中,低頻矩形波勵磁結合了直流勵磁和交流勵磁的優點,成為主要勵磁方式之一。在低頻勵磁方式下其干擾主要表現為:由勵磁電流突變產生的微分干擾信號。理想勵磁磁場信號如圖1-1所示,為低頻矩形波,實際上隨著勵磁電流變化(dI/dt)磁場上產生微分干擾信號,如圖1-2,可以看到隨著電流的穩定,干擾信號隨之消失,因此同步采樣技術可以有效抑止微分干擾信號。實際設計中模數轉化器使用AD公司的24位sigma delta模數轉化器AD7714。AD7714可以分別采用硬件和軟件方式進行采樣開始時間控制從而實現同步采樣。采用軟件方式時,當控制寄存器中FSYNC位為邏輯1時,模數轉換器處于復位狀態;向該位寫邏輯0時,器件開始采樣輸入信號。在應用中,低頻勵磁信號由MSP430單片機內部定時器產生,同時產生采樣信號。如圖1所示,采樣開始時間滯后勵磁信號1/4個周期。
1.2工頻耦合干擾機理及對策
在電磁流量計工作現場存在大量工頻信號,耦合在勵磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對流量的準確測量造成極大影響。其中輻射耦合到勵磁回路的工頻輻射磁場(包括其諧波)造成勵磁磁場波動,影響流量測量,當流體流速較小時,工頻干擾信號與有效流量信號在同一數量級,嚴重影響測量結果。
 
已知工頻耦合噪聲基波頻率為50Hz,因此可以采用模擬或數字濾波器使濾波器帶寬限制在50Hz以內以抑制噪聲。在實際應用中使用 sigma delta模數轉換器AD74內部包含的數字濾波模塊,數字濾波器相對模擬濾波器除具有靈活性高、參數設置方便等特點還可以降低AD轉換期間引人的噪聲。AD774數字濾波器為(sinr/x)3低通濾波器,其在頻域的傳遞函數為:
 
其中:fs為采樣頻率,AD714采樣頻率為19.2kHIx;N為濾波采樣個數,f為數字濾波器響應頻率。通過設定濾波采樣個數可以改變數字濾波器的截止頻率和一次陷波頻率。在本設計中綜合考慮模數轉換速度和去除噪聲性能,設置N值另濾波器截至頻率為50Hz,濾波器頻域響應如圖2所示,濾波器對工頻50Hz及其偶次諧波有很好的抑止作用。

 除使用數字濾波器外,在A/D輸人端設置RC模擬低通濾波器還可以帶來額外的好處。在實際測量觀察到的流量信號中存在尖脈沖噪聲,可能使模數轉換器飽和,導致數字濾波器失效,使用模擬濾波器可以提前剔除這些信號。
1.3共模干擾、串擾產生機理及對策
共模干擾的產生主要是由于電磁屏蔽缺陷,接地不良、雜散電容等引起返回電流不平衡。共模干擾可能導致電路某些參考電位變化,是造成電磁流量計零點漂移的原因之一;同時共模信號產生很高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化。串找擾是由于印刷電路板設計電磁兼容性考慮不足造成信號質量下降,特別是高速走線和模擬電略易受到影響。
對由共模干擾信號導致的參考電位變化,應用中流量電壓采用差分形式通過雙絞線送入放大器,前端放大器選用共模抑止比高,低漂移高輸人阻抗的運放,可以有效抑止共模干擾。此外,電磁流量計電路板設計符合電磁兼容性要求降低串擾對信號的影響。使用滿足功能要求的速率盡可能低的邏輯器件。選用在邏輯狀態變換過程中輸入電流消耗更小的元件。盡可能選擇表面封裝的元器件。合理安排元件布局,模擬與數字部分隔離,防止數字信號影響模擬信號。適當配置去耦電容,選擇合適的電容容量,去耦電容盡量靠近元器件。對于敏感信號回路,如時鐘信號,模擬輸人信號嚴格控制回路面積。鋪設地平面提供低阻抗信號回路,加強屏蔽效果。
1.4其他干擾對策
電化學極化電動勢干擾是被測液體中電解質在感應電場作用下在電極表面極化產生,是
電磁流量計零點漂移的主要原因之一。采用交流勵磁方式可以有效減小極化電動勢,此外在應用中微處理器運算時將兩次流量電壓采樣值相減不但可以減小極化電動勢而且可以補償由共模干擾帶來的零點漂移。
泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相特性液體時,固體顆?;蛘邭馀菖c電極摩擦,在電極表面的電化學電動勢突然變化,電磁流量計傳感器輸出信號輸出尖峰脈沖狀干擾。在低頻勵磁情況下泥漿干擾產生的尖脈沖數量級大,極大影響流量的準確測量,在實際設計中,采用多種信號處理混合方式抑制噪聲,原理框圖如圖3所示。
 
流量計正常運行時尖峰脈沖噪聲出現的概率小,被測液體流速不會在短時間內變化,基于以上特性,對流量信號進行限幅濾波處理:當前輸入信號相對上周期輸人信號超出噪聲容限范圍,該信號被認為是噪聲信號不進一步計算?;瑒悠骄鶠V波是處理流量信號經常采用的信號處理辦法,可以有效降低采樣誤差;滑動平均濾波函數的脈沖響應時間是受滑動窗口數控制的,如果能動態調整窗口數,那么響應速度就會大大提高;在應用中使用改進的滑動平均濾波函數,通過響應時間控制器控制滑動窗口數,當響應時間超過設定值時將窗口數設為1,使輸出信號迅速變化,獲得的很好的動態性能。
 
2.抗干擾技術在電磁流量計中的應用
微處理器是電磁流量計的核心單元,控制整個系統的運行。當單片機應用系統的CPU受到干擾時,可能造成的影響有:非正常修改程序計數器指針;改寫可編程輸出端口狀態;非正常修改數據區的數據;以上不良影響會使單片機程序失控,其后果是非常嚴重的。結合智能電磁流量計的工作特點和MSP430系列單片機的特性,采用軟件與硬件抗干擾技術相結合提高系統運行的穩定性。
2.1硬件抗干擾
由于軟件抗干擾措施是以犧牲CPU效率為代價的,如果沒有硬件消除絕大多數干擾,CPU將疲于奔命,無暇顧及正常工作,嚴重影響系統的工作效率和實時性。
電磁流量計輸出單元一般包括4~20mA電流輸出,集電極開路的頻率輸出以及工業現場總線接口等,在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來進行信息傳輸是很有好處的,它將微機系統與各種傳感器、開關、執行機構從電氣上隔離開來,很大一部分干擾將被阻擋。
MSP430單片機與外圍設備如模數轉換器,EEPROM等采用總線通信方式。當信號同時切換時會引起“地彈”和串擾。在電路板布線時,總線盡量使用地線包圍,電路采用多點接地方式??偩€通信速度設置為1K~1MHz,高速信號線路極易受到電磁于擾,嚴重時使邏輯狀態混亂致使單片機和外圍設備失控,總線采用上拉電阻方式,可以提高邏輯電路噪聲容限,使總線通信更加可靠。
MSP430的通用端口可以設置為輸入和輸出兩種狀態,對于沒有使用的端口,全部設置為輸出狀態,防止CPU受到意外干擾。
2.2睡眠狀態抗干擾

電磁流量計中微處理器很多情況下是在執行等待指令和循環檢查程序,這時CPU沒有工作,但卻是清醒的,很容易受于擾。MSP430系列單片機提供了多種睡眠狀態,讓CPU在沒有正常工作時休眠,必要時再由中斷系統來喚醒它,之后恢復休眠狀態,從而使CPU受到隨機干擾的威脅大大降低,同時降低了CPU的功耗。
2.3指令冗余與軟件陷阱技術
程序正常運行時,指令計數器始終指向下一條指令的第一個字節,當單片機受到干擾時,可能引起程序計數器的非正常修改,將操作數當作指令碼執行,造成程序誤操作。MSP430單片機采用RISC指令內核,指令宇有單字節,雙字節和三字節指令三種,在雙字節和三字節指令后插人兩條單字節指令,
程序失控時也可以迅速進人預期控制軌道。綜合考慮CPU效率和抗于擾能力,在對程序流向起關鍵作用的指令處,如跳轉指令、中斷恢復指令等,插入兩條“NOP"單字節空操作指令,以保證“跑飛”的程序迅速納入正確的控制軌道。
為了防止單片機輸出口狀態意外修改,定期重新定義輸出口狀態。MSP430單片機內部集成很多外圍設備,如UART,SPI串口,定時計數器等,為了防止這些設備的相應控制寄存器被意外修改,每次使用時都需重新設置。指令冗余使“跑飛”的程序安定下來是有條件的:程序計算器必須指向到程序區。當程序計數器落到非程序區,如ROM中未使用的空間、中斷向量表,數據區,則冗余指令失效。采取額外措施就是設立軟件陷阱。所謂軟件陷阱,就是一條引導指令,強行將捕獲的程序引向對程序出錯進行處理的程序,一般安排在未使用的中斷向量,未使用的ROM等。MSP430單片機具有多個中斷發生源。正常工作時,執行完中斷服務程序后,相應的中斷標志位會被硬件自動復位;當單片機受到干擾,運行異常時,可能會觸發沒有使用的中斷,導致系統不能正常工作。因此在未被使用的中斷向量處插入冗余指令,使中斷自動返回,如:“ NOP NOP RETI"。
對于沒有使用的ROM,程序燒錄器默認寫人字0xffff,該字對于指令系統是一條指令,這條指令會修改單片機內部寄存器值;如果程序“跑飛”進入這段ROM中,可能造成數據運算錯誤。因此在未使用的ROM中寫入代碼,使程序跳轉到出錯處理程序。
2.4數據存儲冗余技術
電磁流量計正常運行需要很多參數:流量標定值,累計流量值,以及流量計信息等。這些參數非常重要,尤其是累積流量值必須妥善保存。為了防止程序對參數的意外修改,對數據做冗余存儲處理。在具有掉電保護功能的外部存儲器中存儲三份數據,讀取參數時,判斷參數是否有效,流程如圖4所示。
 

3.結束語

智能電磁流量計的設計中應用上述多種抗干擾技術,使測量的精確度和運行穩定性得到了提高,拓展了電磁流量計的應用范圍,開拓了更廣闊的市場。
 
 


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