DSP數(shù)字信號(hào)處理器在科里奧質(zhì)量流量計(jì)上的應(yīng)用

; 艾默生過程管理旗下的高準(zhǔn)(Micro Motion)公司新近推出MVD多參數(shù)數(shù)字變送器，它以DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的使用為特點(diǎn)，顯示了高準(zhǔn)公司在科里奧利質(zhì)量流量測(cè)量技術(shù)上的雄厚實(shí)力。
　　
　　高準(zhǔn) MVD多參數(shù)數(shù)字技術(shù)提供了一個(gè)模式化的結(jié)構(gòu)來重新定義傳感器和變送器，并使流量計(jì)工作得更靈巧。DSP數(shù)字信號(hào)處理器的核心處理器與傳感器安裝在一起，把來自科里奧利傳感器中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并產(chǎn)生一個(gè)正比于質(zhì)量流量的電子信號(hào)。
　　
　　1000系列和2000系列兩種變送器可與核心處理器之間通過普通的4線電纜相連接，它們將輸出最終測(cè)量信號(hào)、提供顯示和一些其他的功能。變送器也可以一體地與核心處理器安裝在一起。
　　
　　一 什么是DSP數(shù)字信號(hào)處理器
　　
　　DSP數(shù)字信號(hào)處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)處理信號(hào)的微處理器。家用電腦的微處理器根據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作，這對(duì)于結(jié)算支票或玩電子游戲是合適的，但它不能處理某些現(xiàn)實(shí)世界里的東西，如音頻信號(hào)、視頻信號(hào)、醫(yī)療傳感器的信號(hào)或來自于科里奧利傳感器的信號(hào)。這里我們需要一個(gè)非?？斓奈⑻幚砥鲗?duì)這些信號(hào)做各種我們想要做的分析。
　　
　　家用電腦需要顯示器、磁盤驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)、軟件和一些連接電纜，像家用電腦里的微處理器一樣，DSP數(shù)字信號(hào)處理器也需要支持的軟件和硬件。在DSP的世界里，我們需要做的第一件事就是要把現(xiàn)實(shí)世界里的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為DSP世界里的信號(hào)，所用的裝置被稱為“模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器”。
　　
　　我們也需要一些軟件去操作“數(shù)字化”信號(hào)，讓我們舉一個(gè)例子來看看我們用軟件可做些什么。在遠(yuǎn)距離通話中，我們有時(shí)會(huì)聽到自己聲音的回聲，這令人氣惱。人的耳朵習(xí)慣于過濾掉短回聲，但是長(zhǎng)回聲使通信非常困難。電話公司復(fù)制了你的聲音然后在合適的時(shí)間加到它的反向以消除回聲，不是回聲沒有發(fā)生，它只是被非常復(fù)雜的DSP數(shù)字信號(hào)處理軟件過濾掉了。在科里奧利流量計(jì)里，我們使測(cè)量管在一個(gè)已知的頻率下振動(dòng)，因此任何在此振動(dòng)頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準(zhǔn)確地確定質(zhì)量流量。例如，一個(gè)50Hz或60Hz的信號(hào)很可能來源于與附近動(dòng)力線的耦合。如何在實(shí)際上“過濾”這些多余的信號(hào)則需要一些更多的在那時(shí)刻所得到的背景信息，圖1表明了噪聲如何出現(xiàn)在原轉(zhuǎn)換器信號(hào)上，以及被過濾后的最終信號(hào)。
　　　既然我們已經(jīng)處理了信號(hào)，就需要把它從數(shù)字世界再轉(zhuǎn)換回到現(xiàn)實(shí)世界，完成這項(xiàng)任務(wù)的裝置是“數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器”。 我們需要一些存儲(chǔ)器來儲(chǔ)存DSP數(shù)字信號(hào)處理程序，也需要一些控制裝置去實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)字信號(hào)處理器。
　　
　　二 DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為科里奧利質(zhì)量流量計(jì)帶來的好處
　　
　　和家用電腦處理數(shù)據(jù)帶來的好處一樣，DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也給處理現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)帶來了同樣的好處：DSP數(shù)字信號(hào)處理器比傳統(tǒng)的模擬處理器要小得多，這正是我們?nèi)绾文馨阉屑夹g(shù)都封裝到核心處理器中并使傳感器智能化的原因；比起傳統(tǒng)的模擬處理器，DSP數(shù)字信號(hào)處理器使用了更小的能量和更少的元件，并提高了可靠性；DSP數(shù)字信號(hào)處理器的精確度至少比類似的模擬處理器高一個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著即使較差的傳感器信號(hào)也能得出較好的最終測(cè)量值；通過軟件更新，核心處理器可適用于其他的傳感器類型。對(duì)于高準(zhǔn)產(chǎn)品來說，這意味著市場(chǎng)開拓更快；對(duì)于用戶來說，這意味著更少的備用部件。
　　
　　三 和DSP數(shù)字信號(hào)處理器有關(guān)的一些數(shù)學(xué)知識(shí)
　　
　　自然界存在的信號(hào)一般是連續(xù)的，并可被連續(xù)變化的電壓信號(hào)所表示。科里奧利流量計(jì)的信號(hào)也是連續(xù)信號(hào)，當(dāng)我們通過一個(gè)模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器來發(fā)送信號(hào)時(shí)，事實(shí)上我們已把信號(hào)量化為離散的或數(shù)字化的樣本。例如，假設(shè)我們通過一個(gè)12位的ADC以每秒1000個(gè)樣本的采樣率來傳送轉(zhuǎn)換器的電壓，每毫秒我們將信號(hào)量化為212=4096個(gè)可能的級(jí)別之一。圖2顯示了一個(gè)已被量化后的信號(hào)。

　　ADC運(yùn)行一秒我們可采集1000個(gè)轉(zhuǎn)換器電壓的樣本，我們稱樣本的數(shù)目為N。如果需要，我們可把所有的采樣值加在一起，然后除以N來計(jì)算轉(zhuǎn)換器電壓的平均值。以一個(gè)類似的形式我們可計(jì)算信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，平均值代表我們想測(cè)量的實(shí)際信號(hào)，而標(biāo)準(zhǔn)偏差代表噪聲信號(hào)。平均值的平方除以標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方被稱作信噪比或SNR。信噪比越高，被分析的數(shù)據(jù)的質(zhì)量就越高。這些計(jì)算可用于計(jì)算被測(cè)變量的值。過濾和減小帶寬(技術(shù)上叫作十倍程下降率)可用于提高信噪比和質(zhì)量流量的精確度。
　　
　　四 傅立葉分析
　　
　　傅立葉分析是以法國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家 Jean Baptiste Loseph Fourier的名字命名的分析方法。
　　
　　傅立葉認(rèn)為任何連續(xù)的周期信號(hào)可被適當(dāng)選擇的正弦信號(hào)波的總和所描述。取一個(gè)連續(xù)的周期信號(hào)并把它轉(zhuǎn)換為一族正弦波被定義為進(jìn)行一個(gè)傅立葉變換。傅立葉變換在數(shù)學(xué)上很復(fù)雜，但我們只需大致了解即可。核心處理器取已量化的轉(zhuǎn)換器信號(hào)并進(jìn)行了信號(hào)的傅立葉變換，如圖3所示。
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