DSP數(shù)字信號處理器在科里奧質量流量計上的應用

; 艾默生過程管理旗下的高準(Micro Motion)公司新近推出MVD多參數(shù)數(shù)字變送器，它以DSP數(shù)字信號處理技術的使用為特點，顯示了高準公司在科里奧利質量流量測量技術上的雄厚實力。
　　
　　高準 MVD多參數(shù)數(shù)字技術提供了一個模式化的結構來重新定義傳感器和變送器，并使流量計工作得更靈巧。DSP數(shù)字信號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轉換為數(shù)字信號，并產(chǎn)生一個正比于質量流量的電子信號。
　　
　　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，它們將輸出最終測量信號、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)字信號處理器
　　
　　DSP數(shù)字信號處理器是一個實時處理信號的微處理器。家用電腦的微處理器根據(jù)儲存在存儲器里的數(shù)據(jù)進行工作，這對于結算支票或玩電子游戲是合適的，但它不能處理某些現(xiàn)實世界里的東西，如音頻信號、視頻信號、醫(yī)療傳感器的信號或來自于科里奧利傳感器的信號。這里我們需要一個非?？斓奈⑻幚砥鲗@些信號做各種我們想要做的分析。
　　
　　家用電腦需要顯示器、磁盤驅動器、打印機、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)實世界里的信號轉換成為DSP世界里的信號，所用的裝置被稱為“模擬—數(shù)字轉換器”。
　　
　　我們也需要一些軟件去操作“數(shù)字化”信號，讓我們舉一個例子來看看我們用軟件可做些什么。在遠距離通話中，我們有時會聽到自己聲音的回聲，這令人氣惱。人的耳朵習慣于過濾掉短回聲，但是長回聲使通信非常困難。電話公司復制了你的聲音然后在合適的時間加到它的反向以消除回聲，不是回聲沒有發(fā)生，它只是被非常復雜的DSP數(shù)字信號處理軟件過濾掉了。在科里奧利流量計里，我們使測量管在一個已知的頻率下振動，因此任何在此振動頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準確地確定質量流量。例如，一個50Hz或60Hz的信號很可能來源于與附近動力線的耦合。如何在實際上“過濾”這些多余的信號則需要一些更多的在那時刻所得到的背景信息，圖1表明了噪聲如何出現(xiàn)在原轉換器信號上，以及被過濾后的最終信號。
　　　既然我們已經(jīng)處理了信號，就需要把它從數(shù)字世界再轉換回到現(xiàn)實世界，完成這項任務的裝置是“數(shù)字—模擬轉換器”。 我們需要一些存儲器來儲存DSP數(shù)字信號處理程序，也需要一些控制裝置去實現(xiàn)DSP數(shù)字信號處理器。
　　
　　二 DSP數(shù)字信號處理技術為科里奧利質量流量計帶來的好處
　　
　　和家用電腦處理數(shù)據(jù)帶來的好處一樣，DSP數(shù)字信號處理技術也給處理現(xiàn)實世界的信號帶來了同樣的好處：DSP數(shù)字信號處理器比傳統(tǒng)的模擬處理器要小得多，這正是我們如何能把所有技術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)字信號處理器的精確度至少比類似的模擬處理器高一個數(shù)量級，這意味著即使較差的傳感器信號也能得出較好的最終測量值；通過軟件更新，核心處理器可適用于其他的傳感器類型。對于高準產(chǎn)品來說，這意味著市場開拓更快；對于用戶來說，這意味著更少的備用部件。
　　
　　三 和DSP數(shù)字信號處理器有關的一些數(shù)學知識
　　
　　自然界存在的信號一般是連續(xù)的，并可被連續(xù)變化的電壓信號所表示?？评飱W利流量計的信號也是連續(xù)信號，當我們通過一個模擬—數(shù)字轉換器來發(fā)送信號時，事實上我們已把信號量化為離散的或數(shù)字化的樣本。例如，假設我們通過一個12位的ADC以每秒1000個樣本的采樣率來傳送轉換器的電壓，每毫秒我們將信號量化為212=4096個可能的級別之一。圖2顯示了一個已被量化后的信號。

　　ADC運行一秒我們可采集1000個轉換器電壓的樣本，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來計算轉換器電壓的平均值。以一個類似的形式我們可計算信號的標準偏差，平均值代表我們想測量的實際信號，而標準偏差代表噪聲信號。平均值的平方除以標準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)的質量就越高。這些計算可用于計算被測變量的值。過濾和減小帶寬(技術上叫作十倍程下降率)可用于提高信噪比和質量流量的精確度。
　　
　　四 傅立葉分析
　　
　　傅立葉分析是以法國數(shù)學家和物理學家 Jean Baptiste Loseph Fourier的名字命名的分析方法。
　　
　　傅立葉認為任何連續(xù)的周期信號可被適當選擇的正弦信號波的總和所描述。取一個連續(xù)的周期信號并把它轉換為一族正弦波被定義為進行一個傅立葉變換。傅立葉變換在數(shù)學上很復雜，但我們只需大致了解即可。核心處理器取已量化的轉換器信號并進行了信號的傅立葉變換，如圖3所示。
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