[发明专利]一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器

权利要求书

1.一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器，包括单片机最小系统、电源管理模块、励磁驱动模块、信号采集模块、人机接口模块、外部存储模块、输出模块以及软件；

单片机最小系统采用的是MSP430系列单片机MSP430F449，是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，非常适合电池供电的仪表；

电源管理模块由电源转换模块和电量监测电路组成，为二次仪表提供所需的电源，并对电源进行监测；

励磁驱动模块由H桥电路、恒流电路和电阻切换电路组成，用于驱动电磁水表一次仪表中的励磁线圈；H桥电路用于改变励磁电流的方向，可以抑制电极极化现象；恒流电路维持流过励磁线圈的电流稳定在设定值；电阻切换电路用于改变励磁电流的大小，以提高测量极小流量的精度；

信号采集模块由低通滤波器和32位ADC组成，用于提取电磁水表的传感器输出的信号，并将其转换成数字信号传给单片机最小系统；低通滤波器是由电阻、电容搭建的二阶无源滤波器，用于滤除高频噪声；32位ADC具有较高的有效位数，可以提取和转换非常微弱的模拟信号；

人机接口模块由按键输入和LCD显示组成，用于实现人机交互；

外部存储模块是铁电存储器模块，用于保存仪表关键数据，具有掉电数据不会丢失的特点，实现掉电保护；

输出模块包括GPRS模块和脉冲输出模块，其中，GPRS模块能远程传输数据，可实现远程无线抄表；脉冲输出主要用于电磁水表的标定和检定；

软件设计采取模块化设计方案，将完成特定功能的函数组合成功能模块，然后由主监控程序统一调用，实现电磁水表所要求的各项功能；软件框图包括主监控程序模块、初始化模块、励磁控制模块、信号采集模块、算法模块、存储模块、人机接口模块、中断模块、输出模块、通讯模块和看门狗模块；软件负责信号采集、信号处理、励磁驱动、人机交互和结果显示；

其特征在于：

为了降低励磁功耗，保证电池组的使用年限，采用间歇性的励磁方式；励磁为每周期一次三值波，其中，D1～D4段分别为三值波励磁的正励磁段、零励磁段、负励磁段和零励磁段，每段时间均为20ms；D1和D3为励磁工作段，线圈中的励磁电流分别为正向和反向；D2、D4段以及每周期的剩余时间段励磁不工作，线圈中励磁电流为零；由于D1～D4段均为20ms，每段间隔时间较短，同时每段时间正好为工频周期，所以，在此励磁工作方式下，可以通过幅值解调抑制流量信号中的极化干扰和工频干扰；

对此励磁工作方式下的传感器输出信号进行频谱分析发现，信号的频谱中既包含有奇次谐波分量，也有偶次谐波分量；若对这样的信号进行梳状带通滤波，由于梳状带通滤波只提取信号的奇次谐波分量，衰减偶次谐波分量，滤波后会造成信号的衰减；即间歇性的励磁方式导致电磁感应产生的流量信号在频域中的分布不再是只存在励磁频率的奇数倍，因此，无法采用在普通电磁流量计中使用的梳状带通滤波来处理传感器输出的信号；为此，先对传感器输出的信号进行幅值解调，得到重构信号需要的幅值，再重构出流量信号，并对重构后的流量信号进行梳状带通滤波，实现提取流量信号的目的；即对传感器的输出信号进行幅值解调同时保留了信号的奇次谐波和偶次谐波分量，而根据幅值解调结果重构的矩形波信号，从频域看，只包含基波和奇次谐波分量，这时再利用梳状带通滤波进行处理，既能去除传感器输出信号中的干扰，也不对信号造成衰减；

励磁电流为每周期一次三值波，即D1～D4段，而算法处理所需要的信号为励磁电流的三值波对应的传感器输出信号；因此，每周期仅需要采集与三值波对应的传感器信号，即与励磁电流的三值波对应的传感器输出信号采集完成后，ADC停止采样，直到下一个励磁周期的开始，ADC再次开始工作；这种工作方式不仅可以进一步降低功耗，同时也为后续的算法执行和LCD刷新显示留下了充裕的时间。

2.如权利要求1所述的一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器，其特征在于：励磁驱动模块中的电阻切换电路用于改变流过励磁线圈中电流的大小，主要由U2和电阻R1和R2组成，位于H桥电路的低端；其中，U2是单刀双掷开关，用于选择把R1接入励磁回路还是把R2接入励磁回路；R1的阻值小于R2的阻值，当流量极小时，R1才被用于替换R2接入励磁回路进行工作，实现极低流量的准确测量。

3.如权利要求1所述的一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器，其特征在于：重构滤波相当于将解调后的信号幅值重构为矩形波再进行梳状带通滤波，不会对信号造成衰减，所以此时使用重构滤波处理；如图10中与励磁电流对应的传感器输出信号所示，d₁～d₄分别为对应于D1～D4励磁段的信号后半段的均值，对传感器信号进行幅值解调，可得幅值解调结果为

Amp(i)＝((d₁-d₂)+(d₄-d₃))/4·(-1)^i-1

式中，i≥1，i表示传感器输出信号的第i个周期；由于解调幅值时，只需要信号段后半段的均值；所以，在信号重构时，只需重构这个信号后半段的均值，然后进行梳状带通滤波；

假设重构得到的矩形波信号为r，r(i)和r(i-1)分别为当前半周期信号后半段的均值和前一个半周期信号后半段的均值；根据传感器信号幅值解调结果为Amp(i)，则对重构后的信号进行两个半周期幅值解调，可得

Amp(i)＝(r(i)-r(i-1))/2·(-1)^i-1

式中，i≥2，i为重构后矩形波信号的第i个半周期，可得，重构的矩形波信号为

r(i)＝2Amp(i)(-1)^i-1+r(i-1)

梳状带通滤波器的传递函数为：

式中，N为滤波器的阶数；设输入信号为x(n)，经过梳状带通滤波后输出信号为y(n)，则梳状带通滤波器就是要实现下列差分方程：

y(n)＝a·y(n-N)+b·(x(n)-x(n-N))

则根据梳状滤波器传递函数和其对应的差分方程，对重构后的信号进行梳状带通滤波，即

lvbo(i)＝b(1)(r(i)-r(i-1))-a(end)·lvbo(i-1)

式中，i≥2，i表示第i个半周期，梳状带通滤波器的参数可在Matlab中计算得到；即根据第i-1、i半周期的重构信号r(i-1)和r(i)和第i-1半周的梳状滤波结果lvbo(i-1)，可计算出当前第i半周的梳状滤波结果lvbo(i)；

分析可知，传感器输出信号幅值出现第二个结果时，即i＝2时，算法中梳状带通滤波才计算出第一个结果；所以，在i＝1时，需要对重构信号r梳状带通滤波的输出lvbo进行初始化，即令r(1)和lvbo(1)初始值为

r(1)＝Amp(1)

lvbo(1)＝Amp(1)

从这以后，每当得到一个新的传感器输出信号幅值解调结果，即可参与到梳状带通滤波计算中，得到当前半周期的滤波结果；重构后的信号在梳状带通滤波后，再进行幅值解调，可得

fuzhi(i)＝(lvbo(i)-lvbo(i-1))/2·(-1)^i-1

经过传感器输出信号的幅值解调、重构信号、梳状带通滤波、幅值解调，最终输出去除信号中干扰后的幅值解调结果fuzhi。