场辐射耦合, 因此电磁 耦合是 流量测 量中 最主要 的干 扰方式; 其次被测液体 的电化 学反应 和泥 浆干扰 是流 量测量的另一噪声来源。 1. 1 微分干扰产生机理及对策 在现行的电磁流量计设计中, 低频矩形波励磁方式 结合了直流励磁和交流励磁两者的优点, 成为主要励磁 方式之一。在低频 励磁方式下, 其干 扰主要表现为: 由 励磁电流突变产生的微分干 扰信号 。理 想励磁磁场 信号为低频矩形波, 实际上随 着励磁电流 变化 ( dI /dt ) 在磁场上产生微分干扰信号, 随着电流的稳定, 干扰信 号随之消失, 因此同步 采样技 术可以 有效 抑制微 分干 扰信号。实际设计中, 模 数转 化器使 用 AD 公司的 24 位 S igm a De lta 模 数 转 化 器 AD 7714。 AD 7714 可以 分 别采用硬件和软件方 式进行 采样开 始时 间控制, 从而 实现同 步 采 样。采 用 软 件 方 式 时, 当 控 制 寄 存 器 中 FSYNC 位为 逻辑 1 时, 模数 转换 器处 于复 位状 态; 向 该位写逻辑 0 时, 器件开始采样输入信号。在应用中, 低频励磁信 号由 M SP430 单片 机内 部定 时器 产生, 同 时产生采样信号。如 图 1 所 示, 采样 开始 时间滞 后励 磁信号 1 个周期。 4

　　高速走线和模拟电路易受到影响。 对由共模干扰信号 导致 的参考 电位变 化, 应 用中 流量电压采用差分形式, 通过双绞线送入放大器, 前端 放大器选用 高共 模 抑制 比、 低 漂 移、 高 输入 阻 抗的 运 放, 可以有效抑制共模干扰。此外, 电磁流量计电路板 设计符合电磁兼容性 要求降 低串扰 对信 号的影 响: 使 用满足功能要求的速率尽可能低的逻辑器件。选用在 逻辑状态变换过程中输入电流消耗更小的元件。尽可 能选择表面封装的 元器件。 合理安 排元件 布局, 模拟 与数字部分隔离, 防 止数字 信号 影响模 拟信号。 适当 配置去耦电容, 选择合适的电容容量, 去耦电容尽量靠 近元器件。对于敏感信号回路, 如时钟信号、 模拟输入 信号严格控制回路面积。铺设地平面提供低阻抗信号 回路, 加强屏蔽效果。 1. 4 其他干扰对策 电化 学极化 电动势 干 扰是 被测 液体 中 电解 质 在 感应 电场作 用 下 在电 极 表 面 极化 产 生 的, 是 电 磁 流 量计 零点漂 移的主 要原 因之 一。 采用 交流 励 磁方 式 可以 有效地 减 小 极化 电 动 势, 此 外 在应 用 中 微 处 理 器运 算时将 两 次 流量 电 压 采 样值 相 减, 这 样 不 但 可 以减 小极化 电 动 势, 而且 可 以 补 偿 由共 模 干 扰 带 来 的零 点漂移 。 泥浆干扰是在测量 泥浆、 纤维浆 等固 液两相 特性 液体时, 固体颗粒或者气泡与电极发生摩擦, 在电极表 面的电化学电动势突 然变化, 电磁流 量计 传感器 输出 信号输出尖峰脉冲 状干扰。 在低频 励磁情 况下, 泥浆 干扰产生的尖脉冲数 量级大, 极大地 影响 流量的 准确 测量, 在实际设计中, 采用多种信号处理混合方式抑制 噪声, 信号处理原理如图 3 所示。

　　抗干扰技术在智能电磁流量计中的应用 流量计正常运行时, 尖峰脉冲噪声出现的概率小, 被测液体流速不会在短时间内变化, 基于以上特性, 对 流量信号进行限幅 滤波处理: 当前 输入信 号相对 上周 期输入信号超出噪 声容限范 围, 该 信号被 认为是 噪声 信号, 不再进一步计算。 滑动平均 滤波是 处理 流 量信 号经 常采 用 的 信号 处 理办法, 可以有 效降 低采 样误 差; 滑动 平均 滤 波函 数 的脉冲响 应 时 间是 受 滑 动 窗 口 数 控制 的 , 如 果 能 动 态调整窗 口数目 , 那 么响 应速 度就 会 大大 提高 ; 在 应 用中使用 改 进 的滑 动 平 均 滤 波 函 数, 通 过响 应 时 间 控制器控 制 滑 动窗 口 数, 当 响 应 时 间 超 过设 定 值 时 , 将窗口 数设置 为 1, 使输出信 号迅 速变 化, 获 得较 好 的动态性 能。 数字地。 2. 2 睡眠状态抗干扰

　　电 磁流量计由 于 其可 靠性 高、 耐 腐蚀 性 强、 测量 精度 高、 容 易 变更 测 量 范 围 等 特点 , 目前 在 石 油、 化 工、 冶金、 造纸等 行业得到了 广泛的应用 ; 特别是 在能 源短 缺的今天, 电磁流量计 的发展为资源 的科学 管理 提供 了重要的基 础技术支持。 然而, 科学 技术的 迅速 发 展对 电磁 流量计 提出 了更 高、 更新 的要 求, 尤 其是 在流 量测量的 精 确度 和稳 定性 方 面。电 磁流 量 计中 干扰 信号与流量 信号混合在 一起, 不仅成 分复杂 而且 有的 干扰信号数 量级与流量 信号相当, 此 外噪声 进入 微 处理 器可 能造成 系统 运行 异常 , 在 这种 情况下 , 如 何抑 制干扰成 为研 制和 使用 电 磁流 量计 的一 项 关键 技术 。

　　要 : 讨论了低频励磁环境下, 电磁流量计中噪声产生的物理机理和存在形式, 分析了噪声对流量测量的影响。针对以 M SP430 单

　　片机和模数转换器 AD7714为主要硬件的智能电磁流量计 , 综合应用了软件和硬件抗干扰技术 , 有效增强了测量的精确性。同时引入 微处理器抗干扰技术, 进一步提高了电磁流量计运行的稳定性, 并拓展了电磁流量计的应用范围, 开拓了更广阔的市场。 关键词 : 电磁流量计 中图分类号 : TH 814 抗干扰 滤波 冗余 文献标志码 : B

　　电磁流量计工作 原理基 于法 拉第电 磁感应 定律, 通过测量导电流体在磁场中的感应电动势来推算流体 流量。励磁磁场、 感应电动势采集电极、 信号运算放大 电路以及模数转换器都容易受到工作现场的电场和磁

　　修改稿收到日期 : 2006- 10- 27 。 第一作者肖鹏, 男, 1982 年生, 现为上海交通大学电子信息与电器工 程学院控制理论与控制工程专业在读硕士研究生; 主要从事智能电磁流 量计的研究和开发。

　　量的准确测量造成极大影响。其中辐射耦合到励磁回 路的工频辐射磁场 (包括其 谐波 )造 成励磁磁 场波动, 影响流量测量。当流 体流速 较小时, 工频 干扰信 号与 有效流量信号在同一数量级, 严重影响测量结果。 已知 工频 耦合 噪声 基波 频率 为 50 H z , 因此 可以 采用模拟或数字滤波器使滤波器带宽 限制在 50 H z以 内以抑制 噪声。在 实 际应 用中 使用 S igm a D elta 模数 转换器 AD 7714 内部 包含 的数 字滤 波模 块, 数 字 滤波 器相对模拟滤波器 除具有灵 活性 高、 参数 设置方 便等 特点之 外, 还 可 以 降 低 A /D 转 换 期 间 引 入 的 噪 声。 AD7714数字滤波 器为 ( sinx /x ) 低通 滤波 器, 其 在频 域的传递函数为: H (f ) = sin (N # P /f s) 1 @ s in( P# f /f s) N

　　电磁流量计中微处理器很多情况下 是在执行等待 指令和循环检查程序, 这时 CPU 没有工作, 但却是清醒 的, 很容易受干扰。M SP430系列 单片机提供 了多种睡 眠状态, 让 CPU 在没有正常工作时休眠, 必要时再由中 断系统来唤醒它, 之后恢复休眠状态, 从而使 CPU 受到 随机干扰的威胁大大降低, 同时降低了 CPU 的功耗。 2. 3 指令冗余与软件陷阱技术 程序正常运行时, 指 令计 数器始 终指 向下一 条指 令的第一个字节, 当单片机受到干扰时, 可能引起程序 计数器的非正常修改, 将操作数当作指令码执行, 造成 程序误操作。M SP430单 片机 采用 R ISC 指 令内 核, 指 令字有单字节、 双字节和三字节指令三种, 在双字节和 三字节指令后插入两 条单字 节指令, 程序 失控时 也可 以迅速进入 预期控 制轨 道。综 合考 虑 CPU 效率 和抗 干扰能力, 在对程序流向起关键作用的指令处, 如跳转 指令、 中断恢复指令等, 插入两条 / NOP 0单字节空操作 指令, 以保 证 / 跑 飞 0的 程序 迅 速 纳入 正 确 的 控制 轨 道。 为了防止单片机输 出口 状态被 意外修 改, 定 期重 新定义输出口 状态。M SP430 单片机 内部 集成很 多外 围设备, 如 UART、 SPI 串口、 定 时计 数器等, 为了 防止 这些设备的相应控制 寄存器 被意外 修改, 每次使 用时 都需重新设置。 指令冗余使 / 跑 飞 0的 程序 安定 下来 是有 前提 条 件的: 程序计算器必 须指向 程序 区。当程 序计数 器落 到非程序区, 如 ROM 中未使用的空间、 中断向量表、 数 据区, 则冗余指令失 效。采取 额外措 施就 是设立 软件 陷阱。所谓软件陷阱, 就是一条引导指令, 强行将捕获 的程序引向对程序出 错进行 处理的 程序, 一般安 排在 未使用的中断向量、 未使用的 ROM 等。 M SP430单片机具 有多 个中断 发生源。 正常 工作 时, 执行完中断服务程序后, 相应的中断标志位会被硬 件自动复位; 当单片机 受到 干扰, 运 行异常 时, 可 能会 触发没有使用的中断, 导致系统不能正常工作, 因此在 未被使用的中断向量 处插入 冗余指 令, 使 中断自 动返 回, 如: / NO P NOP RET I0。 对于没 有使 用 的 ROM, 程序 烧 录 器 默认 写 入 字 0xfff,f 该字对于指令系统是一条指令, 这条指令会修改 单片机内部寄存器值; 如果程序 / 跑飞 0进入这段 ROM 中, 可能造成数据运 算错误, 因 此在 未使用 的 ROM 中 写入代码, 使程序跳转到出错处理程序。 ( 下转第 15页 )

　　1. 2 工频串模干扰产生机理及对策 在电磁流量计的工 作现 场存在 大量工 频信 号, 叠 加在励磁回路、 电极、 前端放大器的工频干扰噪声对流

　　鹏, 等 饱和, 导致数字滤波器失效, 使用模拟滤波器可以提前 剔除这些信号。 1. 3 共模干扰、Kaiyun官网登录 串扰产生机理及对策 共模干扰的产生主 要是 由于电 磁屏蔽 缺陷、 接地 不良、 杂散电容等引 起返回 电流 不平衡。 共模干 扰可 能导致电路某些参考 电位变 化, 是造 成电 磁流量 计零 点漂移的原因之一; 同 时共模 信号产 生很 高的辐 射电 场使电路的电磁兼容性恶化。串扰是由于印刷电路板 设计电磁兼容性考虑 不足造 成信号 质量 下降, 特 别是

　　除使用数字滤波 器外, 在 A /D 输 入端 设置 RC 模 拟低通滤波器还可以带来其他作用。在实际测量观察 到的流量信号中存 在尖脉冲 噪声, 可能使 模数转 换器

　　式中: f s 为采样频率; AD 7714 采样 频率 为 191 2 kH z ;N 为滤波采样个数; f 为数字滤波器响应频率。通过设定 滤波采样个数可以改变数字滤波器的截止频率和一次 陷波频率。在本设计中综合考虑模数转换速度和去除 噪声性能, 设置 N 值使滤波器截止 频率为 50 H z, 滤波 器频域响应如 图 2 所 示, 滤波 器对 工频 50 H z及 其偶 次谐波有很好的抑制作用。