基于FPGA和DSP的科氏流量计变送器设计

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科氏流量计由于其能够直接测量流体的质量流量、精度高、稳定性强、同时可以测量流体的密度和体积流量等众多优点而广泛的应用于流量测量领域。本文针对科氏流量计对精度和稳定性的要求,设计了一种基于FPGA和DSP的科氏流量计变送器。针对科氏流量计信号的特点,本文的信号处理采用数字椭圆滤波器进行滤波处理,将信号中的高次谐波和噪声滤除,再通过STFT和Goertzel算法分别求出信号的频率和相位,以便得出最终的质量流量结果。驱动系统采用正负阶跃和自激振荡相结合的方式,既能能够保证科氏流量计传感器快速起振,又能保证其以自身固有频率稳幅振荡。本文根据变送器数字信号处理和驱动算法的需要,设计了变送器的硬件。硬件采用FPGA(EP3C40Q240C8N)和DSP(TMS320F28335)双处理器架构。FPGA用作数字信号处理和接口逻辑,其并行执行和内部可编程的特点可以满足算法高精度和实时性的要求。DSP用作处理变送器的人机界面,以及计算结果输出,包括4~20mA电流输出、脉冲输出和RS-485总线输出三种方式。人机界面在一块128x64的点阵液晶上实现,菜单的操作和参数的设定是通过4个按键来完成的。在硬件设计完成后,分别对FPGA和DSP的程序进行编写。FPGA的程序采用Verilog语言编写,对于重要的算法单元,使用ModelSim软件仿真,保证代码时序严格,运行稳定。DSP的程序在CCS3.3集成开发环境中编写。该软件可以对DSP程序在线仿真,加快了开发的进度。调试完成的变送器可以稳定的工作,并且最终通过了系统测试和实验标定,其精度和稳定性都达到了预期的目标。
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