针对旋进漩涡流量计易受流体压力波动以及机械振动干扰的问题，采用了一种由单片机实现的低功耗自适应FFT 信号分析方法，该方法通过电路粗判流量传感器的信号频率，在中小流量段，选取与之匹配的采样频率对信号进行采样，然后通过功率谱分析获得主频率从而达到抗 干扰的性能，提高流量测量精度；而在中大流量段，直接由硬件控制输出。经试验证明：该方法降低了旋进流量计测量下限，拓宽了流量计范围，大大提高抗干扰性 能，且适合于微功耗流量计使用。
1旋进流量计是基于流体经过旋涡发生体时产生流体振动，而振动频率与流体的流速成正比。他们已有近 30 年的历史，主要包括精度高、线性度好，使用寿命长、线性范围宽，几乎不受湿度、压力密度变化影响等优点，得到广大用户的青睐，在气体、液体、蒸汽等领域具 有广阔的应用前景。但其采用的测量原理决定了振动信号易受外界噪声的干扰，当流体不稳定时，流体压力的波动以及来自系统和环境的振动和噪声等将使流量计的 信噪比明显降低，特别是在低流速等信噪比小的情况下，甚至使其丧失其正常计量功能[1]。因此，如何对输出信号进行处理，从叠加了噪声的信号中提取有用的频率信号，成为了提高旋进流量计性能的重点。
2 旋进流量计存在的主要缺点
流量下限偏高，在低流速下极易受到各种干扰，从而无法保证其计量精度，是旋进流量计的缺点。目前，流量传感器采用的一般为压电晶体，其输出的信号为毫伏 级，且其信号一般由两部分组成：（1）由流速产生的正弦流体振动信号；（2）各种干扰引入的噪声信号.因此传感器输出的信号远非理想的正弦波，而是一个混 有噪声的混合信号。当流量比较大时，流体振动信号较强，在同样强度的噪声干扰下，其信噪比高，干扰噪声的影响不显著，如图1所示，流量信号还是比较理想的 正弦波，此时一般通过硬件电路整形滤波即可得到正常的流体振动频率信号。而当流量比较小时，流体振动信号较弱，信噪比小，干扰噪声的影响显著，流量信号的 波形发生畸变，如图 2 所示，此时采用一般的硬件电路无法得到正常的流体振动频率信号。因此，低流速测量成为了限制旋进流量计应用的瓶颈。厂家一般通过规定下限截止频率、限制下 限流量来解决此问题，但这样就牺牲了流量计的优点。其次，信号整形过程多采用阈值比较法，这也易引起漏计和多计现象现象，从而导致测量误差。目前，基于对 称安装的双压电传感器构成的差动式结构使旋进流量计的抗干扰性能虽得到了很大提高[1]，但还有提高的空间。
3旋进流量计信号处理方法
一般信号处理方法可分为模拟信号处理和数字处理两种。
3.1 模拟信号处理方法
模拟信号处理一般由硬件电路来实现。现在使用的旋进流量计，大多数产品虽采用了微处理器，但仅用于流量计算处理，而表征流速的频率仍用硬件电路实现，典型的电路和框图如图 3 所示，压电传感器输出信号经放大器N1、N2放大后再经 N3差动放大，可滤除部分共模成分，再经过 N4和斯密特电路 D1的放大、滤波、整形，得到与流速成正比的脉冲频率信号，送入微处理器进行计数并运算处理，从而获得被测流体的流量。用硬件电路实现频率检测实时性较好，反应快。
3.2 数字信号处理
数字信号处理技术具有灵活、精确、抗干扰性强、速度快等优点，这些都是模拟信号处理技术所无法比拟的。国内外对于旋进流量计和涡街流量计的数字信号处理方法主要有互相关法[2]、谱分析法、小波变换法[3]等。 其中应用的较多的是谱分析的方法，谱分析法能够从含有噪声的信号中提取有用信号的主频率。但以往的 FFT 谱分析方法都只是采用单一的采样频率，缺少对高低频率同时适应的能力，降低下限作用不显著；另外，一般为采用 DSP 技术，无法实现微功耗，无法在电池供电系统使用。
4 低功耗自适应 FFT 方法
4.1 自适应 FFT 简介
在 FFT 谱分析中，系统的分辨率由采样频率 fs与采样点数 N 来决定，即：
为满足旋进流量计电池供电的要求，必须采用微功耗单片机进行FFT 功率谱分析。但在单片机实现的 FFT 谱分析中，为保证系统的实时性和低功耗要求，采样点数不能太高。为了提高系统的分辨率，就必须减小采样频率，但采样频率的降低又受香农采样定律的制约，即 采样频率必须大于等于信号频率的 2 倍，以防发生频率混叠现象。采样频率必须根据信号最大频率选取，这时在低频段由于频率分辨率的不足就会造成测量误差。因此，用普通的 FFT谱分析方法难于满足旋进流量计在低流速时的需要。为此，我们提出了自适应的 FFT 功率谱分析方法，它是将 FFT 的采样频率进行分段而不是采用单一采样频率，以适应高低频段的要求。
4.2 自适应 FFT 方法的实现
要实现自适应 FFT 技术，就需要预先测得流量传感器输出信号的大体频率范围，以确定所选用的采样频率。此方法为由单片机先测量流量传感器输出的信号经放大整形得到的脉冲频率 值，再通过阈值比较的方法来获得。在 FFT 的应用中，使用较多的是针对采样点数 N 等于 2 的整数次幂的算法，它们主要有基 2 算法、基 4 算法、分裂基算法等。“基”数越大，运算的次数越少，但是当“基”数大于 4 后，运算次数的减少不再明显，因此常用的是基 2 算法和基 4 算法。因基 2 算法较为简单且运用广泛，所以我们采用基于频率采样（DIF）的基 2 算法来实现FFT变换。
采用基-2 频分 FFT 算法（DIF），其分步运算流程图如图 4。
在 RAM 存储空间中存储 N=512 的序列，由于快速傅里叶是原位运算，即每一个运算蝶的输入和输出占据相同地址的存储空间，因而在实现 FFT 过程中无需额外的存储空间。
快速傅里叶变换中有复数 WNn参 与运算，因而序列是复数序列.复数包含实部和虚部，分别以 12位浮点数FPP12表示，并用前文所述的方法存入3个字节，即一个复数占据 3 字节的存储空间。在蝶运算之前，先从存储空间中读出两个 3 字节的复数x（n）和 x（n+N/2），并分别拆分成 FPP12 格式的实部和虚部，分别存入暂存器中，然后再进行蝶运算。在蝶运算之后，将结果两个复数的实部和虚部用前文所述的方法压缩为两个 3 字节的复数，分别存入原存储空间x（n）和 x（n+N/2），作为下一级运算的x0（n）和 x1（n），实现原位运算，进而实现 FFT。
考虑到流量计低功耗的需求，我们采用 TI 公司的超低功耗单片机 MSP430F149，并用 C 语言编程实现了自适应的 FFT 谱分析法[4]， 电路设计如图 5 所示。考虑到在中上流量段，流量计信噪比高，不易受到干扰，我们采用频率测试判断方法。对于不同口径，设置不同频率阈值，当 CPU 的 A 端口检测到的频率大于阈值时，直接置 B 端口为高电平，将整形放大后的脉冲信号直接送到流量计的表头计数处理，且 FFT 模块中的 CPU 直接进入休眠状态，以降低功耗。而当频率低于阈值时，即启动 FFT模块，进入 FFT 过程，同时 CPU 的 B 端口置为低电平，关闭前置信号输出通道，而由 FFT 计算后所得频率信号输出到信号输出口。另外，为了进一步降低功耗，主程序均采用中断方式，减少等待时间，达到进一步降低功耗的目的。系统的软件流程图如图 6 所示。
4.3 自适应 FFT 参数确定
4.3.1 采样点数
由于采用的 FFT 算法为基 2 算法，所以采样点数应是 2 的指数幂。采样点数越多，FFT 谱波越接近理想状态，功率谱的谱峰值越高，对噪声的抑制能力也越强。为了保证计算精度，FFT 谱分析采样点数一般要大于 512 点。但是随着采样点数的增多，系统的运算任务也越大，运算时间会较长，加之单片机存储空间的限制采样点数不能太大，经折中考虑，选取采样点数为 1024 点。实际证明，1024 个采样点能兼顾单片机的运算时间和计算精度的需要。
4.3.2采样频率
采样频率要综合考虑香农采样定理和分辨率的要求来选择。在 FFT 程序中采样频率是由 Time_B的连续计数模式来实现的，则可设定流量信号的采样周期为：
当 FFT 模块第一次 AD 采样时，其采样频率是通过单片机粗测的频率值来确定采样频率，选择的依据是让采样频率大于信号频率的 4 倍而小于 8倍（见表 1）。而通过 FFT 计算得到信号频率 Fv后，紧接的下次采样频率是由上次 Fv的值进行确定的，确定依据也是按表1进行。采样频率的选择是通过改变 SAMPLE_NUM 的值实现的。SAMPLE_NUM 取为2的整数倍。
5实验与结果
我们对一台DN50 的旋进流量计在 LXH-600临界流喷嘴气体流量标准标定装置上进行了性能比对试验。A 方案为仅带图 3 的模拟信号处理电路模块，B方案为在A方案的同个模拟信号处理电路模块上增加 FFT 处理模块，原理框图如图5所示。同时对两种形式都采用了无干扰源和有干扰源的方案进行了测试，干扰源的加入方法是在后直管段的 5D 处增加振动幅度为 5 mm、频率为 20 Hz 的振动干扰源。且 FFT 处理模块的频率阈值取 200 Hz（对应流量约为 30 m3/h），实验结果如表 2 所示
上面的实验结果表明：
（1）当流量为 4.95m3/h 时，此时流速很低，旋涡振动弱，仅采用模拟信号处理电路模块的 A 方案无法检测流量，加入振动时，频率波动更大。而增加FFT 模块后的 B 方案，即可准确检测到流量值，说明采用自适应 FFT 方法后，流量计的流量下限得到明显下降，提高了流量范围度。
（2）当流量为 8.1 m3/h 时，若无干扰，仅采用模拟信号处理电路模块的 A 方案也可准确检测流量值，但当有干扰时，即频率波动范围大，无法正常检测。当流量提高到 27.9m3/h时，才基本不受干扰影响。而增加 FFT 模块后的 B 方案，均可准确测量流量，说明采用自适应 FFT 方法后，流量计的抗干扰能力得到很大的提高。
（3）当流量大于频率阈值对应的流量（30 m3/h）时，此时流量已能准确测量，关闭了 FFT 模块，两种方案所测频率范围一致。
（4）当流量大于频率阈值对应的流量（30 m3/h） 时，FFT 模块处于关闭状态，其功耗仅 0.05mW，而当 FFT 模块打开时，其功耗也仅 1.2 mW，假设流量计 1/3 时间处于 FFT 模块打开状态，2/3 时间处于FFT模块关闭状态，其平均增加功耗仅 0.44mW，实际上只要选型正确，流量计大部分时间应工作在中大流量，FFT 模块大部分时间应为关闭状态，所以可完全满足微功耗系统的需要。
本文提出的以硬件电路粗判流量传感器输出信号频率，并按不同频段变采样频率的自适应FFT功率谱分析方法，既可解决旋进流量计抗干扰差的缺点，又可有效降 低流量计的流量下限，扩大流量范围度，同时又可满足流量计微功耗的需要。以 50 mm 口径旋进流量计为例，实验表明，加入 FFT 模块后，流量计的流量下限从 8.1 m3/h 下降到 4.95 m3/h，可测量的小流量值得到明显改 进，同时在中小流量段，测量准确可靠，基本不受干扰影响，抗振性能明显改进。可以预见，通过进一步完善，这种方法将在旋进流量计中得到推广应用，成为改进 旋进流量计性能的极好办法。此外，这种信号处理方式的应用不单局限于旋进流量计，在旋涡进动流量计与射流流量计等其他振动式流量计中也同样适用。
