電磁流量計(jì)由于其可靠性高、耐腐蝕性強(qiáng)、測量精度高、容易變更測量范圍等特點(diǎn)，目前在石油、化工、冶金、造紙等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用：特別是在能源短缺的今天，電磁流量計(jì)的發(fā)展為資源的科學(xué)管理提供了重要的基礎(chǔ)。然而，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展對電磁流量計(jì)提出了更高、更新的要求，尤其是在流量測量的度和穩(wěn)定性方面。電磁流量計(jì)中干擾信號與流量信號混合在一起，不僅成分復(fù)雜而且有的干擾信號數(shù)量級與流量信號相當(dāng)，此外噪聲進(jìn)人微處理器可能造成系統(tǒng)運(yùn)行異常，在這種情況下，如何抑制干擾成為研制和使用電磁流量計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
                            1 電磁流量計(jì)中噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及對策
                           
                        電磁流量計(jì)工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測量導(dǎo)電流體在磁場中的感應(yīng)電動勢來推算流體流量。勵磁磁場、感應(yīng)電動勢采集電極、信號運(yùn)算放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器都容易受到工作現(xiàn)場的電場和磁場輻射禍合，因此電磁禍合是流量測量中zui主要的干擾方式：其次被測液體的電化學(xué)反應(yīng)和泥漿干擾是流量測量的另一噪聲來源。
                            1.1 微分干擾產(chǎn)生機(jī)理及對策
                           
                        在現(xiàn)行的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)中，低頻矩形波勵磁方式結(jié)合了直流勵磁和交流勵磁兩者的優(yōu)點(diǎn)，成為主要勵磁方式之一。在低頻勵磁方式下，其干擾主要表現(xiàn)為：由勵磁電流突變產(chǎn)生的微分干擾信號。理想勵磁磁場信號為低頻矩形波，實(shí)際上隨著勵磁電流變化（dl/dt）在磁場上產(chǎn)生微分干擾信號，隨著電流的穩(wěn)定，干擾信號隨之消失，因此同步采樣技術(shù)可以有效抑制微分干擾信號。實(shí)際設(shè)計(jì)中，模數(shù)轉(zhuǎn)化器使用AD公司的24位Sigma
                        Delta模數(shù)轉(zhuǎn)化器AD7714。AD7714可以分別采用硬件和軟件方式進(jìn)行采樣開始時間控制，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣。采用軟件方式時，當(dāng)控制寄存器中FSYNC位為邏輯1時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器處于復(fù)位狀態(tài)：向該位寫邏輯0時，器件開始采樣輸入信號。在應(yīng)用中，低頻勵磁信號由MSP430單片機(jī)內(nèi)部定時器產(chǎn)生，同時產(chǎn)生采樣信號。如圖1所示，采樣開始時間滯后勵磁信號1/4個周期。

                            1.2 工頻串模干擾產(chǎn)生機(jī)理及對策
                           
                        在電磁流量計(jì)的工作現(xiàn)場存在大量工頻信號，疊加在勵磁回路、電極、前端放大器的工頻干擾噪聲對流量的準(zhǔn)確測量造成極大影響。其中輻射禍合到勵磁回路的工頻輻射磁場（包括其諧波）造成勵磁磁場波動，影響流量測量。當(dāng)流體流速較小時，工頻干擾信號與有效流量信號在同一數(shù)量級，嚴(yán)重影響測量結(jié)果。
                           
                        已知工頻禍合噪聲基波頻率為50Hz，因此可以采用模擬或數(shù)字濾波器使濾波器帶寬限制在50Hz以內(nèi)以抑制噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中使用Sigma
                        Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714內(nèi)部包含的數(shù)字濾波模塊，數(shù)字濾波器相對模擬濾波器除具有靈活性高、參數(shù)設(shè)置方便等特點(diǎn)之外，還可以降低刀D轉(zhuǎn)換期間引入的噪聲。AD714數(shù)字濾波器為（sinx/x）3低通濾波器，其在頻域的傳遞函數(shù)為：

                            式中：
                        ƒs為采樣頻率：AD7714采樣頻率為19.2kHz：N為濾波采樣個數(shù)：ƒ為數(shù)字濾波器響應(yīng)頻率。通過設(shè)定濾波采樣個數(shù)可以改變數(shù)字濾波器的截止頻率和一次陷波頻率。在本設(shè)計(jì)中綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換速度和去除噪聲性能，設(shè)置N值使濾波器截止頻率為50Hz，濾波器頻域響應(yīng)如圖2所示，濾波器對工頻50Hz及其偶次諧波有很好的抑制作用。

                           
                        除使用數(shù)字濾波器外，在刀D輸入端設(shè)置RC模擬低通濾波器還可以帶來其他作用。在實(shí)際測量觀察到的流量信號中存在尖脈沖噪聲，可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和，導(dǎo)致數(shù)字濾波器失效，使用模擬濾波器可以提前剔除這些信號。
                            1.3 共模干擾、串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理及對策
                           
                        共模干擾的產(chǎn)生主要是由于電磁屏蔽缺陷、接地不良、雜散電容等引起返回電流不平衡。共模干擾可能導(dǎo)致電路某些參考電位變化，是造成電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的原因之一：同時共模信號產(chǎn)生很高的輻射電場使電路的電磁兼容性惡化。串?dāng)_是由于印刷電路板設(shè)計(jì)電磁兼容性考慮不足造成信號質(zhì)量下降，特別是高速走線和模擬電路易受到影響。
                           
                        對由共模干擾信號導(dǎo)致的參考電位變化，應(yīng)用中流量電壓采用差分形式，通過雙絞線送人放大器，前端放大器選用高共模抑制比、低漂移、高輸入阻抗的運(yùn)放，可以有效抑制共模干擾。此外，電磁流量計(jì)電路板設(shè)計(jì)符合電磁兼容性要求降低串?dāng)_對信號的影響：使用滿足功能要求的速率盡可能低的邏輯器件。選用在邏輯狀態(tài)變換過程中輸入電流消耗更小的元件。盡可能選擇表面封裝的元器件。合理安排元件布局，模擬與數(shù)字部分隔離，防止數(shù)字信號影響模擬信號。適當(dāng)配置去藕電容，選擇合適的電容容量，去藕電容盡量靠近元器件。對于敏感信號回路，如時鐘信號、模擬輸入信號嚴(yán)格控制回路面積。鋪設(shè)地平面提供低阻抗信號回路，加強(qiáng)屏蔽效果。
                            1.4 其他干擾對策
                           
                        電化學(xué)極化電動勢干擾是被測液體中電解質(zhì)在感應(yīng)電場作用下在電極表面極化產(chǎn)生的，是電磁流量計(jì)零點(diǎn)漂移的主要原因之一。采用交流勵磁方式可以有效地減小極化電動勢，此外在應(yīng)用中微處理器運(yùn)算時將兩次流量電壓采樣值相減，這樣不但可以減小極化電動勢，而且可以補(bǔ)償由共模干擾帶來的零點(diǎn)漂移。
                           
                        泥漿干擾是在測量泥漿、纖維漿等固液兩相特性液體時，固體顆?；蛘邭馀菖c電極發(fā)生摩擦，在電極表面的電化學(xué)電動勢突然變化，電磁流量計(jì)傳感器輸出信號輸出尖峰脈沖狀干擾。在低頻勵磁情況下，泥漿干擾產(chǎn)生的尖脈沖數(shù)量級大，極大地影響流量的準(zhǔn)確測量，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用多種信號處理混合方式抑制噪聲，信號處理原理如圖3所示。

                           
                        流量計(jì)正常運(yùn)行時，尖峰脈沖噪聲出現(xiàn)的概率小，被測液體流速不會在短時間內(nèi)變化，基于以上特性，對流量信號進(jìn)行限幅濾波處理：當(dāng)前輸入信號相對上周期輸入信號超出噪聲容限范圍，該信號被認(rèn)為是噪聲信號，不再進(jìn)一步計(jì)算。
                           
                        滑動平均濾波是處理流量信號經(jīng)常采用的信號處理辦法，可以有效降低采樣誤差：滑動平均濾波函數(shù)的脈沖響應(yīng)時間是受滑動窗口數(shù)控制的，如果能動態(tài)調(diào)整窗口數(shù)目，那么響應(yīng)速度就會大大提高：在應(yīng)用中使用改進(jìn)的滑動平均濾波函數(shù)，通過響應(yīng)時間控制器控制滑動窗口數(shù)，當(dāng)響應(yīng)時間超過設(shè)定值時，將窗口數(shù)設(shè)置為1，使輸出信號迅速變化，獲得較好的動態(tài)性能。
                            2 抗干擾技術(shù)在電磁流量計(jì)中的應(yīng)用
                           
                        微處理器是電磁流量計(jì)的核心單元，控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的CPU受到干擾時，可能造成的影響有：非正常修改程序計(jì)數(shù)器指針：改寫可編程輸出端口狀態(tài)：非正常修改數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)等。以上不良影響會使單片機(jī)程序失控，其后果是非常嚴(yán)重的。結(jié)合智能電磁流量計(jì)的工作特點(diǎn)和MSP430系列單片機(jī)的特性，采用軟件與硬件抗干擾技術(shù)相結(jié)合，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
                            2.1 硬件抗干擾
                           
                        由于軟件抗干擾措施是以犧牲CPU效率為代價的，如果沒有硬件消除絕大多數(shù)干擾，CPU將疲于奔命，無暇顧及正常工作，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作效率和實(shí)時性。
                           
                        電磁流量計(jì)輸出單元一般包括4-20mA電流輸出，集電極開路的頻率輸出以及工業(yè)現(xiàn)場總線接口等，在輸入和輸出通道上采用光電隔離器來進(jìn)行信息傳輸是很有好處的，它將微機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來，很大一部分干擾將被阻擋。
                           
                        MS4P03單片機(jī)與外圍設(shè)備，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、EEPROM等采用總線通信方式。當(dāng)信號同時切換時會引起“地彈”和串?dāng)_。在電路板布線時，總線盡量使用地線包圍，電路采用多點(diǎn)接地方式。同時總線采用上拉電阻方式，可以提高邏輯電路噪聲容限，使總線通信更加可靠。
                           
                        MS4P03的通用端口可以設(shè)置為輸入和輸出兩種狀態(tài)，對于沒有使用的端口，全部設(shè)置為輸出狀態(tài)，防止CpU受到意外干擾。此外XTZOUT、XOUT、VREF+空置；XIN，AVCC接數(shù)字電源端；XTZIN，VREF-、VREF+接數(shù)字地。
                            2.2 睡眠狀態(tài)抗干擾
                           
                        電磁流量計(jì)中微處理器很多情況下是在執(zhí)行等待指令和循環(huán)檢查程序，這時CPU沒有工作，但卻是清醒的，很容易受干擾。MSP430系列單片機(jī)提供了多種睡眠狀態(tài)，讓CPU在沒有正常工作時休眠，必要時再由中斷系統(tǒng)來喚醒它，之后恢復(fù)休眠狀態(tài)，從而使CPU受到隨機(jī)干擾的威脅大大降低，同時降低了CPU的功耗。
                            2.3 指令冗余與軟件陷阱技術(shù)
                           
                        程序正常運(yùn)行時，指令計(jì)數(shù)器始終指向下一條指令的*個字節(jié)，當(dāng)單片機(jī)受到干擾時，可能引起程序計(jì)數(shù)器的非正常修改，將操作數(shù)當(dāng)作指令碼執(zhí)行，造成程序誤操作。MSP4so單片機(jī)采用RISC指令內(nèi)核，指令字有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令三種，在雙字節(jié)和三字節(jié)指令后插人兩條單字節(jié)指令，程序失控時也可以迅速進(jìn)人預(yù)期控制軌道。綜合考慮CPU
                        效率和抗*力，在對程序流向起關(guān)鍵作用的指令處，如跳轉(zhuǎn)指令、中斷恢復(fù)指令等，插人兩條“NOP’，單字節(jié)空操作指令，以保證“跑飛”的程序迅速納人正確的控制軌
                        道。
                           
                        為了防止單片機(jī)輸出口狀態(tài)被意外修改，定期重新定義輸出口狀態(tài)。MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成很多外圍設(shè)備，如UART、SPI串口、定時計(jì)數(shù)器等，為了防止這些設(shè)備的相應(yīng)控制寄存器被意外修改，每次使用時都需重新設(shè)置。
                           
                        指令冗余使“跑飛”的程序安定下來是有前提條件的：程序計(jì)算器必須指向程序區(qū)。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器落到非程序區(qū)，如ROM中未使用的空間、中斷向量表、數(shù)據(jù)區(qū)，則冗余指令失效。采取額外措施就是設(shè)立軟件陷阱。所謂軟件陷阱，就是一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向?qū)Τ绦虺鲥e進(jìn)行處理的程序，一般安排在未使用的中斷向量、未使用的ROM等。
                           
                        MS4P03單片機(jī)具有多個中斷發(fā)生源。正常工作’時，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位會被硬件自動復(fù)位：當(dāng)單片機(jī)受到干擾，運(yùn)行異常時，可能會觸發(fā)沒有使用的中斷，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，因此在未被使用的中斷向量處插人冗余指令，使中斷自動返回，如：“NOPNOPRETI”。
                           
                        對于沒有使用的ROM，程序燒錄器默認(rèn)寫人字oxll開，該字對于指令系統(tǒng)是一條指令，這條指令會修改單片機(jī)內(nèi)部寄存器值：如果程序“跑飛”進(jìn)人這段ROM中，可能造成數(shù)據(jù)運(yùn)算錯誤，因此在未使用的ROM中寫人代碼，使程序跳轉(zhuǎn)到出錯處理程序。
                            2.4 數(shù)據(jù)存儲冗余技術(shù)
                           
                        電磁流量計(jì)正常運(yùn)行需要流量標(biāo)定值、累計(jì)流量值以及流量計(jì)信息等很多參數(shù)。這些參數(shù)非常重要，尤其是累積流量值必須妥善保存。為了防止程序?qū)?shù)的意外修改，對數(shù)據(jù)做冗余存儲處理。在具有掉電保護(hù)功能的外部存儲器中存儲三份數(shù)據(jù)，讀取參數(shù)時，判斷參數(shù)是否有效，數(shù)據(jù)冗余存儲流程如圖4所示。

                            3 結(jié)束語
                           
                        智能電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用上述多種抗干擾技術(shù)，使測量的度和運(yùn)行穩(wěn)定性得到了提高，拓展了電磁流量計(jì)的應(yīng)用范圍，開拓了更廣闊的市場。