胡國棟，馮正平,2，畢安元

(1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 船海協(xié)創(chuàng)中心，上海 200240)

0 引 言

科氏質(zhì)量流量計(jì)（CMF）直接高精度地測(cè)量介質(zhì)質(zhì)量流量與密度，被廣泛應(yīng)用于海洋石油等領(lǐng)域[1]，如超大型油輪（VLCC）的油料加裝過程。介質(zhì)密度信息既可作為船用燃油等級(jí)劃分依據(jù)[2]，又可作為混合流體中目標(biāo)液體所占比例的計(jì)算依據(jù)[3]。BZ19-4油田海上石油平臺(tái)利用CMF同時(shí)測(cè)量分離器水相出口的質(zhì)量流量與水中含油率，降低了分析儀器費(fèi)用[3]。并且，CMF質(zhì)量流量測(cè)量過程不易受環(huán)境溫度、介質(zhì)密度、介質(zhì)流態(tài)的影響，在海洋石油等氣液兩相流測(cè)量應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2008年，英國國家工程實(shí)驗(yàn)室與牛津大學(xué)Henry團(tuán)隊(duì)合作，研制出直徑200mm科氏質(zhì)量流量計(jì)。同年，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)新加坡某集裝箱船進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)船用燃油加注測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，該流量計(jì)實(shí)際質(zhì)量流量測(cè)量誤差低于1%[4]。

科氏質(zhì)量流量計(jì)通過檢測(cè)兩路檢測(cè)線圈振動(dòng)信號(hào)之間的相位差，得到介質(zhì)的質(zhì)量流量信息[5]。目前，數(shù)字式CMF實(shí)時(shí)信號(hào)處理方法主要有2種：CMF并行信號(hào)處理方法與CMF串行信號(hào)處理方法。

21世紀(jì)初，牛津大學(xué)Henry團(tuán)隊(duì)基于自確認(rèn)傳感器模型[6]研制出數(shù)字化科氏質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)[7-8]。該系統(tǒng)通過采用“FPGA+微處理器”的并行處理架構(gòu)，將CMF信號(hào)處理與控制任務(wù)分布運(yùn)行在2個(gè)處理模塊中。其中，F(xiàn)PGA模塊完成信號(hào)采集與輸出任務(wù)，微處理器完成流量檢測(cè)、密度檢測(cè)與流量管振動(dòng)參數(shù)計(jì)算等任務(wù)[9]。需要指出的是，除了硬件設(shè)計(jì)層面的復(fù)雜性，該系統(tǒng)需要采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，軟件復(fù)雜程度也較高。

另一方面，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）因采用哈佛架構(gòu)，具有專門的硬件乘法器、特殊的數(shù)字信號(hào)處理指令等優(yōu)勢(shì)，而被廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域[10]。徐科軍團(tuán)隊(duì)[11-12]基于單核DSP設(shè)計(jì)的CMF串行信號(hào)處理與控制系統(tǒng)，在一個(gè)周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波計(jì)算、頻率檢測(cè)與相位差檢測(cè)、數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制參數(shù)計(jì)算等任務(wù)。該系統(tǒng)能夠取得較高的相位差檢測(cè)精度，但由于多任務(wù)串行運(yùn)行在同一個(gè)周期內(nèi)，系統(tǒng)不具有良好的實(shí)時(shí)性；并且在DSP執(zhí)行相位差檢測(cè)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)無法采集CMF模擬信號(hào)，造成數(shù)據(jù)浪費(fèi)。

為了解決上述CMF串行信號(hào)處理方法無法同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與相位差檢測(cè)工作的問題，并考慮到DSP在數(shù)字信號(hào)處理方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文基于雙核DSP設(shè)計(jì)了CMF并行信號(hào)處理方法，旨在提升CMF信號(hào)處理實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。基于設(shè)計(jì)的CMF信號(hào)處理驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)該方法進(jìn)行相位差檢測(cè)實(shí)時(shí)性與精度驗(yàn)證，并將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與仿真測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

1 CMF信號(hào)處理的并行化設(shè)計(jì)

1.1 CMF串行信號(hào)處理方法

典型的CMF信號(hào)處理任務(wù)可分為兩類：預(yù)處理任務(wù)（數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波計(jì)算）與后處理任務(wù)（頻率檢測(cè)與相位差檢測(cè)）。預(yù)處理任務(wù)（Sample-based Task）依據(jù)采樣頻率不斷反復(fù)地被執(zhí)行；當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)量達(dá)到數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度時(shí)，后處理任務(wù)（Frame-based Task）被執(zhí)行一次。在一個(gè)數(shù)據(jù)幀周期內(nèi)，預(yù)處理任務(wù)與后處理任務(wù)是互斥的。數(shù)據(jù)幀周期開始時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)處理任務(wù)而阻塞了后處理任務(wù)。當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)量到達(dá)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行后處理任務(wù)而阻塞預(yù)處理任務(wù)。

在執(zhí)行預(yù)處理任務(wù)的時(shí)間內(nèi)，CMF輸出的模擬信號(hào)無法被采集，因此，CMF串行信號(hào)處理方法存在信號(hào)利用率低、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的明顯缺點(diǎn)。

1.2 CMF并行信號(hào)處理方法

為解決上述問題，將CMF信號(hào)處理任務(wù)重組，并行運(yùn)行在分布式處理器中，如圖1所示。

圖 1 CMF并行信號(hào)處理流程圖Fig. 1Parallel CMF signal processing flowchart

主處理器中運(yùn)行的預(yù)處理進(jìn)程依據(jù)采樣頻率，不斷反復(fù)執(zhí)行預(yù)處理任務(wù)，即數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波計(jì)算任務(wù)；當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)量達(dá)到數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度時(shí)，預(yù)處理進(jìn)程向后處理進(jìn)程發(fā)送事件通知。

從處理器中運(yùn)行的后處理進(jìn)程收到來自預(yù)處理進(jìn)程的事件通知時(shí)，方可開始針對(duì)本數(shù)據(jù)幀進(jìn)行頻率檢測(cè)與相位差檢測(cè)等后處理任務(wù)。

需要指出的是，在預(yù)處理進(jìn)程中最后一個(gè)預(yù)處理任務(wù)時(shí)間片內(nèi)需要額外完成發(fā)送事件通知與將相位差檢測(cè)結(jié)果輸出等工作，因此比其他預(yù)處理任務(wù)時(shí)間片稍長(zhǎng)（見圖2）。另外，從處理時(shí)序中可看出，后處理進(jìn)程比預(yù)處理進(jìn)程滯后一個(gè)數(shù)據(jù)幀周期。由于CMF信號(hào)處理數(shù)據(jù)幀周期通常很短（典型值為40 ms左右），因此完全可以認(rèn)為后處理進(jìn)程輸出的處理結(jié)果是實(shí)時(shí)的。

圖 2 CMF并行信號(hào)處理時(shí)序圖Fig. 2Parallel CMF signal processing timeline

1.3 基于雙核DSP的CMF并行信號(hào)處理軟件

基于TI公司TMS320F28379D型號(hào)MCU開發(fā)CMF并行信號(hào)處理軟件。該MCU集成了2個(gè)32位DSP核（CPU01與CPU02），集成了2個(gè)獨(dú)立于CPU之外的浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器（CLA）、2個(gè)六通道DMA、核間通信模塊（IPC）與128KB共享內(nèi)存。預(yù)處理進(jìn)程與后處理進(jìn)程分布并行運(yùn)行在雙核DSP中。

1.3.1 預(yù)處理進(jìn)程

預(yù)處理進(jìn)程基于定時(shí)器中斷，等時(shí)間間隔地完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波計(jì)算任務(wù)。

在每個(gè)定時(shí)器中斷處理程序中：

1）使能2個(gè)ADC，分別對(duì)兩路CMF模擬信號(hào)進(jìn)行一次采樣，并將采樣數(shù)據(jù)傳遞給CLA1；

2）CLA1完成數(shù)字濾波計(jì)算后，將本次濾波計(jì)算結(jié)果寫入循環(huán)緩存。

當(dāng)循環(huán)緩存的最后一個(gè)位置被寫入數(shù)字濾波計(jì)算結(jié)果時(shí)，本數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)采集完成，預(yù)處理進(jìn)程在最后一個(gè)預(yù)處理任務(wù)時(shí)間片內(nèi)需要完成以下額外的工作：

1）啟動(dòng)兩路DMA，由DMA將本數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)移至后處理進(jìn)程的工作內(nèi)存中；

2）重置循環(huán)緩存指針，準(zhǔn)備開始寫入新數(shù)據(jù)幀；

3）將雙核DSP共享內(nèi)存內(nèi)的相位差檢測(cè)結(jié)果寫入DAC寄存器；

4）通過核間中斷向后處理進(jìn)程發(fā)送事件通知，通知其基于本數(shù)據(jù)幀進(jìn)行頻率檢測(cè)與相位差檢測(cè)任務(wù)。

1.3.2 后處理進(jìn)程

后處理進(jìn)程初始化后處于等待事件通知的狀態(tài)。當(dāng)其接收到來自預(yù)處理進(jìn)程的事件通知時(shí)，依次完成以下工作：

1）基于自適應(yīng)陷波濾波算法（ANF頻率檢測(cè)算法）對(duì)本數(shù)據(jù)幀進(jìn)行頻率檢測(cè)；

2）基于離散時(shí)間傅里葉變換算法（DTFT相位差檢測(cè)算法）或三參數(shù)正弦擬合算法（SWF3相位差檢測(cè)算法）對(duì)本數(shù)據(jù)幀進(jìn)行相位差檢測(cè)；

3）將相位差檢測(cè)結(jié)果寫入雙核DSP共享內(nèi)存；

4）重新進(jìn)入等待預(yù)處理進(jìn)程事件通知的狀態(tài)。

2 CMF數(shù)字信號(hào)處理算法仿真測(cè)試

ANF頻率檢測(cè)算法根據(jù)被處理信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)被處理信號(hào)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，自動(dòng)調(diào)節(jié)自身模型參數(shù)，令誤差函數(shù)達(dá)到最小值，使陷波頻率與信號(hào)頻率相等，從而計(jì)算出信號(hào)頻率值[13-15]。DTFT相位差檢測(cè)算法依據(jù)兩路信號(hào)的離散傅里葉變換相位譜差值計(jì)算得到兩路信號(hào)基波分量間的相位差[16,17]。SWF3相位差檢測(cè)算法通過迭代，不斷逼近得出待檢測(cè)信號(hào)參數(shù)（如相位、頻率與振幅等），進(jìn)而得到兩路信號(hào)間相位差[18,19]。

為與CMF信號(hào)處理驗(yàn)證平臺(tái)精度測(cè)試結(jié)果對(duì)比，基于隨機(jī)參數(shù)信號(hào)進(jìn)行300次相位差檢測(cè)仿真測(cè)試。設(shè)定待檢測(cè)正弦信號(hào)頻率在150～180 Hz范圍內(nèi)隨機(jī)變化，信號(hào)采樣頻率為50 kHz，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為2 000，兩路待檢測(cè)數(shù)字信號(hào)間相位差隨機(jī)范圍為-0.5°～0.5°，設(shè)定信號(hào)信噪比為40 dB。仿真結(jié)果顯示，DTFT算法相位差檢測(cè)結(jié)果平均絕對(duì)誤差為0.000 28°，SWF3算法相位差檢測(cè)結(jié)果平均絕對(duì)誤差為0.000 25°（見圖3和圖4）。

圖 3 DTFT算法相位差檢測(cè)結(jié)果Fig. 3Phase difference detection results based on DTFT algorithm

圖 4 SWF3算法相位差檢測(cè)結(jié)果Fig. 4Phase difference detection results based on SWF3 algorithm

3 CMF信號(hào)處理驗(yàn)證平臺(tái)簡(jiǎn)介

3.1 驗(yàn)證平臺(tái)硬件描述

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于雙核DSP的CMF并行信號(hào)處理方法實(shí)時(shí)性與精度，開發(fā)CMF信號(hào)處理驗(yàn)證平臺(tái)。驗(yàn)證平臺(tái)由主機(jī)與目標(biāo)機(jī)兩部分組成。主機(jī)為搭載NI公司PCI-6154多功能數(shù)據(jù)采集卡的臺(tái)式電腦，目標(biāo)機(jī)為搭載TMS320F28379D雙核DSP的C2000系列開發(fā)板。主機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號(hào)輸出通道為目標(biāo)機(jī)提供CMF模擬信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號(hào)輸入通道采集目標(biāo)機(jī)相位差檢測(cè)結(jié)果。即主機(jī)實(shí)現(xiàn)了CMF模擬信號(hào)的輸出與相位差檢測(cè)結(jié)果的采集功能，目標(biāo)機(jī)搭載CMF并行信號(hào)處理軟件對(duì)兩路CMF模擬信號(hào)進(jìn)行相位差檢測(cè)。

主機(jī)數(shù)據(jù)采集卡模擬信號(hào)輸出通道與目標(biāo)機(jī)ADC引腳相連，目標(biāo)機(jī)DAC引腳接入主機(jī)數(shù)據(jù)采集卡模擬信號(hào)輸入通道。

3.2 驗(yàn)證平臺(tái)軟件描述

驗(yàn)證平臺(tái)軟件由主機(jī)軟件與目標(biāo)機(jī)軟件兩部分組成。目標(biāo)機(jī)軟件即前文所述基于雙核DSP的CMF并行信號(hào)處理軟件。

基于Matlab Data Acquisition Toolbox開發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)主機(jī)軟件。主機(jī)軟件匹配識(shí)別PCI-6154數(shù)據(jù)采集卡，并配置模擬信號(hào)輸入輸出通道。主機(jī)軟件依據(jù)設(shè)定的輸出頻率，通過數(shù)據(jù)采集卡模擬信號(hào)輸出通道，輸出兩路帶有相位差的正弦信號(hào)，并通過模擬信號(hào)輸入通道實(shí)時(shí)采集目標(biāo)機(jī)相位差檢測(cè)結(jié)果。

驗(yàn)證平臺(tái)主機(jī)硬件與軟件總體組成如圖5所示。

圖 5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)組成示意圖Fig. 5Schematic diagram of Test-bed

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證基于雙核DSP的CMF并行信號(hào)處理方法相位差檢測(cè)的實(shí)時(shí)性與精度，通過目標(biāo)機(jī)檢測(cè)主機(jī)輸出的兩路模擬正弦信號(hào)間相位差。實(shí)驗(yàn)設(shè)定主機(jī)軟件輸出的兩路模擬信號(hào)間相位差為0°～0.5°，設(shè)定目標(biāo)機(jī)軟件預(yù)處理進(jìn)程采樣頻率為50 kHz、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為2 000（即數(shù)據(jù)幀周期為40 ms），設(shè)定DSP主頻為200 MHz。

4.1 相位差檢測(cè)實(shí)時(shí)性結(jié)果

為驗(yàn)證CMF并行信號(hào)處理方法是否可達(dá)實(shí)時(shí)性要求，在目標(biāo)機(jī)軟件中打點(diǎn)統(tǒng)計(jì)各部分任務(wù)所消耗的時(shí)間，如表1所示。

表 1 相位差檢測(cè)實(shí)時(shí)性結(jié)果Tab. 1Time consumption of phase difference detection experiment

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，預(yù)處理進(jìn)程采集一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀耗時(shí)40 ms，而后處理進(jìn)程完成一次對(duì)數(shù)據(jù)幀的數(shù)字信號(hào)處理耗時(shí)7.8 ms（ANF頻率檢測(cè)算法與DTFT相位差檢測(cè)算法）或13.5 ms（ANF頻率檢測(cè)算法與SWF3相位差檢測(cè)算法）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在預(yù)處理進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)幀采集的時(shí)間內(nèi)，后處理進(jìn)程有足夠的時(shí)間完成針對(duì)上一個(gè)數(shù)據(jù)幀的全部數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。因此，CMF并行信號(hào)處理方法能夠以40 ms為數(shù)據(jù)幀周期，連續(xù)地對(duì)CMF模擬信號(hào)進(jìn)行相位差檢測(cè)。而CMF串行信號(hào)處理方法則相應(yīng)耗時(shí)47.8 ms或53.5 ms，才可完成一次對(duì)數(shù)據(jù)幀的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。

另由實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，啟動(dòng)DMA、發(fā)送事件通知與將相位差檢測(cè)結(jié)果寫入DAC寄存器等工作耗時(shí)小于1 μs，遠(yuǎn)小于預(yù)處理任務(wù)時(shí)間片間隔空余時(shí)間。因此，預(yù)處理進(jìn)程中最后一個(gè)預(yù)處理任務(wù)需要完成的額外工作，不影響預(yù)處理進(jìn)程的連續(xù)運(yùn)行，也即CMF模擬信號(hào)可以連續(xù)被采樣。

4.2 相位差檢測(cè)精度結(jié)果

統(tǒng)計(jì)主機(jī)軟件收集到的目標(biāo)機(jī)相位差檢測(cè)結(jié)果，可分別得到基于DTFT相位差檢測(cè)算法和SWF3相位差檢測(cè)算法的相位差檢測(cè)精度結(jié)果（見表2）。經(jīng)計(jì)算，DTFT算法相位差檢測(cè)結(jié)果平均絕對(duì)誤差為0.000 21°，SWF3算法相位差檢測(cè)結(jié)果平均絕對(duì)誤差為0.000 18°。即基于雙核DSP的CMF并行信號(hào)處理軟件相位差檢測(cè)精度結(jié)果優(yōu)于仿真測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié) 語

1）為解決CMF串行信號(hào)處理方法無法連續(xù)采樣的問題，本文基于雙核DSP設(shè)計(jì)的科氏質(zhì)量流量計(jì)并行信號(hào)處理方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與數(shù)字濾波計(jì)算、頻率檢測(cè)與相位差檢測(cè)任務(wù)的并行運(yùn)行，并降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。

2）通過搭建的CMF信號(hào)處理驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)該方法進(jìn)行相位差檢測(cè)實(shí)時(shí)性與精度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法具有更好的CMF信號(hào)處理精度與實(shí)時(shí)性。

單位/度 DTFT_50 kHz SWF3_50 kHz相位差設(shè)定值 檢測(cè)值 絕對(duì)誤差相對(duì)誤差 檢測(cè)值 絕對(duì)誤差相對(duì)誤差0.0 0.000 00 0.000 00 - 0.000 10 0.000 10 -0.1 0.09950 0.000 50 0.50% 0.100 20 0.000 20 0.20%0.2 0.200 00 0.000 00 0.00% 0.200 10 0.000 10 0.05%0.3 0.299 80 0.000 20 0.07% 0.300 00 0.000 00 0.00%0.4 0.400 20 0.000 20 0.05% 0.400 00 0.000 00 0.00%0.5 0.500 30 0.000 30 0.06% 0.499 30 0.000 70 0.14%