本发明涉及流量检测领域，为一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器，包括单片机最小系统、电源管理模块、励磁驱动模块、信号采集模块、人机接口模块、外部存储模块、输出模块以及软件；软件负责信号采集、信号处理、励磁驱动、人机交互和结果显示。励磁驱动模块用于驱动电磁水表的传感器，以产生传感器信号；信号采集模块用于提取传感器的输出信号，并将其转换为数字量传给单片机；励磁方式采用间歇励磁的方式，每周期一次三值波励磁；在算法处理中，对采集到的传感器输出信号直接进行幅值解调，根据解调结果重构信号，对重构信号进行梳状带通滤波，再进行幅值解调，计算得到瞬时和累积流量。
1.一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器，包括单片机最小系统、电源管理模块、励磁驱动模块、信号采集模块、人机接口模块、外部存储模块、输出模块以及软件；
单片机最小系统采用的是MSP430系列单片机MSP430F449，是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，非常适合电池供电的仪表；
电源管理模块由电源转换模块和电量监测电路组成，为二次仪表提供所需的电源，并对电源进行监测；
励磁驱动模块由H桥电路、恒流电路和电阻切换电路组成，用于驱动电磁水表一次仪表中的励磁线圈；H桥电路用于改变励磁电流的方向，可以抑制电极极化现象；恒流电路维持流过励磁线圈的电流稳定在设定值；电阻切换电路用于改变励磁电流的大小，以提高测量极小流量的精度；
信号采集模块由低通滤波器和32位ADC组成，用于提取电磁水表的传感器输出的信号，并将其转换成数字信号传给单片机最小系统；低通滤波器是由电阻、电容搭建的二阶无源滤波器，用于滤除高频噪声；32位ADC具有较高的有效位数，可以提取和转换非常微弱的模拟信号；
人机接口模块由按键输入和LCD显示组成，用于实现人机交互；
外部存储模块是铁电存储器模块，用于保存仪表关键数据，具有掉电数据不会丢失的特点，实现掉电保护；
输出模块包括GPRS模块和脉冲输出模块，其中，GPRS模块能远程传输数据，可实现远程无线抄表；脉冲输出主要用于电磁水表的标定和检定；
软件设计采取模块化设计方案，将完成特定功能的函数组合成功能模块，然后由主监控程序统一调用，实现电磁水表所要求的各项功能；软件框图包括主监控程序模块、初始化模块、励磁控制模块、信号采集模块、算法模块、存储模块、人机接口模块、中断模块、输出模块、通讯模块和看门狗模块；软件负责信号采集、信号处理、励磁驱动、人机交互和结果显示；
为了降低励磁功耗，保证电池组的使用年限，采用间歇性的励磁方式；励磁为每周期一次三值波，其中，D1～D4段分别为三值波励磁的正励磁段、零励磁段、负励磁段和零励磁段，每段时间均为20ms；D1和D3为励磁工作段，线圈中的励磁电流分别为正向和反向；D2、D4段以及每周期的剩余时间段励磁不工作，线圈中励磁电流为零；由于D1～D4段均为20ms，每段间隔时间较短，同时每段时间正好为工频周期，所以，在此励磁工作方式下，可以通过幅值解调抑制流量信号中的极化干扰和工频干扰；
对此励磁工作方式下的传感器输出信号进行频谱分析发现，信号的频谱中既包含有奇次谐波分量，也有偶次谐波分量；若对这样的信号进行梳状带通滤波，由于梳状带通滤波只提取信号的奇次谐波分量，衰减偶次谐波分量，滤波后会造成信号的衰减；即间歇性的励磁方式导致电磁感应产生的流量信号在频域中的分布不再是只存在励磁频率的奇数倍，因此，无法采用在普通电磁流量计中使用的梳状带通滤波来处理传感器输出的信号；为此，先对传感器输出的信号进行幅值解调，得到重构信号需要的幅值，再重构出流量信号，并对重构后的流量信号进行梳状带通滤波，实现提取流量信号的目的；即对传感器的输出信号进行幅值解调同时保留了信号的奇次谐波和偶次谐波分量，而根据幅值解调结果重构的矩形波信号，从频域看，只包含基波和奇次谐波分量，这时再利用梳状带通滤波进行处理，既能去除传感器输出信号中的干扰，也不对信号造成衰减；
励磁电流为每周期一次三值波，即D1～D4段，而算法处理所需要的信号为励磁电流的三值波对应的传感器输出信号；因此，每周期仅需要采集与三值波对应的传感器信号，即与励磁电流的三值波对应的传感器输出信号采集完成后，ADC停止采样，直到下一个励磁周期的开始，ADC再次开始工作；这种工作方式不仅可以进一步降低功耗，同时也为后续的算法执行和LCD刷新显示留下了充裕的时间。
2.如权利要求1所述的一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器，其特征在于：
励磁驱动模块中的电阻切换电路用于改变流过励磁线圈中电流的大小，主要由U2和电阻R1和R2组成，位于H桥电路的低端；其中，U2是单刀双掷开关，用于选择把R1接入励磁回路还是把R2接入励磁回路；R1的阻值小于R2的阻值，当流量极小时，R1才被用于替换R2接入励磁回路进行工作，实现极低流量的准确测量。
3.如权利要求1所述的一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器，其特征在于：
重构滤波相当于将解调后的信号幅值重构为矩形波再进行梳状带通滤波，不会对信号造成衰减，所以此时使用重构滤波处理；如图10中与励磁电流对应的传感器输出信号所示，d1～d4分别为对应于D1～D4励磁段的信号后半段的均值，对传感器信号进行幅值解调，可得幅值解调结果为Amp(i)＝((d1-d2)+(d4-d3))/4·(-1)i-1
式中，i≥1，i表示传感器输出信号的第i个周期；由于解调幅值时，只需要信号段后半段的均值；所以，在信号重构时，只需重构这个信号后半段的均值，然后进行梳状带通滤波；
假设重构得到的矩形波信号为r，r(i)和r(i-1)分别为当前半周期信号后半段的均值和前一个半周期信号后半段的均值；根据传感器信号幅值解调结果为Amp(i)，则对重构后的信号进行两个半周期幅值解调，可得Amp(i)＝(r(i)-r(i-1))/2·(-1)i-1
式中，i≥2，i为重构后矩形波信号的第i个半周期，可得，重构的矩形波信号为r(i)＝2Amp(i)(-1)i-1+r(i-1)梳状带通滤波器的传递函数为：
式中，N为滤波器的阶数；设输入信号为x(n)，经过梳状带通滤波后输出信号为y(n)，则梳状带通滤波器就是要实现下列差分方程：y(n)＝a·y(n-N)+b·(x(n)-x(n-N))
则根据梳状滤波器传递函数和其对应的差分方程，对重构后的信号进行梳状带通滤波，即
lvbo(i)＝b(1)(r(i)-r(i-1))-a(end)·lvbo(i-1)式中，i≥2，i表示第i个半周期，梳状带通滤波器的参数可在Matlab中计算得到；即根据第i-1、i半周期的重构信号r(i-1)和r(i)和第i-1半周的梳状滤波结果lvbo(i-1)，可计算出当前第i半周的梳状滤波结果lvbo(i)；
分析可知，传感器输出信号幅值出现第二个结果时，即i＝2时，算法中梳状带通滤波才计算出第一个结果；所以，在i＝1时，需要对重构信号r梳状带通滤波的输出lvbo进行初始化，即令r(1)和lvbo(1)初始值为r(1)＝Amp(1)
从这以后，每当得到一个新的传感器输出信号幅值解调结果，即可参与到梳状带通滤波计算中，得到当前半周期的滤波结果；重构后的信号在梳状带通滤波后，再进行幅值解调，可得i-1
fuzhi(i)＝(lvbo(i)-lvbo(i-1))/2·(-1)
经过传感器输出信号的幅值解调、重构信号、梳状带通滤波、幅值解调，最终输出去除信号中干扰后的幅值解调结果fuzhi。
一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器
技术领域
[0001] 本发明涉及流量检测领域，为一种电磁水表，特别是一种间歇励磁和数字信号处理的电磁水表变送器。
背景技术
[0002] 工业用水等工业生产中的导电液体一般使用电磁流量计来测量，城镇生活用水多用水表来计量。目前国内使用的水表大多为传统的机械式水表，但是，机械水表依靠水流推动表内机械部件运动来测量用水量，有着始动流量大、测量精度低、易磨损和跑冒滴漏现象严重等缺点。而电磁流量计由变送器(二次仪表)和传感器(一次仪表)组成，其中，传感器是用来将液体流速转化为电信号，变送器是将传感器采集到的电信号再转化为流速信息，从而实现流量测量。其具有管道内无阻挡体、始动流量低、测量精度高、不易磨损、性能稳定等优点，能够提高水计量的精度，在生活用水计量中具有很大优势。但是，普通电磁流量计功耗大，需要外部电源供电，而生活用水计量的很多应用场合难以提供外部电源，导致普通电磁流量计的使用受到限制。
[0003] 采用电池供电的电磁水表的则解决了上述问题。与电磁流量计相同，电磁水表同样基于法拉第电磁感应定律工作，但是，电磁水表在具备电磁流量计优点的同时，也有效地弥补了电磁流量计的缺点。相比传统的机械式水表，电磁水表始动流量低，测量的流量范围广，不易出现磨损和堵塞的现象，性能稳定且易于维护。同时，电磁水表具有强大的信息存储功能，可长期记录用水数据，便于生活用水的长期监测和分析，用于优化管网分配；电磁水表具有无线远传功能，可实现远程抄表，节约人力成本。相比于电磁流量计，电磁水表使用电池供电，采用低功耗技术，工作时长最长可达15年。所以，电磁水表是代替传统水表的极佳选择。
[0004] 电磁水表与电磁流量计具有相同的工作原理，同样由变送器和传感器组成，但是，与普通电磁流量计相比，由于应用场合不同，所以，电磁水表在量程比、测量功耗和小流量测量等方面具有更高的要求。普通电磁流量计的量程比一般为20-25，而电磁水表的量程比为500左右。普通的电磁流量计测量下限一般为0.5m/s，要求高的为0.3m/s；而电磁水表的测量下限要做到30mm/s，要求高的为20mm/s。普通电磁流量计一般用市电供电，而电磁水表不便于接入电网，需要使用电池供电，为了提高电池的使用年限，必须大幅降低测量时的功耗。而为了降低功耗，电磁水表的励磁电流一般为20mA左右。虽然减小励磁电流达到了降低功耗的目的，但是，相比普通电磁流量计，电磁水表由于励磁电流小，导致传感器原始信号幅值变小，使得小流量时的信号非常微弱。而电磁水表的测量下限又远低于普通电磁流量计。因此，能够稳定、精确的测量小流速十分困难。
[0005] 根据国家冷水水表检定规程JJG 162-2009，水表的流量范围可由Q1(最小流量)、Q2(分界流量)、Q3(常用流量)、Q4(最大流量)来表述，一般情况下，其流量计量特性可由量程比Q3/Q1(R值)，Q4/Q3＝1.25，Q2/Q1＝1.6来反映。电磁水表按照准确度等级划分为2级和1级。其中，2级水表在水温0.1℃到30℃范围内，水表的最大允许误差在高区(Q2～Q4)为±
2％，在低区(Q1～Q2)为±5％；1级水表在水温0.1℃到30℃范围内，水表的最大允许误差在高区(Q2～Q4)为±1％，在低区(Q1～Q2)为±3％。目前国内外的电磁水表准确度高的均可达到1级水表的要求，国内产品的流量下限最低为30mm/s，国外产品的流量下限最低为
20mm/s；国内产品的量程比最大为160，国外产品的量程比最大为600。
发明内容
[0006] 为了解决上述问题，本发明采取了以下技术方案：针对电磁水表励磁电流小，流量测量下限非常低，导致传感器输出信号微弱、信噪比差的问题，采用由低通滤波器和32位ADC(模数转换器)组成的信号调理电路，用于采集电磁水表的传感器输出的信号，以识别更微弱的传感器信号；励磁驱动模块中采用了电阻切换电路，根据流速变化来改变励磁电流大小，以精确地测量极小流量。同时采用了间歇励磁，每周期一次三值波励磁的方式，来抑制传感器信号中的极化干扰和工频干扰；并采用对传感器输出信号幅值解调后，重构信号进行梳状带通滤波，再进行幅值解调的处理方法，来去除信号中的其他干扰，以保证极小流量的准确、稳定测量。
[0007] 本发明选用32位ADC采集传感器输出信号，分辨率更高，能够识别更加微弱的传感器输出信号；利用ADC自身增益将经过低通滤波的传感器信号放大32倍，充分发挥32位ADC高分辨率的优势，避免了外置前置放大电路带来的干扰。采用间歇励磁的方式，每周期一次三值波励磁，即每周期在三值波励磁段结束后的时间段均为零励磁段(非励磁段，此时励磁电流为零)，以降低功耗；三值波励磁相比较矩形波励磁，在正向励磁和反向励磁段后各加入了一段零励磁段；三值波励磁在信号幅值解调时有利于抑制极化干扰，利于零点的稳定，而且本发明中三值波励磁的四段中每段均为20ms，正好为工频的周期，幅值解调时通过同相位相减可以抑制工频干扰。
[0008] 由于采用了间歇励磁的方式，导致传感器输出信号从频域来看频域既有奇次谐波又有偶次谐波分量，因此，对普通方波和三值波励磁的传感器信号取得良好滤波效果的梳状带通滤波在此时不能直接使用，为此，本发明采用了幅值解调后重构信号进行梳状带通滤波，再进行幅值解调的处理方法。合肥工业大学在浆液测量中采用了此种处理方法，为了消除浆液噪声干扰，首先计算出多个周期的幅值解调结果，并在这些结果中识别出不受浆液噪声干扰影响的作为幅值基准，再根据得到的幅值基准重构信号进行梳状带通滤波，消除其他干扰(梁利平.电磁流量计浆液流量信号的建模和处理[D],合肥工业大学，2010.)。而本发明中是为了避免直接梳状带通滤波对信号造成衰减，因而不需要找出幅值基准，可以根据传感器输出信号的幅值结果实时重构信号进行梳状带通滤波处理。
[0009] 本发明系统包括：单片机最小系统、电源管理模块、励磁驱动模块、信号采集模块、人机接口模块、外部存储模块、输出模块以及软件，软件负责信号采集、信号处理、励磁驱动、人机交互和结果显示。针对电磁水表在极小流量时传感器输出信号非常微弱的问题，励磁驱动模块中的电阻切换电路可以在小流量测量时适当增大励磁电流来增强传感器信号幅值；在信号采集模块中，选用32位ADC直接采集低通滤波后的传感器输出信号，采用ADC内部增益放大的方式来消除外置前置放大电路引入的干扰；以准确地测量更小的流量。在本发明系统的软件中，励磁方式选用间歇励磁，每周期一次三值波的励磁方式，信号处理方法为幅值解调、重构信号、梳状带通滤波、再幅值解调的处理方式，以降低系统功耗，并保证小流量的准确、稳定测量。
[0010] 本发明的优点：针对电磁水表需要测量极小流量，励磁模块采用电阻切换电路，信号采集模块选用32位ADC，以确保识别极小流量时的传感器输出信号；采用合适的励磁方式和信号处理方法；实现了极小流速的准确、稳定测量，进一步降低了流量测量的下限，提高了量程比。
附图说明
[0011] 图1是电磁水表变送器的硬件框图。
[0012] 图2是低通滤波器电路图。
[0013] 图3是32位ADC和外围电路图。
[0014] 图4是H桥电路。
[0015] 图5是恒流电路。
[0016] 图6是电阻切换电路。
[0017] 图7是基准产生电路。
[0018] 图8是铁电存储器模块。
[0019] 图9是励磁电流波形。
[0020] 图10是传感器输出信号波形。
[0021] 图11是传感器输出信号的频谱图。
[0022] 图12是重构信号波形。
[0023] 图13是软件框图。
[0024] 图14是主监控程序流程图。
[0025] 图15是算法流程图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0027] 图1是本发明的电磁水表变送器的硬件框图，主要由电源管理模块、信号采集模块、励磁驱动模块、人机接口模块、外部存储模块、输出模块和单片机最小系统组成。
[0028] 电源管理模块由电源转换模块和电量监测电路组成，为二次仪表提供所需的电源，并对电源进行监测。电源转换模块把仪表电池电压分别转换到3.3V、2.5V、-2.5V和1.25V。电量监测电路对仪表电池电压进行监测，提供电池电量信息。
[0029] 信号采集模块由低通滤波器和32位ADC(模数转换器)组成，用于提取电磁水表的传感器输出的信号，并将其转换成数字信号传给单片机最小系统。低通滤波器是由电阻、电容搭建的二阶无源滤波器，用于滤除高频噪声。32位ADC具有较高的有效位数，可以提取和转换非常微弱的模拟信号。
[0030] 励磁驱动模块由H桥电路、恒流电路和电阻切换电路组成，用于驱动电磁水表一次仪表中的励磁线圈。H桥电路用于改变励磁电流的方向，可以抑制电极极化现象。恒流电路维持流过励磁线圈的电流稳定在设定值。电阻切换电路用于改变励磁电流的大小，以提高测量极小流量的精度。
[0031] 人机接口模块由按键输入和LCD(液晶显示器)显示组成，用于实现人机交互。按键输入和LCD显示配合工作，用于二次仪表的参数设置，控制LCD的显示。
[0032] 外部存储模块是铁电存储器模块，用于保存仪表关键数据，具有掉电数据不会丢失的特点，实现掉电保护。
[0033] 输出模块包括GPRS(通用分组无线服务技术)模块和脉冲输出模块，其中，GPRS模块能远程传输数据，可实现远程无线抄表；脉冲输出主要用于电磁水表的标定和检定。
[0034] 单片机最小系统采用的是MSP430系列单片机MSP430F449，是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，非常适合电池供电的仪表。
[0035] 具体工作过程是：电源管理模块把仪表电池电源转换成二次仪表工作所需要的电源，单片机最小系统控制励磁驱动模块驱动一次仪表中的励磁线圈；与此同时，信号采集模块采集一次仪表中传感电极输出的信号，并转换成数字信号传给单片机最小系统；单片机最小系统采用一定的信号处理方法提取出流量信号，并把流量信号分别通过脉冲和LCD进行输出和显示，同时，把累积流量存入到铁电存储器模块中。
[0036] 图2是本发明系统中的低通滤波器，用于滤除传感电极输出信号中的高频噪声，由电阻R25、R26、R28、R29、R30、R31和电容C6、C7、C8和C9组成，传感电极分别连接到低通滤波器的输入端SIG1和SIG2，经过低通滤波器后，输出的信号为SIGA0和SIGA1。
[0037] 图3是本发明系统中的32位ADC及其外围电路，所选择的32位ADC有28个引脚，其工作所需要的时钟来自于单片机最小系统。该ADC共采集五路信号，与单片机通过SPI接口进行通讯。
[0038] 图4是本发明系统中的H桥电路，主要由多路开关U2、四个续流二极管D1、D2、D3、D4和电容C1组成。多路开关U2包括四个单刀单掷开关，分别称为U2A、U2B、U2C和U2D，其中U2A和U2D配合工作，U2B和U2C配合工作。四个续流二极管为励磁线圈提供续流的通路，其中，D1和D4配合工作，D2和D3配合工作。电容C1用于收集励磁线圈中的剩余能量，提高励磁电源的工作效率。设U2A和U2D配合工作时，流过励磁线圈的电流为正，U2B和U2C配合工作时，流过励磁线圈的电流为负，则H桥电路具体工作过程分为四个阶段：第一阶段，U2A和U2D闭合，U2B和U2C断开，使流过励磁线圈的电流为正。第二阶段，U2A和U2D断开，U2B和U2C保持断开，励磁线圈通过D2和D3续流，并把能量回馈给电容C1。第三阶段，U2A和U2D保持断开，U2B和U2C闭合，使流过励磁线圈的电流为负。第四阶段，U2A和U2D仍保持断开，U2B和U2C断开，励磁线圈通过D1和D4续流，并把能量回馈给电容C1。
[0039] 图5是本发明系统中的恒流电流，用于维持流过励磁线圈电流的稳定，主要由三极管Q1、运放U3、二极管D5、电阻R3、R4、R5、电阻R7、R8和电容C3、C4、C5组成。其中，Q1串接在励磁线圈回路中，用于承担降在励磁线圈以外的压降；D5在励磁线圈中的电流改变方向时提供一个续流路径；R7和R8对+1.25V进行分压，与励磁电流的大小有直接的关系；运放U3、电阻R3、R4、R5和电容C3根据流过晶体管Q1上的电流，共同调节Q1上的电压，实现恒流的效果。
[0040] 图6是本发明系统中的电阻切换电路，用于改变流过励磁线圈中电流的大小，主要由U2和电阻R1和R2组成，位于H桥电路的低端。其中，U2是单刀双掷开关，用于选择把R1接入励磁回路还是把R2接入励磁回路；R1的阻值小于R2的阻值，当流量极小时，R1才被用于替换R2接入励磁回路进行工作，实现极低流量的准确测量。
[0041] 图7是本发明系统中的基准产生电路，为恒流电路提供一个稳定的参考电压，主要由三端稳压器U11和电容C45、C46组成。U11是低压差的三端稳压器，最低压降可以低至5mV，具有固定1.25V的输出，准确度高达0.2％。供电电源从U1的输入端进入基准产生电路，产生稳定的+1.25V基准电压输出。
[0042] 图8是本发明系统中的铁电存储器模块，用于保存电磁水表的关键参数，如仪表系数和累积流量信息等，可以在掉电再上电后进行数据恢复，主要由铁电存储器和电阻R10、R11组成。其中，U15是供电电压范围为2.0V～3.6V，工作电流仅为90uA，存储空间大小为128kb，数据保存时间可长达10年。电阻R10和R11是U15与最小系统之间通讯使用的匹配电阻。
[0043] 图9是本发明系统中的励磁电流波形。为了降低励磁功耗，保证电池组的使用年限，本发明采用间歇性的励磁方式。励磁为每周期一次三值波(D1～D4段)，其中，D1～D4段分别为三值波励磁的正励磁段、零励磁段、负励磁段和零励磁段，每段时间均为20ms。D1和D3为励磁工作段，线圈中的励磁电流分别为正向和反向；D2、D4段以及每周期的剩余时间段励磁不工作，线圈中励磁电流为零。由于D1～D4段均为20ms，每段间隔时间较短，同时每段时间正好为工频周期，所以，在此励磁工作方式下，可以通过幅值解调抑制流量信号中的极化干扰和工频干扰。励磁频率可调，一般在标定时设置为1Hz，而在工作时可设置为1/15Hz或1/30Hz，可以大幅降低功耗。
[0044] 图10是本发明系统中的传感器输出信号波形。d1～d4分别为与D1～D4励磁段对应的传感器输出信号后半段的均值。
[0045] 图11为本发明系统中的传感器输出信号的频谱图。经过对频率为1Hz的传感器信号进行频谱分析可以发现，此时信号的频谱中既包含有奇次谐波分量，也有偶次谐波分量。若对这样的信号进行梳状带通滤波，由于梳状带通滤波只提取信号的奇次谐波分量，衰减偶次谐波分量，滤波后会造成信号的衰减。即间歇性的励磁方式导致电磁感应产生的流量信号在频域中的分布不再是只存在励磁频率的奇数倍，因此，无法采用在普通电磁流量计中使用的梳状带通滤波来处理传感器输出的信号。为此，先对传感器输出的信号进行幅值解调，得到重构信号需要的幅值，再重构出流量信号，并对重构后的流量信号进行梳状带通滤波，实现提取流量信号的目的。本发明的处理方法中，直接对传感器的输出信号进行幅值解调同时保留了信号的奇次谐波和偶次谐波分量，而根据幅值解调结果重构的矩形波信号，从频域看，只包含基波和奇次谐波分量，这时再利用梳状带通滤波进行处理，既能去除传感器输出信号中的干扰，也不对信号造成衰减。
[0046] 重构滤波相当于将解调后的信号幅值重构为矩形波再进行梳状带通滤波，不会对信号造成衰减，所以此时使用重构滤波处理。如图10中与励磁电流对应的传感器输出信号所示，d1～d4分别为对应于D1～D4励磁段的信号后半段的均值，对传感器信号进行幅值解调，可得幅值解调结果为
[0047] Amp(i)＝((d1-d2)+(d4-d3))/4·(-1)i-1
[0048] 式中，i≥1，i表示传感器输出信号的第i个周期。由于解调幅值时，只需要信号段后半段的均值。所以，在信号重构时，只需重构这个信号后半段的均值，然后进行梳状带通滤波。
[0049] 图12所示为本发明系统的重构信号波形。假设重构得到的矩形波信号为r，r(i)和r(i-1)分别为当前半周期信号后半段的均值和前一个半周期信号后半段的均值。根据传感器信号幅值解调结果为Amp(i)，则对重构后的信号进行两个半周期幅值解调，可得[0050] Amp(i)＝(r(i)-r(i-1))/2·(-1)i-1
[0051] 式中，i≥2，i为重构后矩形波信号的第i个半周期，可得，重构的矩形波信号为[0052] r(i)＝2Amp(i)(-1)i-1+r(i-1)
[0053] 梳状带通滤波器的传递函数为：
[0054]
[0055] 式中，N为滤波器的阶数。设输入信号为x(n)，经过梳状带通滤波后输出信号为y(n)，则梳状带通滤波器就是要实现下列差分方程：
[0056] y(n)＝a·y(n-N)+b·(x(n)-x(n-N))
[0057] 则根据梳状滤波器传递函数和其对应的差分方程，对重构后的信号进行梳状带通滤波，即
[0058] lvbo(i)＝b(1)(r(i)-r(i-1))-a(end)·lvbo(i-1)
[0059] 式中，i≥2，i表示第i个半周期，梳状带通滤波器的参数可在Matlab中计算得到。即根据第i-1、i半周期的重构信号r(i-1)和r(i)和第i-1半周的梳状滤波结果lvbo(i-1)，可计算出当前第i半周的梳状滤波结果lvbo(i)。
[0060] 分析可知，传感器输出信号幅值出现第二个结果时，即i＝2时，算法中梳状带通滤波才计算出第一个结果。所以，在i＝1时，需要对重构信号r梳状带通滤波的输出lvbo进行初始化，即令r(1)和lvbo(1)初始值为
[0061] r(1)＝Amp(1)
[0062] lvbo(1)＝Amp(1)
[0063] 从这以后，每当得到一个新的传感器输出信号幅值解调结果，即可参与到梳状带通滤波计算中，得到当前半周期的滤波结果。重构后的信号在梳状带通滤波后，再进行幅值解调，可得
[0064] fuzhi(i)＝(lvbo(i)-lvbo(i-1))/2·(-1)i-1
[0065] 经过传感器输出信号的幅值解调、重构信号、梳状带通滤波、幅值解调，最终输出去除信号中干扰后的幅值解调结果fuzhi。
[0066] 图13为本发明系统中的软件框图。为了便于系统的设计和维护，软件设计采取模块化设计方案，将完成特定功能的函数组合成功能模块，然后由主监控程序统一调用，实现电磁水表所要求的各项功能。软件框图包括主监控程序模块、初始化模块、励磁控制模块、信号采集模块、算法模块、存储模块、人机接口模块、存储模块、中断模块、输出模块、通讯模块和看门狗模块。
[0067] 图14所示为本发明系统中的主监控程序流程图。主监控程序是整个系统的总调度程序，是一个死循环，系统一上电就开始工作，进入不断计算和处理的循环中。系统的工作流程为：系统上电后首先进行初始化，初始化完成后启动ADC，ADC开始采样；然后，励磁模块开始工作，通过MSP430单片机发出励磁控制时序控制H桥的通断，从而驱动励磁线圈产生励磁电流。信号采集完成后调用算法模块，先对传感器输出信号进行幅值解调；然后，对解调后的信号进行重构；对重构后的信号进行梳状带通滤波；再进行幅值解调；最后得到瞬时流量和累积流量，并实时显示到液晶。
[0068] 为了降低功耗，采用间歇性励磁的方式激励励磁线圈，产生励磁电流以及对应的传感器输出信号。励磁电流为每周期一次三值波(D1～D4段)，而算法处理所需要的信号为励磁电流的三值波对应的传感器输出信号。因此，每周期仅需要采集与三值波对应的传感器信号，即与励磁电流的三值波(D1～D4段)对应的传感器输出信号采集完成后，ADC停止采样，直到下一个励磁周期的开始，ADC再次开始工作。这种工作方式不仅可以进一步降低功耗，同时也为后续的算法执行和LCD刷新显示留下了充裕的时间。
[0069] 图15所示为本发明系统中的算法流程图。信号采集完成后调用算法模块。算法模块中，首先对采集到的传感器输出信号进行幅值解调，计算出信号的幅值，再根据得到的幅值对信号进行重构，然后对重构后的信号进行梳状带通滤波处理，去除信号中的干扰，再进行幅值解调。最后对幅值解调结果计算，得到瞬时和累积流量。
