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[導(dǎo)讀]摘要:超聲波流量計(jì)因?yàn)榫哂胁唤佑|被測(cè)介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被不斷研究并應(yīng)用在許多領(lǐng)域,發(fā)揮了巨大的作用。設(shè)計(jì)了基于DSP,以多普勒效應(yīng)為原理的超聲波流量計(jì),完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后對(duì)FTR數(shù)字濾波器和FFT算法

摘要:超聲波流量計(jì)因?yàn)榫哂胁唤佑|被測(cè)介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被不斷研究并應(yīng)用在許多領(lǐng)域,發(fā)揮了巨大的作用。設(shè)計(jì)了基于DSP,以多普勒效應(yīng)為原理的超聲波流量計(jì),完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后對(duì)FTR數(shù)字濾波器和FFT算法進(jìn)行了仿真,證明了方案的可行性。
關(guān)鍵詞:多普勒效應(yīng);流量計(jì);DSP;DDS;AVR

    流量測(cè)量與人們的生活息息相關(guān)。早在剛種植農(nóng)產(chǎn)品時(shí),人們就已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注灌溉水的流量測(cè)量了?,F(xiàn)在,流量測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、過(guò)程控制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)中都起著十分重要的作用。
    超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí),就載上流體流速的信息。因此,通過(guò)接收到的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速,從而換算成流量,這就是超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理。使用超聲波流量計(jì),不需要在流體中安裝測(cè)量元件,所以不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài),不產(chǎn)生附加阻力,儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行,因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。
    超聲波流量計(jì)根據(jù)檢測(cè)的方式,可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。其中,超聲波多普勒流量計(jì)除具有一般超聲波儀器的特點(diǎn)外,還有諸多優(yōu)點(diǎn),例如對(duì)流速變化響應(yīng)快,對(duì)流體的壓力、粘度、溫度、密度和導(dǎo)電率等因素不敏感,沒(méi)有零點(diǎn)漂移問(wèn)題,測(cè)量條件不變時(shí)儀表重復(fù)性好,價(jià)格比較便宜等。超聲波多普勒流量計(jì)適用于測(cè)量?jī)上嗔鞯膱?chǎng)合,而能夠用在兩相流場(chǎng)合的流量計(jì)是比較少的。本文采用多普勒法為基本原理,來(lái)研究基于DSP的超聲波流量計(jì)。

1 多普勒法的測(cè)量原理
1.1 工作原理
    多普勒法測(cè)流量的基本原理是:把發(fā)射的超聲波入射到流動(dòng)的流體中,被隨流體一起運(yùn)動(dòng)的顆粒反射到接收器,接收到的反射聲波與發(fā)射聲波之間產(chǎn)生頻率差,這個(gè)頻率差就是多普勒頻移,它正比于流體流速,因此測(cè)量頻差即可求得流速,將測(cè)得的平均流速乘以相應(yīng)的流通截面積即可求得容積流量。
    利用多普勒效應(yīng)測(cè)量的必要條件是:被測(cè)流體中必須有足夠的具有反射本領(lǐng)的顆粒,才能得到一定強(qiáng)度的信號(hào)使儀表正常工作。因此,多普勒超聲波流量計(jì)只有當(dāng)被測(cè)流體中存在一定數(shù)量的懸浮顆粒、氣泡或有反射本領(lǐng)的其他粒子時(shí)才能工作。多普流量計(jì)適用于測(cè)量?jī)上嗔鞯膱?chǎng)合,這正是其他流量計(jì)難以解決的。
1.2 流量方程
    如圖1所示,當(dāng)多普勒流量計(jì)的發(fā)射換能器以一定的角度θ向流體發(fā)射頻率為f1的連續(xù)超聲波時(shí),流體中的懸浮顆粒體將聲波發(fā)射到接收換能器,因?yàn)閼腋☆w粒隨著流體在流動(dòng),所以反射的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移△f。設(shè)頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2,超聲波在被測(cè)流體中的傳播速度(傳聲速度)為c,顆粒反射體以與被測(cè)流體相同的流速μ運(yùn)動(dòng),收、發(fā)兩超聲波束與流體相間的夾角均為θ,則根據(jù)多普勒效應(yīng),多普勒頻移△f用下式表示:
   


    由式(1)可知,多普勒頻移△f與發(fā)射頻率f1及流體流速μ成正比,與介質(zhì)的傳聲速度c成反比。當(dāng)發(fā)射頻率f1與聲速c恒定時(shí),多普勒頻移△f正比于流速μ,即測(cè)量△f可反映流速μ。流速μ與△f的關(guān)系由式(1)可得
   
    式中,S——管道流通截面積。
    式(3)為多普勒流量計(jì)的理論方程式。由此式可知,當(dāng)儀表結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件確定后,頻移與容積流量成正比,測(cè)量頻移可反映流體流量。[!--empirenews.page--]
1.3 工作頻率的確定
    工作頻率是本文研究的流量計(jì)首先考慮的問(wèn)題。流量計(jì)的工作頻率與懸浮粒子的尺寸有重要關(guān)系。在實(shí)際的流體中,粒子的性質(zhì)差別非常大。為了討論簡(jiǎn)單,具有代表性,假定懸浮粒子是一半徑為α的剛性小球,置于超聲波聲場(chǎng)中,超聲波以平面波方式傳播的,在考慮吸收與散射衰減條件下,聲波衰減與振幅、距離有如下關(guān)系:
   
    式中,P0是發(fā)射面處的聲壓,Px是接受面處的聲壓,α為衰減系數(shù)。這里衰減系數(shù)α的大小直接影響超聲波穿透流體的深度。在所研究的含有固體顆粒的流體中,α主要由3種因素形成,即粘滯系數(shù)。摩擦衰減和散射衰減。其中只有散射衰減能形成反射回波,所以主要研究散射衰減。
    本文研究的流量計(jì)的工作頻率的選取應(yīng)使λ>2πα,但也不要過(guò)大,以免只存在繞射。一般選λ/2α的值在幾十至幾百的范圍內(nèi)比較好,這時(shí)由散射產(chǎn)生的輻射能與λ4成正比。實(shí)際測(cè)量時(shí),應(yīng)根據(jù)平均粒徑來(lái)選擇工作頻率。關(guān)于粘滯衰減和摩擦衰減,實(shí)際這兩個(gè)量與流體性質(zhì)、粒子濃度及大小等均有關(guān),他們也會(huì)影響超聲波穿透深度和取樣窗面積大小,即直接影響測(cè)量結(jié)果,不過(guò),一般情況下處于次要地位。對(duì)于氣泡的分析與顆粒結(jié)果類似。工業(yè)測(cè)量中超聲波頻率的選擇在500 kHz~2.5MHz之間。本文研究的超聲波流量計(jì)的工作頻率選擇640kHz。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件主要分為3個(gè)模塊,分別是發(fā)射模塊,接收模塊。處理與控制模塊。圖2為系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖。


2.2 各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)
2.2.1 發(fā)射模塊
    主要由DDS電路、功率放大電路與超聲波換能器組成。
    DDS電路用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的正弦波信號(hào)。DDS,就是直接數(shù)字式合成器,使用DDS可以產(chǎn)生較高純度的源信號(hào)??朔耸褂靡话愕恼也óa(chǎn)生的各種缺點(diǎn)。DDS一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外,DDS的固有特性還包括:相當(dāng)好的頻率和相位分辨率,能夠進(jìn)行快速地信號(hào)交換。DDS在現(xiàn)代電子器件、通信技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)線、PCS/PCN系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。DDS的基本原理是利用采樣定理,通過(guò)查表法產(chǎn)生波形。本文選用的DDS芯片是AD公司的COMS型DDS芯片AD98 50。該芯片最高支持125 MHz的時(shí)鐘頻率,32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或者串行方式裝入。+3.3 V或者+5 V供電,功耗極低。
    AD9850與DSP的連接原理圖如圖3所示。最后AD9850的輸出有OUT1和OUT2,OUT1送入功率放大器用來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器,OUT2與帶通濾波器出來(lái)的信號(hào)一起送入混頻器進(jìn)行混頻。


    由于超聲波在流體中傳播,而流體中有較高的顆粒含量,造成超聲波的衰減較大,所以信號(hào)的功率放大是十分必要的。
    本文所用的超聲波換能器采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu),工作頻率為640 kHz。超聲波振子用圓形的PZT型材料制作,這樣使換能器具有較好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性,需要較小的功率。換能器的晶片應(yīng)與管壁呈45°安裝,這樣的好處是使換能器有較大的透射能力和較高的信噪比。
2.2.2 接收模塊
    接收模塊主要由超聲波換能器、信號(hào)放大電路、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器組成。
    通常接收到的超聲波信號(hào)是非常小的,而一般需要采樣的信號(hào)的幅值是5 V,所以必須對(duì)它進(jìn)行放大。帶通濾波器的作用是以640 kHz為中心頻率,保留640 kHz左右的頻率信號(hào),盡可能減弱干擾信號(hào)?;祛l器的作用是降低信號(hào)頻率,僅保留了發(fā)射的超聲波與接收的超聲波的頻率差,這樣不但降低了采集較高的頻率的成本,不必使用很快的A/D來(lái)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,而且減小了采集到的數(shù)據(jù)的誤差。信號(hào)最后再通過(guò)低通濾波器,減弱混頻產(chǎn)生的高頻干擾。
2.2.3 處理與控制模塊
    處理與控制模塊主要由DSP(TMS320F2812)、AVR(mega16)、液晶、鍵盤組成。
    DSP在整個(gè)處理與控制模塊中起到了關(guān)鍵的作用。它是系統(tǒng)的核心,流速的計(jì)算也是它來(lái)進(jìn)行的。DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)就是具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力,能在較短的時(shí)間里完成復(fù)雜的算法。TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片,最高可在150 MHz主頻下工作。它片內(nèi)集成眾多資源:存儲(chǔ)資源Flash、RAM標(biāo)準(zhǔn)通信接口,如串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)、增強(qiáng)型eCAN總線接口,方便與外設(shè)之間進(jìn)行通信。在TMS320F2812內(nèi)部還集成了一個(gè)12位的ADC轉(zhuǎn)換模塊,最高采樣速率達(dá)12.5 Ms/s;TMS320F2812片上還包括事件管理器(EV)、定時(shí)器、看門狗以及大量的用戶可開(kāi)發(fā)利用的GPIO口等資源。
    從低通濾波器出來(lái)的信號(hào)進(jìn)入到DSP芯片TMS320F2812的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320F2812的ADC的主要功能有;1)12位ADC采樣內(nèi)核包括兩個(gè)采樣保持電路;2)可設(shè)置同步采樣或順序采樣模式;3)模擬輸入電壓:0~3 V;4)ADC工作在25 MHz時(shí)最高轉(zhuǎn)換速率為ADCL K或12.5 MHz;5)16通道,多路輸出;6)排序器可以設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立的8位狀態(tài)排序器,也可以設(shè)置成一個(gè)16狀態(tài)排序器;7)16個(gè)結(jié)果寄存器用與存儲(chǔ)裝換結(jié)果;8)多觸發(fā)源啟動(dòng)轉(zhuǎn)換;9)靈活的中斷控制。TMS320F2812內(nèi)部定時(shí)中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,采集的數(shù)據(jù)送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi),然后TMS320F2812對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波器濾波、FFT變換求其功率譜等處理得到多普勒頻偏值,求得流速。
    AVR通過(guò)SPI從DSP中讀取流速數(shù)據(jù),再根據(jù)用鍵盤設(shè)置的參數(shù)進(jìn)而求得流量,然后在液晶里顯示出來(lái)。
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3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)主要采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫,再設(shè)計(jì)DSP的FFT算法時(shí),可以使用匯編語(yǔ)育和C語(yǔ)言進(jìn)行混合編寫。DSP的編程工具為TI公司推出的CodeComposerStudio(CCS),該工具提供的實(shí)時(shí)分析和數(shù)據(jù)可視化功能把傳統(tǒng)的DSP調(diào)試技術(shù)向前提高了一大步,大大降低了DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。
    軟件設(shè)計(jì)的總體思想是:DSP的作用主要是控制DDS芯片,然后發(fā)射超聲波,對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,計(jì)算頻移進(jìn)而計(jì)算流速。AVR的作用主要是從DSP讀出流速,然后計(jì)算流量。計(jì)算流量所需的管道流通截面積是可以改變的,可以根據(jù)實(shí)際情況用鍵盤進(jìn)行變動(dòng)。軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖4所示。



4 仿真分析
    圖5為FFT運(yùn)算后頻譜的仿真圖,它是在MATLAB上進(jìn)行仿真的,是一組個(gè)數(shù)為128的信號(hào)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FFT算法處理得來(lái)的。這組數(shù)據(jù)的主頻率接近640 kHz,與原始信號(hào)是相符合的。



5 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)了以DSP為核心的趣聲波流量計(jì),完成了整體的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。用DSP來(lái)進(jìn)行流速計(jì)算,保證了計(jì)算的精度和速度;使用AVR來(lái)輔助DSP進(jìn)行控制與處理,一方面分擔(dān)了DSP的工作,加快了數(shù)據(jù)處理速度;另一方面使流通截面積可以變動(dòng),使超聲波流量計(jì)變得更加靈活,用于各種不同管道時(shí)更容易設(shè)置。
    由于水平的限制,本文的系統(tǒng)方案還需要完善和改進(jìn),特別是要在流體測(cè)量溫度對(duì)測(cè)量的影響和流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行分析,這對(duì)于提高超聲波流量計(jì)的精度是十分重膏和必要的。另外,加入另一個(gè)頻率的超聲波收發(fā)處理模塊,組成雙頻的超聲波流量計(jì),也能很好的提高精度。

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