【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)生器和用于處理不同楨結(jié)構(gòu)的控制邏輯電路構(gòu)成。使用寫入緩沖器，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)發(fā)送多幀數(shù)據(jù)無(wú)延時(shí)的通信。 接收器是 USART 模塊最復(fù)雜的部分，最主要的是時(shí)鐘和數(shù)據(jù)接收單元。數(shù)據(jù)接收單元用作異步數(shù)據(jù)的接收。除了接收單元，接收器還包括校驗(yàn)位校驗(yàn)器、控制邏輯、移位寄存器和兩級(jí)接收緩沖器（接收 UDR）。接收器支持與發(fā)送器相同的楨結(jié)構(gòu) ， 同時(shí)支持楨錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)溢出和校驗(yàn)錯(cuò)誤的檢測(cè)。 ? 與 UART 兼 容性 AVR USART 和 AVR UART 兼容性 USART 在如下方面與 AVR UART 完全兼容： （ 1） 所有 USART 寄存器的位定義。 （ 2） 波特率發(fā)生器。 （ 3） 發(fā)送器操作。 （ 4） 發(fā)送緩沖器的功能。 （ 5） 接收器操作。 然而，接收器緩沖器有兩個(gè)方面的改進(jìn)，在某些特殊情況下會(huì)影響兼容性： （ 1） 增加了一個(gè)緩沖器。兩個(gè)緩沖器的操作好象是一個(gè)循環(huán)的 FIFO。因此對(duì)于每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)只能讀一次！更重要的是錯(cuò)誤標(biāo)志 FE 和 DOR，以及第 9個(gè)數(shù)據(jù)位 RXB8 與數(shù) 據(jù)一起存放于接收緩沖器。因此必須在讀取 UDR 寄存器之前訪問(wèn)狀態(tài)標(biāo)志位。否則將丟失錯(cuò)誤狀態(tài)。 （ 2） 接收移位寄存器可以作為第三級(jí)緩沖。在兩個(gè)緩沖器都沒(méi)有空的時(shí)候，數(shù)據(jù)可以保存于串行移位寄存器之中，直到檢測(cè)到新的起始位。從而增強(qiáng)了USART 抵抗數(shù)據(jù)過(guò)速 (DOR) 的能力。 下面的控制位的名稱做了改動(dòng)，但其功能和在寄存器中的位置并沒(méi)有改變： （ 1） CHR9 改為 UCSZ2。 （ 2） OR 改為 DOR。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 ? 時(shí)鐘產(chǎn)生邏輯為發(fā)送器和接收器產(chǎn)生基礎(chǔ)時(shí)鐘。 USART 支持 4 種模式的時(shí)鐘：正常的異步模式，倍速的異 步模式，主機(jī)同步模式，以及從機(jī)同步模式。USART 控制位 UMSEL和狀態(tài)寄存器 C(UCSRC)用于選擇異步模式和同步模式。倍速模式 (只適用于異步模式 )受控于 UCSRA 寄存器的 U2X。 使用同步模式(UMSEL=1)時(shí)， XCK 的數(shù)據(jù)方向寄存器 (DDR_XCK)決定時(shí)鐘源是由內(nèi)部產(chǎn)生(主機(jī)模式 )還是由外部生產(chǎn) (從機(jī)模式 )。僅在同步模式下 XCK有效。 片內(nèi)時(shí)鐘產(chǎn)生－波特率發(fā)生器內(nèi)部時(shí)鐘用于異步模式與同步主機(jī)模式。USART 的波特率寄存器 UBRR 和降序計(jì)數(shù)器相連接，一起構(gòu)成可編程的預(yù)分頻器或波特率發(fā)生器。降 序計(jì)數(shù)器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，當(dāng)其計(jì)數(shù)到零或 UBRRL 寄存器被寫時(shí)，會(huì)自動(dòng)裝入 UBRR 寄存器的值。當(dāng)計(jì)數(shù)到零時(shí)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘，該時(shí)鐘作為波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘，輸出時(shí)鐘的頻率為 fosc/(UBRR+1)。 發(fā)生器對(duì)波特率發(fā)生器的輸出時(shí)鐘進(jìn)行 8或 16 的分頻，具體情況取決于工作模式。波特率發(fā)生器的輸出被直接用于接收器與數(shù)據(jù)恢復(fù)單元。數(shù)據(jù)恢復(fù)單元使用了一個(gè)有 8 或 16 個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī) ， 具體狀態(tài)數(shù)由 UMSEL、 U2X 與 DDR_XCK 位設(shè)定的工作模式?jīng)Q定 。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 3 超聲波流量計(jì)的信號(hào)處理 超聲波信號(hào)處理模塊 數(shù)字處理模塊是軟件系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)的處理方法的選擇，對(duì)系統(tǒng)的精度和效率有著直接的關(guān)系。在本系統(tǒng)中，首先對(duì)超聲波流量計(jì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波不僅僅可以提高信號(hào)的信噪比，同時(shí)也提高了信號(hào)的FFT 精度。對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波后緊接著對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn) FFT，得到信號(hào)的頻譜圖。從信號(hào)的頻譜圖上對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理就可以得到信號(hào)相應(yīng)的頻偏值，最后求取所需要的各種數(shù)據(jù)量。 信號(hào)處理模塊涉及到的理論知識(shí) 快速傅里葉變換（ FFT）原理 目前離散傅里葉變換（ FFT）方法被廣泛的應(yīng)用于離散信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程?？焖俑道锶~變換可以完成把離散時(shí)域信號(hào)到頻域信號(hào)的轉(zhuǎn)換。直接 DFT運(yùn)算需要的操作約為 N2次，其中的 N 表示采樣時(shí)間序列的長(zhǎng)度。 雖然傅里葉變換是數(shù)字信號(hào)處理（ DSP）中進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)常采用的一種方法。但是如果只是采用常規(guī)的傅里葉變換，那么給算法的運(yùn)算量是非常大的，就不會(huì)適合于需要告訴運(yùn)行的嵌入式控制系統(tǒng)中?？焖俑道锶~變換（ FFT）是在 60年代由 Tuckey 和 Cooley 提出的，這種算法明顯的降低了運(yùn)算量，因?yàn)檫@種算法只需要 1/2? N? log2N 次乘法操作。這就成為了 DSP 的基本工具并且推動(dòng)了 DSP的迅速發(fā)展。 FFT 隨之也成為了對(duì)數(shù)字器件與系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。伴隨著FFT技術(shù)的的廣泛應(yīng)用，后來(lái)的人們?cè)谄浠A(chǔ)上做了大量的工作來(lái)改善其性能。具體可以分為兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是針對(duì)算法的改進(jìn)；另外一點(diǎn)是關(guān)于硬件的改進(jìn)。人們已經(jīng)研究出了在不增加存儲(chǔ)內(nèi)容的前提下提高其運(yùn)算速度的算法。并且 大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者也在不斷的改善系統(tǒng)的性能，這就為 FFT 的應(yīng)用提供了方便。 TI公司的 DSP芯片的發(fā)展就充分的體現(xiàn)了這種趨勢(shì)。這個(gè)系列的芯片為 FFT運(yùn)算的混序操作提供了發(fā)序的尋址方式。在總線管理和結(jié)構(gòu)上也為 N 值較大的FFT 運(yùn)算提供了更大的容量和更快的吞吐速度。而且還提供了并行操作指令，這就為 FFT 編程提供了方便，使實(shí)現(xiàn)速度更快。 對(duì)于長(zhǎng)度為 n的有限長(zhǎng)離散數(shù)字信號(hào)序列 ? ?? ?nT? ,0? n? N1，它的離散譜可以通過(guò)離散傅里葉變換 (DFT)得到。 DFT 的定義為 : 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 (式 ) n=0,1,2,， N1； k=0,1,2,， N1 令 ,上面的式子可以簡(jiǎn)寫成下面的形式： nkNNn WnxX ????10 )()k( (式 ) k=0,1,2,， N1； 從中可以看出，蝶形因子 NW 具有下面的特性： NW 的周期性： nNkNnNNknN WWW )()(k ?? ?? ； （式 ） NW 的對(duì)稱性： knNNknNknN WWWW ??? 2)2( ； （式 ） 從上述 DFT 的定義可以看出，在 ??n? 是復(fù)數(shù)的情況下，直接計(jì)算 N 點(diǎn) DFT需要 21）（ ?N 次復(fù)數(shù) 乘法運(yùn)算和 )1( ?? NN 次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。所以對(duì)于一個(gè)數(shù)字比較大的 N 之來(lái)說(shuō)，直接進(jìn)行 DFT 需要很大的計(jì)算量。 快速傅里葉變換（ FFT）是離散傅里葉變換（ DFT）的一種快速算法。其基本思想是把原來(lái)長(zhǎng)度為 N 點(diǎn)的序列分成兩個(gè)比較短的序列，這兩個(gè)序列的 DFT簡(jiǎn)單的組合起來(lái)就得到原來(lái)沒(méi)有分的 DFT。如果 N 是偶數(shù)，那么原來(lái)的 N 點(diǎn)序列將被分成兩個(gè)大小為 N/2 點(diǎn)的序列，那么計(jì)算 N 點(diǎn)的 DFT 就只需要大約 N/2點(diǎn)的 DFT 所要進(jìn)行的乘法次數(shù)，乘數(shù) 2 代表必須完成兩 個(gè) DFT。此方法可以反復(fù)使用，如果 N/2 也為偶數(shù)，那么 N/2 點(diǎn)的 DFT 計(jì)算也可以簡(jiǎn)化為 N/4點(diǎn)的 DFT，這就減少了一半的乘法運(yùn)算。 那么，定義兩個(gè)分別為 ??n? 的偶數(shù)項(xiàng)和奇數(shù)項(xiàng)的（ N/2）點(diǎn)序列 ??n1? 和 ??n2? 。有： ? ? ? ?n2n1 ?? ? n=0,1,2,， N/21 （式 ） ? ? ? ?122 ?? nn ?? n=0,1,2,， N/21 （式 ） 那么 ??? ?n? 的 N 點(diǎn) DFT 可以寫成： NjN eW ?2??knNjNn enTxkX?210 )()(?????? ? ? ? ? ? ? ?1n212 0212 0 122 ????? ?? ??? NNnnkNNn WnWnk ???西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 （式 ） 又因?yàn)?： (式 ) 所以上時(shí) 可以變換為下式： ? ? ? ?kZWY kN?? k （式 ） 上式（ ）中的 ??kY 和 ??kZ 分別是 ??n1? 和 ??n2? 點(diǎn)的 DFT。下圖 用流程圖來(lái)表述兩個(gè) (N/2)點(diǎn) DFT 變換計(jì)算 N 點(diǎn)的 DFT 的方法： 圖 32 兩個(gè)（ N/2）點(diǎn) DFT變換計(jì)算 N點(diǎn) DFT流程圖 從上面的流程圖可以看出 ??k? 被分成兩個(gè)序列，它們的范圍分別是：? ? 120 Nk ?? 和 ? ? ? ?12 ??? NkN 。對(duì)于后一序列， ??k? 的表達(dá)式可以寫成： (式 ) 又因?yàn)椋? (式 ) kNjNNN WeWW ??? ?? ?k2k （式 ） 所以式（ ）可以簡(jiǎn)化成： ? ?? ? ? ?? ?nkNn NkNnkNNnWnWWn ?? ??????? 12022120122 ??? ? ? ? 1222222 NNjNjN WeeW ??????????????????? ??? ? ? ? ? ? nkNN nkNnkNNn WnWWnk 2`12 0212 0 122 ?? ???? ??? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2212 022212 0 1222 NknNNnNkNNknNNn WnWWnNk ??????? ?? ???? ???? ? ? ? nkNnkNnjnkNNnNNknN WWeWWW 22222222 ??? ?? ?西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 ? ? ? ?kZWkY kN?? （式 ） k=0,1,2,，（ N/2)1； 這樣就形成了一種類似于蝴蝶形狀狀的運(yùn)算，稱之為蝶形運(yùn)算。 如下圖： P+Q kNW 圖 33 蝶形運(yùn)算圖 看是否是把輸出的頻域序列 x(k)不斷分級(jí)，還是輸入的時(shí)間序列 x(n)不斷分級(jí)，計(jì)算 FFT 通常有兩種方法： （ 1） 按照頻域抽取算法，在 FFT 分級(jí)的過(guò)程中，每一級(jí)都要把輸出的頻域序列分割成較小的序列來(lái)進(jìn)行處理。 （ 2） 按照時(shí)間抽取算法，在 FFT 分級(jí)過(guò)程中，每一級(jí)都要把輸 入的時(shí)間序列分成較小的序列來(lái)處理。也就是說(shuō)在每一級(jí)都要對(duì)輸入的序列進(jìn)行抽取。 這兩種類型的算法區(qū)別在于：首先，對(duì)于按照時(shí)間抽取算法，其輸入的是混序，但是輸出的是按照自然順序序列，但是按照頻率抽取算法，其輸入的是順序的，輸出是混序的；其次差異在于按照頻率抽取算法中的復(fù)數(shù)的乘法是在加法之后，這就導(dǎo)致在編程的過(guò)程中要注意順序問(wèn)題，應(yīng)該注意。 綜上所述，下面給出了 8 點(diǎn) DFT 蝶形信號(hào)流圖。如圖 所示，其逐級(jí)分解的框圖如圖 。通過(guò)圖 （ FFT）。 圖 34 8 點(diǎn)蝶形信號(hào)流圖 ? ? ? ? ? ? nkNNkNnkNNn WnWWnNk 220n220 1222 ?? ?? ???? ??? P+Q kNW P Q kNW 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 35 8 點(diǎn) DFT逐級(jí)分解的框圖 快速傅里葉變換（ FFT） 譜分析技術(shù)的使用，推動(dòng)了多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)量方法的真正進(jìn)步。使用 FFT 法來(lái)分析發(fā)射波的波譜，就可以分辨出來(lái)哪一個(gè)