【文章內(nèi)容簡介】 的影響不大。圖2 單位PRBS的自相關(guān)函數(shù)及其調(diào)制信號頻譜, PRBS周期為127，載波頻率是1MHz (a) 63位PRBS； (b)PRBS自相關(guān)函數(shù)；(c) PRBS調(diào)制信號；(d)PRBS調(diào)制信號的頻譜圖3 LFM的自相關(guān)函數(shù)及其頻譜 (a)LFM信號；(b)自相關(guān)函數(shù)；(c) LFM的Fourier變換幅度圖4 DRLFM的自相關(guān)函數(shù)及其Fourier變換模 圖5 系統(tǒng)硬件方案前面已經(jīng)簡單地給出了系統(tǒng)方案，這里再詳細(xì)地給出系統(tǒng)的硬件方案，如圖所示，系統(tǒng)分成三個部分：以模擬電路為主的前端電路，以DSP為核心的信號處理電路，以MCU為核心的后端服務(wù)電路。下面將詳細(xì)的介紹各部分的硬件組成和功能。這一部分的作用是用來切換兩個探頭和發(fā)射、接收電路之間的連接的。作為對模擬信號的切換，可以有以下三個方案可以選擇。（1）用繼電器進(jìn)行切換。當(dāng)信號接通后，由于繼電器實際上就是導(dǎo)線，所以不存在信號失真的現(xiàn)象。但繼電器的開關(guān)頻率有限，而且有一定的總開關(guān)次數(shù)限制，一般在100萬次。（2）采用模擬開關(guān)。起初作者采用了這種方案，模擬開關(guān)開關(guān)頻率高， CMOS模擬開關(guān)不行，CMOS開關(guān)頻率在1MHz，不適用于中心頻率為1MHz的超聲波電路。在實用的時候發(fā)現(xiàn)，由于切換的雙方是接收到的微弱的超聲信號和用于發(fā)射的高壓信號，難以找到既能夠承受高壓又能使得傳輸?shù)奈⑷跣盘柺д孑^小的芯片，所以最終放棄了此方案。（3）采用分立元器件，利用二極管的開關(guān)特性來控制開關(guān)。這種方法能夠有很高的開關(guān)頻率，能承受高壓，但作者在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)信號失真太大，估計跟發(fā)射信號的功率有關(guān)。鑒于以上原因，作者暫時選用了繼電器方案，這樣可以簡化項目的難度，而且控制繼電器開關(guān)所需要的12V電平，發(fā)射電路中的CD4504正好能夠提供。系統(tǒng)中接收到的超聲波信號有以下特點：～10mV，而一般ADC需要采樣的信號的最大幅值為5V，所以得要放大54dB～94dB，即放大電路的增益為74dB177。20dB； MHz為中心的窄帶信號；由于后續(xù)信號處理采用的是相關(guān)算法，所以對放大電路的抗干擾要求不高；鑒于以上特點，作者提出了一種可控諧振三級放大電路的方案。其中前兩節(jié)是以MAX435/436為核心的固定諧振放大電路，第三級是以AD603為核心的可程控增益放大電路?？紤]ADC603，可以實現(xiàn)177。20dB的變換。這樣MAX43MAX436兩級得要放大74dB，每一級需要37dB即可?！?0mv之間，則需要通過手工調(diào)節(jié)可變電阻來實現(xiàn)。由于超聲是一個窄帶信號，基本滿足每一級37dB的要求，即使實際中不滿足，可以通過調(diào)節(jié)RSET或者RL來達(dá)到目的。所以利用MAX435/436諧振放大器的功能來實現(xiàn)超聲信號的前兩級的固定增益放大的方案是可行的。采用MAX435/436構(gòu)成放大電路的原理圖。為了防止過壓，在輸入端應(yīng)該加一對二極管用以電路的保護(hù)。該電路能很好的對1 MHz的窄帶信號進(jìn)行諧振放大作用。圖6 放大電路原理圖考慮到采樣頻率等因素，采用TLC876(ADC器件,采樣頻率fs=20Msps/12bit)的高速信號采集電路，用于對超聲信號的回波進(jìn)行采集。本文設(shè)計的采樣頻率為1MHz，綜合考慮整個系統(tǒng)的成本和精度要求，作出的設(shè)計圖如下：圖7 TLC876的應(yīng)用 DSP系統(tǒng)設(shè)計DSP5416具有先進(jìn)的多總線 結(jié) 構(gòu)具有三個 只讀 的 16 位數(shù)據(jù)存儲器總線和 內(nèi)存總線的一個程序 。40 位算術(shù)邏輯單元（ ALU ） ，包括 一個 40 位 圓柱形 移位器和兩個獨立的蓄電池。1717 位并行乘法器耦合到一個40位非流水線單周期的累加器中。比較、選擇和儲存單位是為了加法/比較選擇的維特比運算。指數(shù)編碼器計算的是一個周期內(nèi)指數(shù)為一個40位累加器的值。 兩個地址發(fā)生器和八個輔助寄存器以及兩個輔助算術(shù)寄存器單位。數(shù)據(jù)總線具有一個所有總線的特征。擴(kuò)展尋址模式為8M的16位最大外部尋址程序空間。128K的16位片內(nèi)RAM組成8塊8K的16位上ChipDual 接入程序 / 數(shù)據(jù)RAM，8塊8K的16位上Chipsingle 接入程序RAM。16K 16位片上ROM的內(nèi)存為了記憶程序，還具有增強(qiáng)外部并行接口 。 圖8 DSP最小系統(tǒng)原理圖FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）與CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）都是可編程邏輯器件，作者根據(jù)現(xiàn)有條件選用了CPLD。CPLD在系統(tǒng)中的作用：（1）為DSP以及單片機(jī)的譯碼，以實現(xiàn)DSP、單片機(jī)系統(tǒng)的完整性；（2）為串行接口的DAC提供并串轉(zhuǎn)換功能，使得DAC直接映射成DSP、MCU的一個寄存器，從而簡化了系統(tǒng)對DAC控制；（3）為整個系統(tǒng)設(shè)計一個全局控制器，這樣使整個系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)的運行，同時使得DSP能專一處理流速的計算。圖9 驅(qū)動信號產(chǎn)生、信號采集部分原理圖4. 超聲流量計軟件設(shè)計的開發(fā) CCS軟件的使用CCS是TI公司開發(fā)的一個集編輯、編譯、調(diào)試等功能為一體的DSP開發(fā)工具。在CCS中，源代碼的書寫有一定的格式。每一行代碼分為三個區(qū)：標(biāo)號區(qū)、指令區(qū)和注釋區(qū)。標(biāo)號區(qū)必須頂格寫，主要是定義變量、常量、程序標(biāo)簽名稱。指令區(qū)位于標(biāo)號區(qū)之后，以空格或TAB隔開。如果沒有標(biāo)號，也必須在指令前加上空格或TAB，不能頂格。注釋區(qū)在標(biāo)號區(qū)之后，以分好開始。注釋區(qū)前面可以沒有標(biāo)號區(qū)或指令區(qū)。另外還有專門的注釋行，以*打頭，必須頂格開始。一般區(qū)分大小寫，除非加編譯參數(shù)忽略大小寫。一個完整的DSP程序至少包含三個部分：程序代碼、中斷向量表、鏈接配置文件。鏈接配置文件確定了程序鏈接成最終可執(zhí)行代碼時的選項，其中有很多條目，實現(xiàn)不同方面的功能，其中最常用的是，存儲器的分配，指定程序入口。打開CCS并建立一個新的空工程，輸入源代碼文件以及鏈接配置文件，并將這些文件加入到工程中。選擇ProjectOptions來對工程進(jìn)行設(shè)置。輸入程序后，選擇ProjectBuild來編譯生成的工程；修改程序中的錯誤，直到編譯成功。編譯成功后，我們可以選擇Debugrun運行程序，觀察運行的結(jié)果。從相關(guān)法測量原理可知，相關(guān)法測量流量的精度取決于相關(guān)器測量時延的精度，亦即取決于相關(guān)函數(shù)峰值點位置的測量精度，而與相關(guān)函數(shù)絕對值的大小無關(guān)。因此，應(yīng)用相關(guān)法測量流速的關(guān)鍵問題之一是研制或配備時延分辨率高、實時性強(qiáng)、成本低的數(shù)字式相關(guān)儀。 如果從上、下游傳感器獲得的流動噪聲信號和可以分別看作是來自個態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程和的兩個樣本函數(shù)，則它們的互相關(guān)函數(shù)為:從理淪上說，隨機(jī)流動噪聲信號和之間的互相關(guān)函數(shù)應(yīng)在無限大的時間平均下求得。然而，在實際系統(tǒng)中，為了滿足實時性的要求，上、下游流動噪聲信號和之間的互相關(guān)函數(shù)的運算只允許在有限的時間間隔內(nèi)進(jìn)行。從上式可以看出，在數(shù)字式相關(guān)器中為完成延時值為:的互相關(guān)函數(shù)次乘法和次加法運算。如果希望得到個不同延時值下的互相關(guān)函數(shù)，就需完成次加法和次乘法計算。因此，為了增加相關(guān)函數(shù)測量的實時性，對數(shù)字相關(guān)器中乘法和加法運算速度的要求是相當(dāng)高的。將上游傳感器測得的信號和下游傳感器測得的信號做互相關(guān)運算，得到的互相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為：其中，為測量時間，為時延值。計算互相關(guān)函數(shù)就是在不同時延值下比較這兩個信號的波形相似程度，得到互相關(guān)函數(shù)的圖形，該圖形的峰值位置所對應(yīng)的時間位移就是隨機(jī)信號在兩個傳感器之間的距中的傳遞時間，即渡越時間?？紤]到進(jìn)行相關(guān)運算和處理的都是數(shù)字電路，所以當(dāng)算法采用直接幅值相關(guān)法，應(yīng)將上面的公式離散化，得：其中，且，是采樣間隔，其值為采樣時間除以采樣點數(shù)。使用直接幅值相關(guān)法，完成一次相關(guān)運算的計算量是非常大的，可以用下述方法來估計。以數(shù)字相關(guān)器為例，為了完成某一固定下的相關(guān)函數(shù)估計值的計算，需要進(jìn)行次乘法和次加法。如果希望得到個不同延時值下的互相關(guān)函數(shù)，就需要完成次乘法和次加法計算。這對硬件的要求非常得高，如果要保證測量精度，則要犧牲相關(guān)測量的實時性。故放棄。從以上敘述可以看出，傳統(tǒng)相關(guān)器的設(shè)計是基于時域的計算方法，為了簡化計算，一般采用極性相關(guān)，為了減小