【文章內(nèi)容簡介】 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。因此對于每個(gè)接收到的數(shù)據(jù)只能讀一次！更重要的是錯誤標(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寄存器之前訪問狀態(tài)標(biāo)志位。否則將丟失錯誤狀態(tài)。（2）接收移位寄存器可以作為第三級緩沖。在兩個(gè)緩沖器都沒有空的時(shí)候，數(shù)據(jù)可以保存于串行移位寄存器之中，直到檢測到新的起始位。從而增強(qiáng)了USART抵抗數(shù)據(jù)過速(DOR)的能力。下面的控制位的名稱做了改動，但其功能和在寄存器中的位置并沒有改變：（1）CHR9改為UCSZ2。（2）OR改為DOR。u 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)，會自動裝入U(xiǎn)BRR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。 3 超聲波流量計(jì)的信號處理 超聲波信號處理模塊數(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，首先對超聲波流量計(jì)接收到的信號進(jìn)行濾波處理，對信號進(jìn)行濾波不僅僅可以提高信號的信噪比，同時(shí)也提高了信號的FFT精度。對信號進(jìn)行濾波后緊接著對信號實(shí)現(xiàn)FFT，得到信號的頻譜圖。從信號的頻譜圖上對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理就可以得到信號相應(yīng)的頻偏值，最后求取所需要的各種數(shù)據(jù)量。 信號處理模塊涉及到的理論知識 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)用于離散信號的數(shù)字信號處理過程?？焖俑道锶~變換可以完成把離散時(shí)域信號到頻域信號的轉(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)間序列的長度。雖然傅里葉變換是數(shù)字信號處理（DSP）中進(jìn)行信號分析時(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，就不會適合于需要告訴運(yùn)行的嵌入式控制系統(tǒng)中。快速傅里葉變換（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1/2Nlog2N次乘法操作。這就成為了DSP的基本工具并且推動了DSP的迅速發(fā)展。FFT隨之也成為了對數(shù)字器件與系統(tǒng)性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。伴隨著FFT技術(shù)的的廣泛應(yīng)用，后來的人們在其基礎(chǔ)上做了大量的工作來改善其性能。具體可以分為兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是針對算法的改進(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。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。對于長度為n的有限長離散數(shù)字信號序列,0nN1，它的離散譜可以通過離散傅里葉變換(DFT)得到。DFT的定義為: () n=0,1,2,，N1； k=0,1,2,，N1 令 ,上面的式子可以簡寫成下面的形式： () k=0,1,2,，N1； 從中可以看出，蝶形因子具有下面的特性： 的周期性：； （） 的對稱性：； （） 從上述DFT的定義可以看出，在是復(fù)數(shù)的情況下，直接計(jì)算N點(diǎn)DFT需要次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。所以對于一個(gè)數(shù)字比較大的N之來說，直接進(jìn)行DFT需要很大的計(jì)算量?？焖俑道锶~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長度為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簡單的組合起來就得到原來沒有分的DFT。如果N是偶數(shù)，那么原來的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)分別為的偶數(shù)項(xiàng)和奇數(shù)項(xiàng)的（N/2）點(diǎn)序列和。有： n=0,1,2,，N/21 （） n=0,1,2,，N/21 （）那么的N點(diǎn)DFT可以寫成： （）又因?yàn)椋? ()： （） 上式（）中的和分別是和點(diǎn)的DFT。(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被分成兩個(gè)序列，它們的范圍分別是：和。對于后一序列，的表達(dá)式可以寫成： ()又因?yàn)椋? () （）所以式（）可以簡化成： （） k=0,1,2,，（N/2)1；PP+Q 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。： Q P+Q 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，還是輸入的時(shí)間序列x(n)不斷分級，計(jì)算FFT通常有兩種方法：（1） 按照頻域抽取算法，在FFT分級的過程中，每一級都要把輸出的頻域序列分割成較小的序列來進(jìn)行處理。（2） 按照時(shí)間抽取算法，在FFT分級過程中，每一級都要把輸入的時(shí)間序列分成較小的序列來處理。也就是說在每一級都要對輸入的序列進(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)致在編程的過程中要注意順序問題，應(yīng)該注意。 綜上所述，下面給出了8點(diǎn)DFT蝶形信號流圖。（FFT）。 圖34 8點(diǎn)蝶形信號流圖 圖35 8點(diǎn)DFT逐級分解的框圖 快速傅里葉變換（FFT）譜分析技術(shù)的使用，推動了多普勒超聲波流量計(jì)測量方法的真正進(jìn)步。使用FFT法來分析發(fā)射波的波譜，就可以分辨出來哪一個(gè)頻率是由干擾噪聲所引起的，哪一個(gè)才是真正的由被測流體流速信號引起的，這就極大地增強(qiáng)了多普勒超聲波流量計(jì)對各種頻率成分的分辨能力。 低通濾波器數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)要經(jīng)過如下三個(gè)步驟： (1)確定指標(biāo)在設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實(shí)際的需要來確定濾波器的計(jì)數(shù)指標(biāo)。在很多的實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來實(shí)現(xiàn)選頻功能。所以，指標(biāo)的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。(2)模型逼近 一旦確定了技術(shù)指標(biāo),就可利用已學(xué)習(xí)過的基本原理和關(guān)系式,提出一個(gè)濾波器模型來逼近給定的指標(biāo)體系。這是濾波器設(shè)計(jì)所要研究的主要問題。(3)實(shí)現(xiàn)性能分析和計(jì)算機(jī)仿真以上兩步的結(jié)果得到的濾波器，通常是以差分方程、系統(tǒng)函數(shù)或脈沖響應(yīng)描述的。根據(jù)這個(gè)描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足指標(biāo)要求或者利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的濾波器,再分析濾波結(jié)果來斷。想要提高快速傅里葉變換（FFT）算法計(jì)算的精度，就要提高信號的信噪比，那么這就需要對信號進(jìn)行再次濾波，本系統(tǒng)采用的是巴特沃斯低通數(shù)字濾波器。 巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種，特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（StephenButterworth）在1930年發(fā)表在英國《無線電工程》期刊的一篇論文中提出的，可以構(gòu)成低通、高通、帶通和帶阻四種組態(tài)，是目前最為流行的