【正文】 f1=1*10^3。 grid on。)。頻率 /kHz39。 mag=abs(y1)。 N=4096。 subplot(3,1,3)。 plot(W,abs(H))。 [B,A]=butter(N,wc)。 title(39。 Rp=1。 t=1/fs:N。 [19] 袁波 ,楊衍明 ,高精度測(cè)量中選頻網(wǎng)絡(luò)及超聲信號(hào)的放大電路 ,電子技術(shù)， 1997 年第 4期 ,PPS 一 9。 [15] 應(yīng)懷樵編著 ,波形和頻譜分析與隨機(jī)數(shù)據(jù)處理 ,1985,中國(guó)鐵道出版社。 [11] 吳湘淇編著 ,信號(hào)、系統(tǒng)與信號(hào)處理 ,1996,電子工業(yè)出版社。 [7] 樓順天等著 ,MATLAB 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 ,1997,西安電子科技大學(xué)出版社。 [3] 萬(wàn)明習(xí)等著 ,醫(yī)學(xué)超聲學(xué) ,1992,西安交通大學(xué)出版社。在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯謝意！同時(shí) 也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。我不是您 們 最出色的學(xué)生，而您 們 卻是我最尊敬的老師。沿著這個(gè)方向來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行處理，再結(jié)合水聲物理、流體的分布、傳感器以及傳感器的安 裝等方面的研究，相信在不久的將來(lái)，就可以設(shè)計(jì)出一個(gè)具有更高精度的多普勒超聲波流量計(jì)。本文介紹了仿真軟件 MATLAB，而且對(duì)于在利用軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理過(guò)程中要用到的理論知識(shí)，例如 FFT、采樣以及基于 MATLAB 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹。從多普勒超聲波 流量計(jì)測(cè)量的過(guò)程來(lái)看，對(duì)于超聲波流量計(jì)信號(hào)處理的模塊在整個(gè)超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。 運(yùn)行的結(jié)果如下： ma= I= 401 f= u= 從程序運(yùn)行的結(jié)果可以看出， 經(jīng)過(guò) FFT 之后找出多普勒最大峰值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)數(shù)，結(jié)果是 I=401，接著計(jì)算出多普勒超聲波流量計(jì)的頻移是 f=，最后計(jì)算出被測(cè)流體的流 速 大小是 u=。 c=1500。N=409639。 ylabel(39。 figure(1) plot(f,mag)。 t=1:128。 仿真的結(jié)果如下： 圖 44 經(jīng)過(guò) FFT后信號(hào)的頻譜圖 找出相應(yīng)的頻偏值并計(jì)算出流體流速 對(duì)信號(hào)進(jìn)行了濾波， fft 之后，就能夠得到其功率譜圖，通過(guò)適當(dāng)?shù)木幊虒?shí)現(xiàn)在圖中得到最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)的值，完了再結(jié)合譜的分辨率計(jì)算出多普勒頻移，最后通過(guò)超聲波流量計(jì)流量的計(jì)算公式算出被測(cè)流體的流量。 title(39。)。 f=n*fs/N。 n=0:N1。 plot(t,y) title(39。 title(39。 [H,W]=freqz(B,A)。輸入信號(hào) 39。 As=30。 x=5*sin(2*pi*10*t)+5*sin(2*pi**t)+5*sin(2*pi**t)。)。 Figure（ 1） 。 As=30。 t=1:128。所以，對(duì)于信號(hào)處理的程序設(shè)計(jì)流圖如下： 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 41 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的流程圖 對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波 本文中對(duì)于超聲波流量計(jì)接收到的信號(hào)進(jìn)行了濾波，濾波器采用的是巴特沃斯低通濾波器。 （ 7）專用模型庫(kù)（ Blocksets）； Simulink 的模型庫(kù)可以使用專用模塊集進(jìn)一步擴(kuò)展。 （ 5）能夠擴(kuò)充和定制。 Simulink 框圖提供了 具有很強(qiáng)交互性的線性 /非線性的仿真環(huán)境。 MATLAB 的交互仿真，可以立即條用參數(shù)和顯示結(jié)果；對(duì)于不同的系統(tǒng)可以設(shè)置不同的積分方法；方便準(zhǔn)確的模型線性化手段；Monte Carlo 仿真；求解穩(wěn)態(tài)解，并且確定穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)；特殊功能的子程序；邏輯流程子系統(tǒng)以及條件執(zhí)行子系統(tǒng)；運(yùn)行時(shí)模型系統(tǒng)。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 通過(guò)“子系統(tǒng)”進(jìn)行結(jié)構(gòu)化建模，也可以由模型瀏覽器看各個(gè)層次。也是一個(gè)通過(guò)鼠標(biāo)拖放的方式建立所需系統(tǒng)的框圖模型的圖形交互平臺(tái)。因此， MATLAB 軟件廣泛的應(yīng)用于下面的領(lǐng)域：數(shù)學(xué)建模與分析、信號(hào)的處理、圖像處理與地理信息。 （ 6） 特殊應(yīng)用工具箱。具有靈活的開(kāi)發(fā)性能，可以與 C、 C ++ 、 Java、Fortran、 COM 組件及 Excle 集成使用?；旧纤械?MATLAB 工具箱的函數(shù)都是通過(guò)使用這個(gè) M語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。例如： JPEG、 BMP、 AVI、 TIFF 等；軟件支持的 OpenGL渲染；多種光源的設(shè)置、照相機(jī)以及透視控制；能夠打印或?qū)С鰯?shù)據(jù)的圖形文件到其他的應(yīng)用程序中去，例如 Word and PowerPoint，完成開(kāi)發(fā)結(jié)果的共享。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 （ 2） 數(shù)據(jù)的可視化。使用這些函數(shù)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和解答，不管是提出問(wèn)題還是結(jié)果的表達(dá)都能采用大家習(xí)慣的數(shù) 學(xué)描述方式，這個(gè)特點(diǎn)使 MATLAB 成為了算法開(kāi)發(fā)、數(shù)學(xué)分析以及應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的良好環(huán)境。其中 MATLAB 主程序又包括 MATLAB語(yǔ)言、工作環(huán)境、數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、句柄圖形以及應(yīng)用程序接口五部分； Simulink 主要用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互式系統(tǒng)，其允許用戶在屏幕上通過(guò)繪制框圖來(lái)模擬一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)能夠動(dòng)態(tài)的控制這個(gè)系統(tǒng)；工具箱實(shí)際 上就是用 MATLAB 基本語(yǔ)句編寫成的各種子程序的集合和函數(shù)庫(kù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)某一類的算法或者解決某一方面的特定的問(wèn)題，其是開(kāi)放性的，可以使用同時(shí)也能根據(jù)自己的需求進(jìn)行擴(kuò)展。是一種比較科學(xué)的計(jì)算軟件，是以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)的。一個(gè)信號(hào)的頻譜在區(qū)間（ m??, m ）以外為零的頻帶有限信號(hào) ??tf ，可以唯一的通過(guò)在均勻間隔 ST 上的樣點(diǎn)值 ? ?SnTf 確定。為了保證采樣后信號(hào)的頻率形狀不發(fā)生失真，所以采樣頻率必須大于信號(hào)中最高頻率的兩倍，稱之為采樣定理。 5） [B,A]=butter(N, wc, ‘ftype’,’s’) 計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子和分母多項(xiàng)式向量 B 和 A。 3） [N, wc]=buttord(wp, ws, Rp, As, ‘s’) 該格式用于計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù) N 和 3dB 截止頻率 wc。調(diào)用參數(shù) wp 和 ws 分別為數(shù)字濾波器的通帶邊界頻率和阻帶邊界頻率的歸一化值，要求 1wp0 ?? ， 1ws0 ?? ， 1表示數(shù)字頻率 ? （對(duì)應(yīng)模擬頻率 2sF ， SF 表示采樣頻率）。 本系統(tǒng)用的是 MATLAB 工具箱函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器。 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(hào)的信噪比，那么這就需要對(duì)信號(hào)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。 (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(guò)的基本原理和關(guān)系式 ,提出一個(gè)濾波器模型來(lái)逼近給定的指標(biāo)體系。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)頻率是由干擾噪聲所引起的，哪一個(gè)才是真正的由被測(cè)流體流速信號(hào)引起的，這就極大地增強(qiáng)了多普勒超聲波流量計(jì)對(duì)各種頻率成分的分辨能力。 綜上所述，下面給出了 8 點(diǎn) DFT 蝶形信號(hào)流圖。 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。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 。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。 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。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。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。這就成為了 DSP 的基本工具并且推動(dòng)了 DSP的迅速發(fā)展。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。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。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 。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。 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 )。 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。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。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。 （ 4） 發(fā)送緩沖器的功能。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)。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。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 ? 結(jié)構(gòu)組成： USART 收發(fā)模塊一般分為三大部分：時(shí)鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器。此芯片主要是對(duì)于超聲波流量計(jì)接收器傳過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換及采樣、 FFT 運(yùn)算，以及通過(guò)接口把最終處理的信號(hào)傳送到 LED 驅(qū)動(dòng)裝置，使其最終顯示在液晶顯示器上面。它是 ST 公司給予 ARM 最新CortexM3 架構(gòu)內(nèi)核的 32 位處理器產(chǎn)品。再依據(jù)流量計(jì)儀表參數(shù)對(duì)流量、流速、累計(jì)流量等需要的數(shù)據(jù)量進(jìn)行計(jì)算，然后這些計(jì)算量會(huì)被送到指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，給 LCD 顯示、模擬量的輸出等使用。 整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是：超聲波流量計(jì)通過(guò)一定的入射角度向被測(cè)流體發(fā)射超聲波信號(hào)，流量計(jì)的接收器將接收到的超聲波反射波信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)窄帶濾波器濾波后再進(jìn)行信號(hào)放大，完了再經(jīng)過(guò)解調(diào)電路解調(diào)出頻偏信號(hào)。探頭接收到發(fā)射回來(lái)的超聲波經(jīng)過(guò)帶通濾波器解調(diào)放大以后，再通過(guò)低通放大電路，最后輸出具有流體流速信息的低頻率模擬信號(hào)，然后提供給后續(xù)的數(shù)字電路系統(tǒng)進(jìn)行處理；數(shù)字電路系統(tǒng)部分是以 DSP 為 核? ?211c o s2u fffc ?? ?西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 心的器件，輔助其他外圍電路工作。 θ 是超聲波波束與被測(cè)流體之間的夾角。當(dāng)超聲西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 波發(fā)射器所發(fā)射的固定頻率的超聲波入射到流體中的固體顆粒上，被反射到接收器上的超聲波頻率就會(huì)與超聲波發(fā)射頻率兩者之間就有一個(gè)差值，這個(gè)頻率差值就是因?yàn)榱黧w中的固體顆粒的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移。= fcuc? ＜ f 以上就是多普勒效應(yīng)的解釋和公式推導(dǎo)?！?0 時(shí)， S180。=△ t+t1t2 （ 27） 因?yàn)?△ t很小，有 :τ1=τut1cosθ τ2=τu(t1+△ t)cosθ (28) 則有： τ1τ2 =u△ tcosθ (29) 從式（ 2