【正文】 u=(c/(2*cos(sita)*f1))*fgrid on。[ma I]=max(abs(y1))f=(N/4I)*30/Ngrid on。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)。[20] 徐勤衛(wèi)等,高頻超聲波信號(hào)處理電路,電子技術(shù)應(yīng)用,1994年第7期,P45。[16] 印勇編著,隨機(jī)信號(hào)分析,2000年,中國(guó)物資出版社。[12] 劉松強(qiáng)編著,數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)及其應(yīng)用,1996,清華大學(xué)出版社。[8] 樓順天等編,基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)一信號(hào)處理,1999, 西安電子科技大學(xué)出版社。[4] 北京聲學(xué)學(xué)會(huì),工程聲學(xué),1988,北京大學(xué)出版社。 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過(guò)我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。您們治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營(yíng)造了一種良好的精神氛圍。致謝四年的讀書生活在這個(gè)季節(jié)即將劃上一個(gè)句號(hào)，而于我的人生卻只是一個(gè)逗號(hào)，我將面對(duì)又一次征程的開(kāi)始。通過(guò)MATLAB編程來(lái)完成數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程大致如下：通過(guò)對(duì)超聲波流量計(jì)接收器接收到的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，這就得到一個(gè)信噪比比較高的信號(hào)，完了再對(duì)此信號(hào)進(jìn)行FFT，最終通過(guò)極值比較得到需要的頻率差值，用于被測(cè)流體流量以及流速的計(jì)算。本文首先給出了基于ARM芯片STM32F103CBT6來(lái)對(duì)超聲波流量計(jì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理。 5 結(jié)論 本文通過(guò)介紹多普勒效應(yīng)的物理含義，從而提出了以多普勒效應(yīng)為原理設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)。sita=pi/4。)。振幅39。xlabel(39。y1=fft(y,N)。具體程序如下：%計(jì)算多普勒頻移以及被測(cè)流體的流速fs=30。N=409639。ylabel(39。figure(1)plot(f,mag)。t=n/fs。濾波后的波形39。低通濾波器39。y=filter(B,A,x)。)。subplot(3,1,1)。wp=2*9/fs。濾波器的仿真如下圖所示： 圖42 低通濾波器的波形圖 利用上述設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波的程序以及結(jié)果如下： %對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波%fs=30。plot(W,abs(H))。[N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,As)。wp=2*9/fs。低通濾波器程序的實(shí)行用到了MATLAB工具箱函數(shù)。例如DSP Blockest可以用來(lái)進(jìn)行DSP算法的開(kāi)發(fā)，而且FixedPoint Blockset擴(kuò)展了Simulink在定點(diǎn)系統(tǒng)建模仿真方面的功能，用于模擬和建立定點(diǎn)以及有限長(zhǎng)浮點(diǎn)控制系統(tǒng)和定點(diǎn)濾波器。Simulink的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB，F(xiàn)ortran和C代碼生成自定義模塊庫(kù)，并且將用戶的原有M、Fortran或者C編寫的代碼連接進(jìn)來(lái)。通過(guò)菜單工具來(lái)進(jìn)行仿真，或者使用命令來(lái)進(jìn)行處理。 （3）交互建模。子系統(tǒng)和系統(tǒng)的打印選擇。其特點(diǎn)功能有以下幾點(diǎn)： （1）建模的工具。 Simulink是在MATLAB框圖的基礎(chǔ)上提供的設(shè)計(jì)環(huán)境。MATLAB內(nèi)置的工具箱加強(qiáng)了對(duì)科學(xué)以及工程領(lǐng)域中特殊應(yīng)用的支持。（4） 圖形用戶界面開(kāi)發(fā)環(huán)境—GUIDE?？梢暬绦虻木庉嬈?調(diào)試器；語(yǔ)法風(fēng)格類似于C語(yǔ)言，易于掌握，具有JIT加速器可以加快程序運(yùn)行速度。（3） 集成的算法開(kāi)發(fā)編程語(yǔ)言和環(huán)境。MATLAB向用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化功能函數(shù)。其強(qiáng)大的功能有：（1） 數(shù)學(xué)計(jì)算。MATLAB主要被應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：算法的開(kāi)發(fā)、建模以及仿真、數(shù)學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)的分析以及可視化、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、科學(xué)及工程制圖。MATLAB可以將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化結(jié)合在一起，同時(shí)提供了大量的函數(shù)，因此被廣泛的應(yīng)用于控制系統(tǒng)、科學(xué)計(jì)算、信息處理等很多領(lǐng)域的分析、設(shè)計(jì)和仿真工作。根據(jù)時(shí)域與頻率的對(duì)稱性，可以由時(shí)域采樣定理直接退出頻域的采樣定理。時(shí)域的采樣定理從采樣信號(hào)恢復(fù)出原連續(xù)信號(hào)就需要滿足兩個(gè)條件： （1）一定要是帶限信號(hào)，它的頻譜函數(shù)在各個(gè)位置處為零；（對(duì)信號(hào)的要求，只有在帶限信號(hào)才能使用采樣定理。調(diào)用參數(shù)N和wc分別為巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)和3dB截止頻率（實(shí)際角頻率）。wp、ws和wc是實(shí)際模擬角頻率（rad/s）。Rp和As分別為通帶最大衰減和阻帶最小衰減（dB)。MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)buttap,buttord和butter是巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，有以下五種調(diào)用函數(shù)：1) [Z, P, K]=buttap(N)該格式用于計(jì)算N階巴特沃斯歸一化（3dB截止頻率）模擬低通原型濾波器系統(tǒng)的零、極點(diǎn)以及增益因子。,經(jīng)過(guò)離散化可以作為數(shù)字巴特沃思濾波器 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(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。這是濾波器設(shè)計(jì)所要研究的主要問(wèn)題。 低通濾波器數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)要經(jīng)過(guò)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(lái)確定濾波器的計(jì)數(shù)指標(biāo)。 綜上所述，下面給出了8點(diǎn)DFT蝶形信號(hào)流圖。： 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(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。(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。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，蝶形因子具有下面的特性： 的周期性：； （） 的對(duì)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。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。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)。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。僅在同步模式下XCK有效。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。（2）OR改為DOR。（1）CHR9改為UCSZ2。（2）接收移位寄存器可以作為第三級(jí)緩沖。因此必須在讀取UDR寄存器之前訪問(wèn)狀態(tài)標(biāo)志位。（1）所有USART寄存器的位定義。UART數(shù)據(jù)接收單元用作異步數(shù)據(jù)的接收。時(shí)鐘發(fā)生器由同步邏輯電路（在同步從模式下由外部時(shí)鐘輸入驅(qū)動(dòng)）和波特率發(fā)生器組成。通用同步/異步串行接收/發(fā)送器。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。=＜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)椤鱰很小，有:τ1=τut1cosθ τ2=τu(t1+△t)cosθ (28) 則有： τ1τ2 =u△tcosθ (29)從式（26），（27），（28），（27），可以得到： △t180。根據(jù)聲源產(chǎn)生的振動(dòng)在空間上的傳播特性，觀察者運(yùn)動(dòng)到S1點(diǎn)處時(shí)聲源所接收到的聲波應(yīng)是觀察者運(yùn)動(dòng)到S180。 b. 當(dāng)θ=0時(shí)，聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候觀察者接收到的頻率為: f180。為: f180。是聲源從R1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到R2的過(guò)程中接收者收到的聲振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間，那么在時(shí)間軸上下式成立： △t180。①聲源相對(duì)于靜止的觀察者運(yùn)動(dòng)情況下推導(dǎo)出的多普勒公式： 圖21 聲源運(yùn)動(dòng)，觀察者相對(duì)靜止 如上圖211，P為觀察者，處于靜止?fàn)顟B(tài)，振動(dòng)頻率為f的聲源Q以速度u沿著X軸正向運(yùn)動(dòng)。選擇這個(gè)課題，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有實(shí)際使用的意義，尤其是多普勒超聲波流量計(jì)主要是用于測(cè)量污水和腐蝕性的液體。使用FFT方法來(lái)分