【正文】 u=(c/(2*cos(sita)*f1))*f grid on。 sita=pi/4。 [ma I]=max(abs(y1)) f=(N/4I)*30/N grid on。)。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 title(39。振幅 39。)。 xlabel(39。 f=n*fs/N。 y1=fft(y,N)。 n=0:N1。) fs=30。 plot(t,y) title(39。)。 title(39。 subplot(3,1,2)。 [H,W]=freqz(B,A)。 [N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,As)。輸入信號 39。 plot(t,x)。 As=30。 ws=2*11/fs。 x=5*sin(2*pi*10*t)+5*sin(2*pi**t)+5*sin(2*pi**t)。 N=128。 [20] 徐勤衛(wèi)等 ,高頻超聲波信號處理電路 ,電子技術(shù)應(yīng)用 ,1994 年第 7期 ,P45。 [18] 蔣宇晨 ,趙順剛等 ,超聲傳感器在明渠流量計中的應(yīng)用 ,自動化儀表 , 2020 年 7 月 ,PP16 一 18。 [16] 印勇編著 ,隨機(jī)信號分析 ,2020 年 ,中國物資出版社。 [14] 聞愚生、張傳生編 ,信息傳輸基礎(chǔ) ,1993,西安交通大學(xué)出版社。 [12] 劉松強(qiáng)編著 ,數(shù) 字信號處理系統(tǒng)及其應(yīng)用 ,1996,清華大學(xué)出版社。 [10] 張芳蘭等編 ,TMS320CZXX 用戶手冊 ,1998,電子工業(yè)出版社。 [8] 樓順天等編 ,基于 MATLAB 的系統(tǒng)分析與設(shè)計一信號處理 ,1999, 西安電子科技大學(xué)出版社。 [6] 張雄偉等著 ,DPS 芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用 ,2020,電子工業(yè)出版社。 [4] 北京聲學(xué)學(xué)會 ,工程聲學(xué) ,1988,北京大學(xué)出版社。 [2] 鄭阿奇著， MATLAB 實(shí)用教程， 2020，電子工業(yè)出版社。 最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。 感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。您 們 治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊 ，為我營造了一種良好的精神氛圍。 偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位平凡的人，我的 指 導(dǎo) 老 師 馬虎山、李克艱老師 。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 致謝 四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。在對信號進(jìn)行處理的過程中會遇到很多的問題，我們一經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一條利用數(shù)字信號處理技術(shù)的方向。通過 MATLAB 編程來完成數(shù)字信號處理過程大致如下：通過對超聲波流量計接收器接收到的信號進(jìn)行低通濾波，這就得到一個信噪比比較高的信號，完了再對此信號進(jìn)行 FFT，最終通過極值比較得到需要的頻率差值，用于被測流體流量以及流速的計算。其次主要是針對于軟件來完成對超聲波流量計中的信號進(jìn)行處理。 本文首先給出了基于 ARM芯片 STM32F103CBT6 來對超聲波流量計接收到的信號進(jìn)行處理。文中闡述了在多普勒效應(yīng)下超聲波流量計信號處理的近似的公式，知道了多普勒超聲波流量計是通過多普勒頻移的特性來完成對被測流體流量以及流速的檢測。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 5 結(jié)論 本文通過介紹多普勒效應(yīng)的物理含義，從而提出了以多普勒效應(yīng)為原理設(shè)計的超聲波流量計。 u=(c/(2*cos(sita)*f1))*f grid on。 sita=pi/4。 [ma I]=max(abs(y1)) f=(N/4I)*30/N grid on。)。 title(39。振幅 39。)。 xlabel(39。 f=n*fs/N。 y1=fft(y,N)。 n=0:N1。具體程序如下： %計算多普勒頻移以及被測流體的流速 fs=30。 grid on。N=409639。)。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 ylabel(39。頻率 /KHz39。 figure(1) plot(f,mag)。 mag=abs(y1)。 t=n/fs。 N=4096。濾波后的波形 39。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 subplot(3,1,3)。低通濾波器 39。 plot(W,abs(H))。 y=filter(B,A,x)。 [B,A]=butter(N,wc)。)。 title(39。 subplot(3,1,1)。 Rp=1。 wp=2*9/fs。 t=1:128。 濾波器的仿真如下圖所示： 數(shù)據(jù)采集 輸出 FFT 濾波 計算頻偏、流體的流速值 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 42 低通濾波器的波形圖 利用上述設(shè)計的濾波器對信號進(jìn)行濾波，濾波的程序以及結(jié)果如下： %對信號進(jìn)行濾波 % fs=30。低通濾波器 39。 plot(W,abs(H))。 [H,W]=freqz(B,A)。 [N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,As)。 Rp=1。 wp=2*9/fs。 N=4000。 低通濾波器程序的實(shí)行用到了 MATLAB 工具箱函數(shù) 。濾波就是去除掉信號里面的噪聲，增加信噪比的值，提高下一步 FFT 計算的精度；完成濾波后對濾波后得到到的信號進(jìn)行 FFT 變化，最終就得到了實(shí)際計算所用到的頻譜圖。例如 DSP Blockest 可以用來進(jìn)行 DSP 算法的開發(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)以及有限長浮點(diǎn)控制 系統(tǒng)和定點(diǎn)濾波器。此外，工具箱提供的高級的設(shè)計和分析能力可以通過 Simulink 的封裝手段在仿真過程中執(zhí)行。 Simulink 的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用 MATLAB， Fortran 和 C 代碼生成自定義模塊庫，并且將用戶的原有 M、Fortran 或者 C 編寫的代碼連接進(jìn)來。在仿真的過程中，允許對模塊進(jìn)行調(diào)參，仿真的結(jié)果在運(yùn)行的同時通過示波器或圖形窗口顯示出來。通過菜單工具來進(jìn)行仿真，或者使用命令來進(jìn)行處理。 （ 4）交互仿真。 （ 3）交互建模 。 （ 2）分析和仿真工具。子系統(tǒng)和系統(tǒng)的打印選擇。它支持線性代數(shù)和矩陣數(shù)據(jù)類型的運(yùn)算；并且支持 C 語言和 M 語言方式的功能模塊的擴(kuò)展；波形產(chǎn)生模塊。其特點(diǎn)功能有以下幾點(diǎn)： （ 1）建模的工具。 Simulink 是建模、仿真以及分析各種系統(tǒng)的交互壞境，包含離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)以及混雜系統(tǒng)。 Simulink 是在 MATLAB 框圖的基礎(chǔ)上提供的設(shè)計環(huán)境。把一個或者幾個工具箱聯(lián)合起來使用，就能夠得到一個具有強(qiáng)大功能的計算組合包，可以滿足用戶的特殊需求。 MATLAB 內(nèi)置的工具箱加強(qiáng)了對科學(xué)以及 工程領(lǐng)域中特殊應(yīng)用的支持。 （ 5） 包含：用 C 或 FortranMEX 文 件來集成已經(jīng)有了的 C/RORTRAN 算法；調(diào)用 MATLAB 函數(shù)在單獨(dú)的 C 或 FortranMEX 程序中；使用 Java 編程；可以提供 COM 控制支持以及 COM 服務(wù)；使用各種 MATLAB 以及其它格式的數(shù)據(jù)文件；可以創(chuàng)建既有圖形又有文本的文檔，包括了 MATLAB 命令、圖形，而且可以使用 Word、 HTML 來輸出。 （ 4） 圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境 — GUIDE。結(jié)構(gòu)、數(shù)組、元胞數(shù)組等多種的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？梢暬绦虻木庉嬈?/調(diào)試器；語法風(fēng)格類似于 C 語言，易于掌握，具有 JIT 加速器可以加快程序運(yùn)行速度。其直接利用 MATLAB 提供的基本數(shù)學(xué)、圖形能力，來開發(fā)用戶需要的算法。 （ 3） 集成的算法開發(fā)編程語言和環(huán)境 。交互的文本注釋編輯能力；提供文件 I/O，支持多種的圖像文件格式。 MATLAB 向用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化功能函數(shù)。 MATLAB數(shù)學(xué)計算包括：數(shù)據(jù)處理與基本統(tǒng)計、快速傅里葉變換（ FFT） 、協(xié)方差與相關(guān)的分析、稀疏矩陣運(yùn)算、線性代數(shù)和矩陣的分析與變換、三角以及其它初等函數(shù)，Bessel、 beta 以及其它特殊的函數(shù)，微分方程與線性 方程的求解，多維數(shù)組的支持。其強(qiáng)大的功能有： （ 1） 數(shù)學(xué)計算。 MATLAB 中內(nèi)置了 600 多個數(shù)學(xué)、工程計算和統(tǒng)計函數(shù)。MATLAB 主要被應(yīng)用于以下幾個方面：算法的開發(fā)、建模以及仿真、數(shù)學(xué)計算、數(shù)據(jù)的分析以及可視化、應(yīng)用開發(fā)、科學(xué)及工程制圖。 MATLAB 集數(shù)學(xué)計算、編程、結(jié)果可視化于一身，這就能夠方便的進(jìn)行科學(xué)的計算和大量工程運(yùn)算， MATLAB 主要是由 MATLAB 主程序、 Simulink 動態(tài)仿真和 MATLAB 內(nèi)置工具箱三部分組成。 MATLAB 可以將高性能的數(shù)值計算和可視化結(jié)合在一起，同時提供了大量的函數(shù)，因此被廣泛的應(yīng)用于控制系統(tǒng)、科學(xué)計算、信息處理等很多領(lǐng)域的分析、設(shè)計和仿真工作。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 4 仿真實(shí)現(xiàn) 仿真 MATLAB 軟件的介紹 MATLAB 的名字來源于 Matrix Laboratory,其最初的版本是 CleveMoler 博士通過使用 RORTRAN 語言開發(fā)的矩陣分析的軟件。根據(jù)時域與頻率的對稱性，可以由時域采樣定理直接退出頻域的采樣定理。假如采樣頻率02 Ts ?? ?大于或者等于 max2? ，即 maxs 2?? ? ，那么采樣的離散信號 ??t*? 就能無失真的恢復(fù)到原來的連續(xù)信號 ??t? 。時域的采樣定理從采樣信號 ??tfs 恢復(fù)出原連續(xù)信號 ??tf 就需要滿足兩個條件： （ 1） ??tf 一定要是帶限信號，它的頻譜函數(shù)在 m??? 各個位置處為零；（對信號的要求，只有在帶限信號才能使用采樣定理。信號采樣后它的頻譜就會產(chǎn)生周期延拓，基本上每隔一個采樣頻率 fs,就會出現(xiàn)一次周期延拓。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）。調(diào)用參數(shù) N 和 wc 分別是巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)和 3dB 截止頻率的歸一化值（關(guān)于 ? 歸一化），一般按照格式（ 2）來調(diào)用函數(shù) buttord 計算 N 和 wc。 wp、ws 和 wc 是實(shí)際模擬角頻率（ rad/s）。 N 和 wc 作為 butter 函數(shù)的調(diào)用參數(shù)。 Rp 和 As 分別為通帶最大衰減和阻帶最小衰減（ dB)。 2） [N， wc]=buttord(wp, ws, Rp, As) 該格式用于計算巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù) N 和 3dB 截止頻率 wc。 MATLAB信號處理工具箱函數(shù) buttap,buttord 和 butter 是巴特沃斯濾波器設(shè)計函數(shù)，有以下五種調(diào)用函數(shù)： 1) [Z, P, K]=buttap(N) 該格式用于計算 N階巴特沃斯歸一化（ 3dB 截止頻率 1??s ） 模擬低通原型濾波器系統(tǒng)的零、極點(diǎn)以及增益因子。巴特沃斯（ Stephen Butterworth）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)，是目前最為流行的一類數(shù)字濾波器 ,經(jīng)過離散化可以作為數(shù)字巴特沃思濾波器 ,較模擬濾波器具有精度高、穩(wěn)定、靈活、不要求阻抗匹配等眾多優(yōu)點(diǎn) ,因而在自動控制、語音、圖像、通信、雷達(dá)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 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。根據(jù)這個描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果是否滿足指標(biāo)要求或者利用計算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計的濾波器 ,再分析濾波結(jié)果來斷 。這是濾波器設(shè)計所要研究的主要問題。所以，指標(biāo)的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。 低通濾波器 數(shù)字濾波器的設(shè)計要經(jīng)過如下三個步驟： (1)確定指標(biāo) 在設(shè)計一個濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實(shí)際的需要來確定濾波器的計數(shù)指標(biāo)。 圖 34 8 點(diǎn)蝶形信號流圖 ? ? ? ? ? ? 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（論文） 18