【正文】 181920212223242526272829303132333435363738P238P I NDSP_D0DSP_D1DSP_D2DSP_D3DSP_D4DSP_D5DSP_D6DSP_D7D S P _D 9D S P _D 1 0D S P _D 1 1D S P _D 1 2D S P _D 1 3D S P _D 1 4D S P _D 1 5DSP_A0D S P _A 1DSP_A2D S P _A 3DSP_A4D S P _A 5DSP_A6D S P _A 7DSP_A8D S P _A 9DSP_A10D S P _A 1 1DSP_A12D S P _A 1 3D S P _D 8DSP_A14DSP_A15DSP_A16D S P _A 1 7DSP_A18RDRM_WEC L K12J _A D _12P IN V5V 5V5V5V V5VD A _I 0D A _I 1D A _I 2D A _I 3D A _I 4D A _I 5D A _I 6D A _I 7DA_I0DA_I1DA_I2D A _I 3DA_I4DA_I5DA_I6DA_I712J _A D _22P INR a 11KR a 21K5VR a 31KR a 41K5VT1N P NT2P N PT3N P N+ 12R B 1R E S 2R B 3R E S 2 12R B 2R E S 2T6N P NT5N P NT4P N P+ 12R B 4R E S 2 12R B 5R E S 2R B 6R E S 21 2J ou tC O N 2R _I N 0 R _I N 1R_IN0R_IN11 2J _D AC O N 2321411U 8 AL M 324B D X 0R S 2 32_1R E S 2R S 2 32_2R E S 2B D R 0B F S R 0C L K _1R E S 2C L K _2R E S 2 VD I N _ 5 6 1 7C S _ 5 6 1 7S C L K _ 5 6 1 7D A C O U T 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(jì)軟件設(shè)計(jì)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。 圖 8 DSP 最小系統(tǒng)原理圖 可編程邏輯器件方案 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。 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。數(shù)據(jù)總線具有一個所有總線的特征。指數(shù)編碼器計(jì)算的是一個周期內(nèi)指數(shù)為一個 40 位累加器的值。 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。 本文設(shè)計(jì)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(jì)圖如下： 圖 7 TLC876 的應(yīng)用 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論 文） 第 13 頁 共 27 頁 DSP 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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 。該電路能很好的對 1 MHz 的窄帶信號進(jìn)行諧振放大作用。 采用 MAX435/436 構(gòu)成放大電路的原理圖。 由于超聲是一個窄帶信號，且由圖 看出在諧振頻率時，基本滿足每一級 37dB的要求，即使實(shí)際中不滿足，可以 通過調(diào)節(jié) RSET 或者 RL 來達(dá)到目的。這樣 MAX43 MAX436 兩級得要放大 74dB，每一級需要 37dB 即可?？紤] ADC603，可以實(shí)現(xiàn) 177。20dB； 接收到的超聲信號是一個以 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(diǎn)，作者提出了一種可控諧振三級放大電路的方案。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(xiàng)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。 （ 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)。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 。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。 （ 1） 用繼電器進(jìn)行切換。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論 文） 第 11 頁 共 27 頁 切換單元電路設(shè)計(jì) 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。 0 101(a ) x(t) 1500 1000 500 0 500 1000 1500 20200200400(d) |X(f)| f (K H z )0 101(c ) x(t) t (m s ) 0 010002020(b) rxx(t) 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 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5101 x(t) t (m s )(a)0 . 0 5 0 0 . 0 52 0 00200 rxx(t) t (m s )(b )6 4 2 0 2 4 6050 |X(f)| f (MH z)(c) 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 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論 文） 第 10 頁 共 27 頁 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5101 x(t) t (m s )(a)0 . 0 5 0 0 . 0 55 0 00500 rxx(t) t (m s )(b )6 4 2 0 2 4 6050 |X(f)| f (MH z)(c) 圖 4 DRLFM 的自相關(guān)函數(shù)及其 Fourier 變換模 時差算法的具體實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的硬件方案 發(fā) 射 電 路切 換傳 感 器 A 傳 感 器 B放 大 電 路A D C控 制 切 換C P L D控 制 數(shù) 據(jù) 采集D S P 5 4 1 6相 關(guān) 運(yùn) 算傳 送數(shù) 據(jù)S T C 8 9 C 5 2顯 示按 鍵 控 制 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。從頻譜圖上看，LFM 信號帶寬略寬于 PRBS 調(diào)制信號，但仍在其帶寬內(nèi)，可以高效率傳輸。圖 4 是與圖3 相對應(yīng)的 DRLFM 信號及其相關(guān)函數(shù)與頻譜，采樣頻率為 20Msps。圖 3 是一幀 的 LFM 信號、自相關(guān)函數(shù)及其頻譜。載波頻率為 1MHz，每位 PRBS 包含 8 個載波周期，驅(qū)動信號幀長約為 。 激勵信號的自相關(guān)函數(shù)及頻譜 的 MATLAB 仿真 合理選擇激勵信號有助于穩(wěn)定可靠地估計(jì) TOF。 在信號處理方面，由于順流、逆流兩次發(fā)射的信號相同，通過的介質(zhì)相同，所以接收到的兩組信號在時間域上只是一個簡單的時間延遲 t? 和一些噪聲，這樣我們可以采用相關(guān)法超聲流量計(jì)的思想，通過對兩組信號的相關(guān)處理來計(jì)算出 t? ，從而計(jì)算出流速 v。 為了進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號處理，即需要的是一組數(shù)據(jù)，所以在發(fā)射電路方面就不能發(fā)射單脈沖，而是采用多脈沖，或者調(diào)制波方案。為了提高測量低速液體的精度及抗干擾能力， 可以結(jié)合 FFT 算法對采集到的信號進(jìn)行處理再用相關(guān)法處理 [18]。 基于相關(guān)分析的時延估計(jì)方法是一種提出較早的時延估計(jì)方法 , 該算法原理簡單、 容易理解、 研究充分 ,具有較高的工程應(yīng)用價值 .數(shù)字信號處理器 DSP[2] 在數(shù)字濾波 , 快速卷積 ,相關(guān)以及快速傅里葉變換等方面具有無可比擬的優(yōu)勢 , 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、 通信信號處理、 語音信號處理、 儀器設(shè)備、 數(shù)字圖像處理以及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。 c) 在測量時，管道中沒有節(jié)流器件，流體不存在壓力損失，非常有利于節(jié)約能源。 時差法測量流量具有以下幾個特點(diǎn)： a) 由于時差法超聲波流量計(jì)采用了精密的時差法檢測，并有信號的自動跟蹤，溫度的自動補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)的技術(shù)，因此它具有運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)量準(zhǔn)確可靠，儀表的運(yùn)算和顯示精度較高的特點(diǎn)。 4 時差法超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì) 時差 法測量原理及主要特點(diǎn) 本論文研究的是基于時差法的超聲波液體流量計(jì)，其管段內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化圖如圖 1所示，換能器 1， 2 相對于管道軸線的安裝角是 ? ，管徑為 D ，兩個換能器之間的距離為 L ，流體流動方向如圖所示： 圖 1 時差法測量流量原理圖 當(dāng)流體以速度 u 流動時，超聲波的實(shí)際傳播速度 c 是聲速 0c 和流體在聲道方向上的速 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （論 文 ） 第 7 頁 共 27 頁 度分量 cosu ?? 的疊加，即： 0 cosc c u ?? ? ? 超聲波信號在流體中順流和逆流的傳播時間分別為： t 順 =t2→1 =0 cosLcu??? = ? ?0sin cosDcu???? （ ） t 逆 =t1→2 =0 cosLcu??? = ? ?0sin cosDcu???? （ ） 式中 ： D 為一次裝置管內(nèi)徑， L 為兩個換能器之間的距離， 0c 為超聲波在靜止介質(zhì)中的傳播速度，故： △ t = t 順 — t 逆 = ? ?2202 c o ss in c o s 2Ducu ??????? （ ） 一般情況下，聲波在液體中的傳播速度 oc 在 1000m/s 以上，而多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中的流速遠(yuǎn)小于聲速，即 220uc?? ，所以時間差可以近似簡化為： △ t = t 順 — t 逆 =202 cossinDuc ????? （ ） 即： 20sin2 cosctu D? ?? ??? ? （ ） 體積流量表達(dá)式： 220 sin2 c osD c tQ A u D???? ? ? ???? ? （ ） 式中： A 為管道的橫截面積， u 為流體在管道內(nèi)的流動速度。由于是測量兩個固定波束之間的渡越時間，因此，測量結(jié)果不受流體中聲速變化和流體性質(zhì)的影響，但流體的流場分布影響流速的測量精度。 相關(guān)法 相關(guān)法利用流體內(nèi)部自然產(chǎn)生的隨機(jī)流動噪聲現(xiàn)象，將流體的流速測量問題轉(zhuǎn)化為流體通過相距一定距離的兩截面的時間間隔的測量 問題，運(yùn)用相關(guān)測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)流體流速的在線測量。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，多普勒超聲波流量計(jì)的發(fā)展不僅可測量帶懸浮顆粒及氣泡的污濁液體，也可測量純凈流體。 其工作原理是流體管道內(nèi)任何流動的液體都存