基于DSP的超聲波流量計(jì)的研究
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1．3 工作頻率的確定
工作頻率是本文研究的流量計(jì)首先考慮的問(wèn)題。流量計(jì)的工作頻率與懸浮粒子的尺寸有重要關(guān)系。在實(shí)際的流體中，粒子的性質(zhì)差別非常大。為了討論簡(jiǎn)單，具有代表性，假定懸浮粒子是一半徑為α的剛性小球，置于超聲波聲場(chǎng)中，超聲波以平面波方式傳播的，在考慮吸收與散射衰減條件下，聲波衰減與振幅、距離有如下關(guān)系：
式中，P0是發(fā)射面處的聲壓，Px是接受面處的聲壓，α為衰減系數(shù)。這里衰減系數(shù)α的大小直接影響超聲波穿透流體的深度。在所研究的含有固體顆粒的流體中，α主要由3種因素形成，即粘滯系數(shù)。摩擦衰減和散射衰減。其中只有散射衰減能形成反射回波，所以主要研究散射衰減。
本文研究的流量計(jì)的工作頻率的選取應(yīng)使λ>2πα，但也不要過(guò)大，以免只存在繞射。一般選λ／2α的值在幾十至幾百的范圍內(nèi)比較好，這時(shí)由散射產(chǎn)生的輻射能與λ4成正比。實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)平均粒徑來(lái)選擇工作頻率。關(guān)于粘滯衰減和摩擦衰減，實(shí)際這兩個(gè)量與流體性質(zhì)、粒子濃度及大小等均有關(guān)，他們也會(huì)影響超聲波穿透深度和取樣窗面積大小，即直接影響測(cè)量結(jié)果，不過(guò)，一般情況下處于次要地位。對(duì)于氣泡的分析與顆粒結(jié)果類似。工業(yè)測(cè)量中超聲波頻率的選擇在500 kHz～2．5MHz之間。本文研究的超聲波流量計(jì)的工作頻率選擇640kHz。
2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要分為3個(gè)模塊，分別是發(fā)射模塊，接收模塊。處理與控制模塊。圖2為系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)框圖。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/149780.htm
2．2 各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)
2．2．1 發(fā)射模塊
主要由DDS電路、功率放大電路與超聲波換能器組成。
DDS電路用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的正弦波信號(hào)。DDS，就是直接數(shù)字式合成器，使用DDS可以產(chǎn)生較高純度的源信號(hào)。克服了使用一般的正弦波產(chǎn)生的各種缺點(diǎn)。DDS一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外，DDS的固有特性還包括：相當(dāng)好的頻率和相位分辨率，能夠進(jìn)行快速地信號(hào)交換。DDS在現(xiàn)代電子器件、通信技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)線、PCS／PCN系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。DDS的基本原理是利用采樣定理，通過(guò)查表法產(chǎn)生波形。本文選用的DDS芯片是AD公司的COMS型DDS芯片AD98 50。該芯片最高支持125 MHz的時(shí)鐘頻率，32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或者串行方式裝入。+3．3 V或者+5 V供電，功耗極低。
AD9850與DSP的連接原理圖如圖3所示。最后AD9850的輸出有OUT1和OUT2，OUT1送入功率放大器用來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，OUT2與帶通濾波器出來(lái)的信號(hào)一起送入混頻器進(jìn)行混頻。
由于超聲波在流體中傳播，而流體中有較高的顆粒含量，造成超聲波的衰減較大，所以信號(hào)的功率放大是十分必要的。
本文所用的超聲波換能器采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，工作頻率為640 kHz。超聲波振子用圓形的PZT型材料制作，這樣使換能器具有較好的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，需要較小的功率。換能器的晶片應(yīng)與管壁呈45°安裝，這樣的好處是使換能器有較大的透射能力和較高的信噪比。
2．2．2 接收模塊
接收模塊主要由超聲波換能器、信號(hào)放大電路、帶通濾波器、混頻器、低通濾波器組成。
通常接收到的超聲波信號(hào)是非常小的，而一般需要采樣的信號(hào)的幅值是5 V，所以必須對(duì)它進(jìn)行放大。帶通濾波器的作用是以640 kHz為中心頻率，保留640 kHz左右的頻率信號(hào)，盡可能減弱干擾信號(hào)?；祛l器的作用是降低信號(hào)頻率，僅保留了發(fā)射的超聲波與接收的超聲波的頻率差，這樣不但降低了采集較高的頻率的成本，不必使用很快的A／D來(lái)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，而且減小了采集到的數(shù)據(jù)的誤差。信號(hào)最后再通過(guò)低通濾波器，減弱混頻產(chǎn)生的高頻干擾。
2．2．3 處理與控制模塊
處理與控制模塊主要由DSP(TMS320F2812)、AVR(mega16)、液晶、鍵盤組成。
DSP在整個(gè)處理與控制模塊中起到了關(guān)鍵的作用。它是系統(tǒng)的核心，流速的計(jì)算也是它來(lái)進(jìn)行的。DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)就是具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能在較短的時(shí)間里完成復(fù)雜的算法。TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。它片內(nèi)集成眾多資源：存儲(chǔ)資源Flash、RAM標(biāo)準(zhǔn)通信接口，如串行通信接口(SCI)、串行外設(shè)接口(SPI)、增強(qiáng)型eCAN總線接口，方便與外設(shè)之間進(jìn)行通信。在TMS320F2812內(nèi)部還集成了一個(gè)12位的ADC轉(zhuǎn)換模塊，最高采樣速率達(dá)12．5 Ms／s；TMS320F2812片上還包括事件管理器(EV)、定時(shí)器、看門狗以及大量的用戶可開(kāi)發(fā)利用的GPIO口等資源。
從低通濾波器出來(lái)的信號(hào)進(jìn)入到DSP芯片TMS320F2812的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320F2812的ADC的主要功能有；1)12位ADC采樣內(nèi)核包括兩個(gè)采樣保持電路；2)可設(shè)置同步采樣或順序采樣模式；3)模擬輸入電壓：0～3 V；4)ADC工作在25 MHz時(shí)最高轉(zhuǎn)換速率為ADCL K或12．5 MHz；5)16通道，多路輸出；6)排序器可以設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立的8位狀態(tài)排序器，也可以設(shè)置成一個(gè)16狀態(tài)排序器；7)16個(gè)結(jié)果寄存器用與存儲(chǔ)裝換結(jié)果；8)多觸發(fā)源啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；9)靈活的中斷控制。TMS320F2812內(nèi)部定時(shí)中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采集的數(shù)據(jù)送入環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，然后TMS320F2812對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波器濾波、FFT變換求其功率譜等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。
AVR通過(guò)SPI從DSP中讀取流速數(shù)據(jù)，再根據(jù)用鍵盤設(shè)置的參數(shù)進(jìn)而求得流量，然后在液晶里顯示出來(lái)。
評(píng)論