一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)及其簡(jiǎn)化算法

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，其是由FPGA，DSP，MCU、切換電路、A／D轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制、外部RAM和LCD顯示等幾部分構(gòu)成的。DSP為數(shù)字處理核心，用于FIR濾波、相關(guān)運(yùn)算等大量數(shù)據(jù)處理，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序由FPGA控制，確保了時(shí)序的準(zhǔn)確性。

超聲波換能器A，B在FPGA的控制下，輪流工作在發(fā)射和接收狀態(tài)．用以測(cè)量順流、逆流時(shí)超聲波傳播的時(shí)間差，其諧振頻率為1 MHz。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)選頻放大濾除了部分干擾信號(hào)，再由自動(dòng)增益控制AGC放大后送往A／D轉(zhuǎn)換器，以每次25 ns的轉(zhuǎn)換速度實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)到外部RAM中，整個(gè)過(guò)程都在FPGA的控制下進(jìn)行，確保了時(shí)序的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行的速度，DSP首先將外部RAM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM中，再進(jìn)行55階FIR濾波，經(jīng)過(guò)FIR濾波后的信號(hào)，其采樣速率較低，測(cè)量精度不夠高，為了提高精度，這里進(jìn)行了插值運(yùn)算，插值后的兩組信號(hào)再經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算處理，便得出流體順流和逆流的時(shí)間差，從而求出流體的流速。

2 滑動(dòng)窗口接收技術(shù)
滑動(dòng)窗口是在接收信號(hào)到達(dá)的前后才有效的一個(gè)時(shí)間窗口，窗口之外的信號(hào)一概不予處理，這樣可以減小噪聲的干擾并降低運(yùn)算量。為保證檢測(cè)信號(hào)的有效性，必須先去掉接收端的干擾，采用窗口和脈寬檢測(cè)是兩個(gè)行之有效的方法。測(cè)量窗口的初始位置是根據(jù)人機(jī)對(duì)話輸入的參數(shù)設(shè)置的，并通過(guò)有效信號(hào)的檢測(cè)位置不斷調(diào)整窗口到合適的位置。窗口的設(shè)置限定了信號(hào)的接收范圍，在一定程度上消除了噪聲的干擾，同時(shí)也減少了要處理的信號(hào)樣本數(shù)，降低了運(yùn)算量。
滑動(dòng)窗口的設(shè)置方法為：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)人機(jī)對(duì)話輸入的參數(shù)(管徑、壁厚及流體)，計(jì)算出信號(hào)自發(fā)射探頭到接收探頭所需傳播時(shí)間的近似值，根據(jù)該近似值控制數(shù)據(jù)采樣的開始時(shí)間，每組數(shù)據(jù)采集15000個(gè)點(diǎn)，由于采集的數(shù)據(jù)足夠多，完全可以保證有用數(shù)據(jù)能夠被采集到。經(jīng)過(guò)AGC電路的調(diào)整，當(dāng)采集到的信號(hào)幅度滿足要求時(shí)便對(duì)它們分別進(jìn)行FIR濾波，再根據(jù)幅值找出有用信號(hào)的最大值點(diǎn)并進(jìn)行信號(hào)有效性判斷，信號(hào)確定為有效后再進(jìn)行滑動(dòng)窗口調(diào)整，將有用信號(hào)移動(dòng)到有效窗口。由于換能器探頭的諧振頻率為1 MHz，采樣頻率為40 MHz，探頭發(fā)射信號(hào)為5個(gè)周期，考慮到探頭的余波，為了更好地采集接收信號(hào)，窗口寬度設(shè)定為800個(gè)信號(hào)點(diǎn)，即20個(gè)信號(hào)周期。圖2所示為窗口調(diào)整前部分內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，從上面可以看到兩組信號(hào)，前者幅度小，是超聲波沿管壁直接傳遞而形成的，其傳播速度快，傳播時(shí)間短，后者是超聲波沿正常路徑傳輸?shù)慕Y(jié)果，幅度較大，也是需要的有用數(shù)據(jù)。圖3是窗口調(diào)整后內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，可以看到，有效數(shù)據(jù)已被移動(dòng)到最左側(cè)的有效窗口中，后面的插值及相關(guān)運(yùn)算都是只對(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行。

3 插值及相關(guān)算法的簡(jiǎn)化
在超聲波發(fā)生電路中，由同一觸發(fā)脈沖觸發(fā)2個(gè)相同的換能器產(chǎn)生超聲波，測(cè)量中2路采集信號(hào)具有很大的相似性，因此能對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。在超聲波流量計(jì)中，對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的要求很高，為了提高分辨率，可以采取一般的采樣方法，然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理中常用的插值算法，由軟件提高系統(tǒng)的采樣頻率，從而提高時(shí)間的分辨率。