超聲波流速測量系統(tǒng)

超聲波流速測量系統(tǒng)超聲波流速測量系統(tǒng))ADDIN，，這里頻率變化率。需要說明的是 相位截尾產(chǎn)生的雜散譜ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>趙正敏</Author><Year>2000</Year><RecNum>201</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>201</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2zeddv0thvxxsyeevvixv55t552d55vd05e2">201</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">趙正敏</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">相位截尾對DDS輸出頻譜影響的分析及計(jì)算</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</full-title></periodical><pages><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">141-145</style></pages><volume><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">30</style></volume><number><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">001</style></number><dates><year><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">2000</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]，對相關(guān)分析是有益的。4.2短TOF的估計(jì)圖8是一次短距離測量結(jié)果，傳感器平面相距約5cm，驅(qū)動脈沖幀長40us,Msps。圖8短TOF實(shí)驗(yàn)結(jié)果，=20Msps(a)歸一化的激勵信號，(b)采集信號，(c)相關(guān)函數(shù)，(d)相關(guān)函數(shù)(局部)及其擬合結(jié)果可以看出，的峰值對應(yīng)時(shí)間為3.55us,測量結(jié)果的讀數(shù)分辨率為0.05us。為了進(jìn)一步提高分辨率，我們對峰值兩邊的10個點(diǎn)進(jìn)行擬合，并求其擬合函數(shù)的峰值,(d)是計(jì)算結(jié)果，時(shí)間分辨率精確到ns時(shí)，結(jié)果為3.558us。圖9是相同條件下，重復(fù)5000次實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)圖。統(tǒng)計(jì)表明，測量結(jié)果呈正態(tài)分布，算法具有較好的穩(wěn)定性。當(dāng)TOF短時(shí)平穩(wěn)時(shí)，采用連續(xù)多次平均的方法可以進(jìn)一步提高測量的精度。圖95000次重復(fù)TOF估計(jì)的結(jié)果分布4．3長TOF的估計(jì)TOF較長時(shí)，的長度kN很大，信噪比變低。本實(shí)驗(yàn)主要考察驗(yàn)對射式淤泥密度測量系統(tǒng)中，算法的精度。為防止淤泥掛搭，探頭距離一般在10-40cm。對于距離更遠(yuǎn)、TOF更長的應(yīng)用，可以采用粗測及精測兩步進(jìn)行，粗測大致確定TOF的范圍。為了提高長距離測量時(shí)的信噪比，可以加強(qiáng)激勵信號幅度，所用的超聲信號發(fā)生器，最大驅(qū)動電壓為300Vpp.圖10較長TOF的估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中，傳感器平面相距約50cm，驅(qū)動脈沖幀長為40us，采樣數(shù)據(jù)長度預(yù)計(jì)為。圖10是一組測量結(jié)果，(a)是驅(qū)動信號，(b)是采集的數(shù)據(jù)，(c)及(d)是其相關(guān)函數(shù)，測量結(jié)果為TOF=33.55us，分辨率為50ns。此時(shí)，各有46個+2和-2，每一點(diǎn)相關(guān)函數(shù)只需計(jì)算加減法92次，總共約需做147200次定點(diǎn)加法運(yùn)算。采用FFT算法，則需要161841次實(shí)數(shù)浮點(diǎn)乘法及379000次浮點(diǎn)加法運(yùn)算。不僅時(shí)間長，且需要額外的存儲空間。如果采用粗測及精測相結(jié)合的方法，計(jì)算量還可以進(jìn)一步降低。5.系統(tǒng)的硬件采用DRLFM激勵，并采用遞推相關(guān)函數(shù)估計(jì)算法超聲波TOF測量中，只需要加法減法運(yùn)算，降低了計(jì)算復(fù)雜性，不需要額外的存儲空間，并且可以并行實(shí)現(xiàn)，適合基于FPGA或CPLD的硬件實(shí)現(xiàn)。信號采用基帶傳輸，不需要調(diào)制解調(diào)，相關(guān)函數(shù)主瓣較窄，不僅提高了信號傳輸效率，也提高了算法的精度及魯棒性。這種遞推算法為高頻、高精度超聲測量提供了一種有效的方法。5.1系統(tǒng)的硬件方案圖11流量監(jiān)測系統(tǒng)原理圖前面已經(jīng)簡單的給出了系統(tǒng)方案，這里再詳細(xì)的給出系統(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為核心信號處理電路，以MCU為核心的后端服務(wù)電路。下面將詳細(xì)的介紹各部分的硬件組成和功能。5.2傳感器的選擇圖.12超聲傳感器的阻抗特性。(a)阻抗特性圖。(b)相位特性圖。采用收發(fā)一體超聲波傳感器，中心頻率，帶寬為0.4MHz,特性如圖12所示傳感器選擇條件：首先要防水，這樣不管是用在管道上，還是用在液體中都可以；超聲波在水中傳輸時(shí)，中心頻1MHz左右時(shí)。傳輸效率較好；收發(fā)一體，便于雙向交替發(fā)送于接收。5.3驅(qū)動信號產(chǎn)生圖X是本文采用可編程器件實(shí)現(xiàn)的DRLFM信號發(fā)生器框圖，系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為。在每個脈沖串周期中，頻率變化率和頻率控制字累加器一次，實(shí)現(xiàn)頻率的線性增加，頻率控制字的初值為，相位累加器PA及N位頻率控制字累加一次，實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)頻變化，即，每個時(shí)鐘內(nèi)，N位相位累加器的高M(jìn)位作為LUT的地址，LUT(Look-Up-Table)中存放的D位的正弦信號波形數(shù)據(jù)在M位地址信號的尋址后輸出送數(shù)字比較器Comp和給定的參考信號Dref進(jìn)行比較,產(chǎn)生方波信號。其調(diào)諧方程為，分辨率為；根據(jù)超聲換能器的中心頻、帶寬和信號持續(xù)時(shí)間，可以確定DRLFM的起始頻率控制,調(diào)頻速度。改變FW可以改變DRLFM的中心頻率；設(shè)定可以設(shè)定調(diào)頻速度，當(dāng)時(shí)輸出為頻率穩(wěn)定的方波信號；改變參考電壓數(shù)據(jù)，其方波的占空比可調(diào)。圖.X基于DDFS的DRLFM發(fā)生器5.4參數(shù)選擇及計(jì)算例本文以中心頻率為1MHz的防水型超聲波發(fā)及收對為例，選擇并計(jì)算DRLFM的相關(guān)參數(shù)。N=40，M=10，D=8，相位累加器采用流水線結(jié)構(gòu)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>趙正敏</Author><Year>2001</Year><RecNum>219</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>219</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2r0x52adfsvfa6e5s0f5a5r3s9f0fzss5rta">219</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>趙正敏</author></authors></contributors><titles><title>DDS流水線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)</title><secondary-title>APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE</secondary-title></titles><periodical><full-title>APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE</full-title></periodical><volume>27</volume><number>3</number><dates><year>2001</year></dates><publisher>萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]，LUT中的四分之一相限的正弦波形數(shù)據(jù)為8位256字節(jié)，可以在FPGA或CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。Comp為八位比較器。當(dāng)MHz，Hz，超聲換能器的中心頻MHz、帶寬MHz，信號持續(xù)時(shí)間ms，可以確定DRLFM的起始頻率控制；,相對誤差為小于0.01%。和其它的DDFS電路一樣，當(dāng)頻率控制字為非2的整數(shù)冪時(shí)，輸出信號中會產(chǎn)生輕微的相位截尾誤差，但當(dāng)特別是當(dāng)很高時(shí)，這種相位抖動遠(yuǎn)小于模擬比較器及模擬信號中的干擾ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>趙正敏</Author><Year>2000</Year><RecNum>201</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>201</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2zeddv0thvxxsyeevvixv55t552d55vd05e2">201</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">趙正敏</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">相位截尾對DDS輸出頻譜影響的分析及計(jì)算</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</full-title></periodical><pages><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">141-145</style></pages><volume><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">30</style></volume><number><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">001</style></number><dates><year><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">2000</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]。本系統(tǒng)中采用的MAXII，器件最高工作頻率可達(dá)300MHz。此外，由于采用相關(guān)估計(jì)算法估計(jì)TDOA，適當(dāng)?shù)南辔欢秳訉ο嚓P(guān)估計(jì)的精度是有益的。5.5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。作為對模擬信號的切換，可以有以下三個方案可以選擇。用繼電器進(jìn)行切換。當(dāng)信號接通后，由于繼電器實(shí)際上就是導(dǎo)線，所以不存在信號失真的現(xiàn)象。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。采用模擬開關(guān)。起初作者采用了這種方案，模擬開關(guān)開關(guān)頻率高，對信號的影響比較小，但在實(shí)用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，由于切換的雙方是接收到的微弱的超聲信號和用于發(fā)射的高壓信號，難以找到既能夠承受高壓又能使得傳輸?shù)奈⑷跣盘柺д孑^小的芯片，所以最終放棄了此方案。采用分立元器件，利用二極管的開關(guān)特性來控制開關(guān)。這種方法能夠有很高的開關(guān)頻率，能承受高壓，但作者在實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)信號失真太大，估計(jì)跟發(fā)射信號的功率有關(guān)。鑒于以上原因，作者暫時(shí)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。5.6放大電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中接收到的超聲波信號有以下特點(diǎn)：從超聲探頭接收到的信號的幅值的范圍大概為0.1mV～10mV，而一般ADC需要采樣的信號的最大幅值為5V，所以得要放大54dB～94dB，即放大電路的增益為74dB±20dB；接收到的超聲信號是一個以2.5MHz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。其中前兩節(jié)是以MAX435/436為核心的固定諧振放大電路，第三級是以AD603為核心的可程控增益放大電路?？紤]ADC603，可以實(shí)現(xiàn)±20dB的變換。這樣MAX435、MAX436兩級得要放大74dB，每一級需要37dB即可。如果信號的范圍不在0.1mv～10mv之間，則需要通過手工調(diào)節(jié)可變電阻來實(shí)現(xiàn)。由于超聲是一個窄帶信號，且由圖4.5看出在諧振頻率時(shí)，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。所以利用MAX435/436諧振放大器的功能來實(shí)現(xiàn)超聲信號的前兩級的固定增益放大的方案是可行的。采用MAX435/436構(gòu)成放大電路的原理圖。為了防止過壓，在輸入端應(yīng)該加一對二極管用以電路的保護(hù)。該電路能很好的對1MHz的窄帶信號進(jìn)行諧振放大作用。圖12放大電路原理圖5.7采樣電路設(shè)計(jì)考慮到采樣頻率等因素，采用TLC876(ADC器件,采樣頻率fs=20Msps/12bit)的高速信號采集電路，用于對超聲信號的回波進(jìn)行采集。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：在使用時(shí)作者將ADC芯片的SEL管腳接地，這樣使得其輸入范圍達(dá)到最大為0～5V。由于前級電路AD603受MAX512控制后輸出為±2.5V，這樣得要有一個±2.5V到0～5V的轉(zhuǎn)換電路。在此作者使用了一個集成運(yùn)算放大器模塊來實(shí)現(xiàn)，其示意圖如圖4.12所示，信號經(jīng)過放大器后有Vout=2.5V+Vin，這樣就完成了電壓范圍的轉(zhuǎn)換。圖中采用的運(yùn)放集成電路為OPA627，這是一款高精度、高速運(yùn)放，其參數(shù)完全能夠滿足系統(tǒng)在信號帶寬等方面的要求。圖13TLC876的應(yīng)用5.8DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)C5509有32×16bit指令緩沖隊(duì)列，可實(shí)現(xiàn)高效的塊循環(huán)操作；兩個17×17bit的MAC單元，可在單周期內(nèi)執(zhí)行兩次MAC操作；1個40bit的ALU、1個40bit的桶型移位器，4個40bit的累加器可執(zhí)行比C54系列DSP更高效的算術(shù)運(yùn)算，在400MHz的晶振驅(qū)動下，可達(dá)到800MIPS的性能。以44.1kHz采樣率的MP3數(shù)據(jù)流為例，對128kbit/s數(shù)據(jù)率的MP3數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼?；舴蚵獯a、IMDCT、子帶合成等運(yùn)算模塊共需消耗1.3MIPS的CPU資源，對于平均每秒必須解碼44.6幀數(shù)據(jù)來講，總運(yùn)算量為44.6×1.3＝57.98MIPS，C5509完全可以滿足此速度要求。C5509還具有128K×16bit的片上RAM，其中包括64KB的DARAM、192KB的SARAM和64KB的片上ROM。及眾多TMS320系列DSP處理器一樣，C5509采用了哈佛結(jié)構(gòu)，共有12組獨(dú)立總線，其中包括3組數(shù)據(jù)讀總線、2組數(shù)據(jù)寫總線、5組數(shù)據(jù)地址總線、1組程序讀總線和1組程序地址總線，這些總線并行地為各個計(jì)算單元提供指令和操作碼，從而為高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算提供了有力的保障。C5509提供了專用的外部存儲器接口（EMIF），用于控制DSP及外部存儲器之間所有數(shù)據(jù)的傳輸?？杉癊MIF無縫鏈接的存儲器有：異步存儲器（ROM、FLASH、SRAM）、同步突發(fā)SRAM、同步DRAM（SDRAM），并可支持可選的32、16、8位數(shù)據(jù)訪問。對EMIF編程時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際的外部存儲器考慮如何分配片內(nèi)使能空間(CE)。通過EMIF接口，主處理器可將數(shù)據(jù)和程序置于片外，從而節(jié)省了片上硬件資源。其次，C5509有3個獨(dú)立的多通道緩存串口（McBSP），使得C5509能夠直接及其他C55xx系列DSP、多媒體數(shù)字信號編解碼器等設(shè)備高速互連，這些McBSP可以提供全速雙工通信，并支持128通道的收發(fā)，接收或者發(fā)送可以選擇使用獨(dú)立的時(shí)鐘，字寬為8、12、16、20、24位任選。5.9可編程邏輯器件方案FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）及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。CPLD在系統(tǒng)中的作用：（1）為DSP以及單片機(jī)的譯碼，以實(shí)現(xiàn)DSP、單片機(jī)系統(tǒng)的完整性；（2）為串行接口的DAC提供并串轉(zhuǎn)換功能，使得DAC直接映射成DSP、MCU的一個寄存器，從而簡化了系統(tǒng)對DAC控制；（3）為整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個全局控制器，這樣使整個系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)的運(yùn)行，同時(shí)使得DSP能專一處理流速的計(jì)算。圖14驅(qū)動信號產(chǎn)生、信號采集部分原理圖參考文獻(xiàn)1. 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