超聲波流量計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1.引言</b></p><p>　　研究利用超聲波測量流體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了。1928年，法國人0.Rutten研制成功了世界上第一臺超聲流量計。但為了使超聲波流量計有一定的精度，時差法超聲波流量計要求對時間的測量至少有10mS，這在當時是很難做到的。1955年，應用聲循環(huán)法的MAXSON流量計在美國研制成功，用于航空燃料油流量的測量。50年代末期，超聲

2、波流量計由理論研究階段進入工業(yè)應用時期。但由于電子線路太復雜而未占有牢固的地位[1]。</p><p>　　進入20世紀的70年代以后，由于集成電路技術的飛速發(fā)展，高精度的時間測量成為一件輕而易舉的事，再加上高性能、工作非常穩(wěn)定的鎖相技術(PLL)的出現(xiàn)與應用，使得超聲波流量計的可靠性得到了初步的保證，同時為了消除聲速變化對測量精度的影響，出現(xiàn)了頻差法超聲流量計。鎖相頻差法測量周期短，響應速度快，而且?guī)缀跬耆?/p>

3、了聲速對測量精度的影響，因而這種方法成為測量大管徑大流量超聲流量計的主要方案，缺點是測量小管徑小流量時精度得不到保證。同一時期，前蘇聯(lián)科技工作者對管道內流體的流速分布規(guī)律作了大量深入細致的研究，指出管道內流體流動存在兩種狀態(tài)：層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)，并給出了層流狀態(tài)下的理論計算公式，為超聲波流量計進一步提高測量精度打下了堅實的理論基礎。至此，超聲波流量計的研究和應用才蓬勃發(fā)展起來，超聲流量計的種類也越來越多，相繼出現(xiàn)了波束偏移法、多普勒法、

4、相關法及噪聲法等。其中波束偏移法是利用超聲波在流體中傳播時因流體流動產生的波束的偏移量的大小來測量流量，這種方法靈敏度低，只能用來測量大管徑大流量;多普勒法利用不純凈流體中散射體的多普勒頻移來測量流量，特別適用于不純凈流體的流量測量；相關法利用相關技術</p><p>　　到了80年代中后期，單片機技術的應用使超聲流量計向高性能、智能化的方向發(fā)展。由于使用了單片機作中央處理單元，系統(tǒng)不僅可以進行復雜的數(shù)學運算和數(shù)

5、據(jù)處理、進一步提高了超聲波流量計的測量精度，而且還能設計出友好的人機界面，使系統(tǒng)具有參數(shù)設置、自動檢錯排錯功能以及其他一些輔助功能，大大方便了用戶的操作和使用。單片機在超聲流量計中的應用，是超聲流量計開始真正進入工業(yè)測量領域。</p><p><b>　　2 課題研究背景</b></p><p>　　2.1 超聲波流量計的現(xiàn)狀</p><p>

6、;　　近10年來，基于高速數(shù)字信號的處理技術與微處理器技術的進步，基于新型探頭材料與工藝的研究，基于聲道配置及流動力學的研究，超聲流量測量技術取得了長足的進步，顯示了它強勁的技術優(yōu)勢，形成了迅猛發(fā)展的勢頭，其潛在的巨大的生命力是顯而易見的。</p><p>　　超聲流量測量技術的基本原理是利用超聲波在流.體中傳播時所載流體的流速信息來測量流體流量的。超聲波流量計一般.由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三

7、部分組成。超聲波換能器將電能轉換為超聲波能量，將其發(fā)射并穿過被測流體，接收換能器接收到超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉換為代表流量的電信號，供顯示和積算，這樣就實現(xiàn)了流量的檢測顯示。</p><p>　　在國外，以美國Controlotron公司和Ploysonics公司為代表的產品較多的采用數(shù)字信號處理技術，如“同步調制”和FFT技術，他們廣泛的采用以DSP為核心的數(shù)字處理電路，從而能夠更快實時的處理超聲信號，同

8、時能夠實現(xiàn)一些復雜的算法，如Ploysonics公司的DDF3088型是該公司的新一代全數(shù)字化便攜式多普勒流量計，它采用了數(shù)字濾波和數(shù)字頻譜分析技術，能自動識別多普勒信號與噪聲信號，抗干擾能力強，采用了高分別率的液晶顯示，可以現(xiàn)場對信號進行多普勒分析。在測量方法方面有的利用改進的時差法，用以消除速度受溫度的影響，還有將時差法與多普勒法的組合，如Controlotron公司研制的480型超聲流量計，這樣使得產品的實用范圍更廣。但由于國外的

9、產品的價格比較高（每臺約為5～10萬元左右），所以限制了在國內的大量使用[2]。</p><p>　　目前國內的廠家生產的超聲波流量計雖然價格比較便宜，但總體性能差，主要用于測量比較容易的大管徑管道中流體的測量。他們多采用的方法是時差法，以單片機為系統(tǒng)核心進行信號處理。但由于受單片機速度的限制，所以只能進行一些比較簡單的算法，如通過計數(shù)來實現(xiàn)流速的計算。同時由于一般的時差法受溫度的影響比較大，所以在精度上面就不會

10、很高。如南京亞楠公司生產的ZLC系列流量計是國內率先采用多脈沖發(fā)射和接收寬帶技術，并帶有微機控制的新型超聲波時差式流量計。近幾年來由于DSP和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，以及以基于DSP為核心的數(shù)字信號處理電路技術日益成熟和廣泛使用，使得可以采用以DSP為處理核心的超聲波流量計來廣泛取代國內的以單片機為核心的超聲波流量計，從而可利用數(shù)字信號處理的一些技術來改善產品的測量精度，如FFT、數(shù)字濾波、插值運算、相關運算，從而來提高系統(tǒng)測量的精

11、度。通過這些改進使國內流量計的性能已達到國外的水平，從而能更好的為國民經(jīng)濟服務。</p><p>　　2.2 超聲波流量計的發(fā)展趨勢</p><p>　　超聲波流量計正在快速發(fā)展成為流量測量領域，尤其是計量碳氫化合物的首選。ARC這份名為《世界超聲波流量計前景展望》的主要作者、自動化分析師Allen Avery表示：“盡管超聲波流量測量技術的出現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)十年了，其應用范圍卻非常小。而隨著用

12、戶逐漸認識到超聲波流量計的眾多優(yōu)點，包括高精確度、無阻礙測量以及較低的總體擁有成本等，這一情況將逐漸改觀?！?</p><p>　　在石油和天然氣領域快速普及 最近幾年超聲波流量計市場的一切增長，幾乎都是由于這種產品在石油和天然氣領域銷量的增加而帶來的。超聲波流量計在這一領域的銷量比起以前將近翻了一倍。由于AGA9監(jiān)護運輸標準的推廣，天然氣的監(jiān)護運輸市場已經(jīng)基本成形。在2003年到2005年間，監(jiān)護運輸量增加了三

13、倍多，而這一領域占超聲波流量計銷售的5%。只有液體碳氫化合物監(jiān)護運輸?shù)腁PI和OIML標準在行業(yè)內得到推廣，超聲波流量計才能在這個領域普及。</p><p>　　超聲波流量計具有高精確度和低總體擁有成本 不論是從技術上還是從經(jīng)濟上看，超聲波測量儀器都是流量測量的理想選擇。通過多光束和數(shù)字信號處理，超聲波測量儀可以實現(xiàn)很高的測量精確度。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒有移動的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會阻擋

14、或者減慢管道中氣體或者液體的流動。它能夠準確地測量液態(tài)石油氣產品的寬頻，而不需像機械型技術那樣得到驗證。高靈敏度使其可以檢測到管道中的任何泄漏，并可以測量和補充各種會影響監(jiān)護運輸領域中的測量準確度的變量。 亞洲和中東市場增長最大 亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計的增長將會是最大的。中國和印度將會在基礎設施和新工廠上大舉投資。中國能源缺乏，為了尋找推動經(jīng)濟快速發(fā)展的能源，將會對其石油和天然氣基礎設施進行改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管

15、道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計供應商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個大型發(fā)電及海水淡化廠上進行投資。相比之下，北美市場的增長則顯得相對平淡，但由于這一地區(qū)在石油和天然氣基礎設施及工業(yè)自動化上的投資，北美市場將仍然具有可觀的增長。</p><p>　　2.3 超聲波流量計的市場前景</p><p>　　隨著石油和天然氣工業(yè)的強勢增長，以及行業(yè)對于現(xiàn)場設備

16、技術的逐步接受，超聲波流量計的全球市場總額將在今后5年內以9.6%的復合年增長率(CAGR)增長。ARC Advisory Group最近的一份報告指出，2005年該市場總值為2.75億美元，到2010年將超過4.34億美元。 </p><p>　　超聲波流量計正在快速發(fā)展成為流量測量領域，尤其是計量碳氫化合物的首選。ARC這份名為《世界超聲波流量計前景展望》的主要作者、自動化分析師Allen Avery表示：“

17、盡管超聲波流量測量技術的出現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)十年了，其應用范圍卻非常小。而隨著用戶逐漸認識到超聲波流量計的眾多優(yōu)點，包括高精確度、無阻礙測量以及較低的總體擁有成本等，這一情況將逐漸改觀。” </p><p>　　石油和天然氣領域快速普及，最近幾年超聲波流量計市場的一切增長，幾乎都是由于這種產品在石油和天然氣領域銷量的增加而帶來的,超聲波流量計在這一領域的銷量比起以前將近翻了一倍。由于AGA9監(jiān)護運輸標準的推廣，天然氣的監(jiān)

18、護運輸市場已經(jīng)基本成形。在2003年到2005年間，監(jiān)護運輸量增加了三倍多，而這一領域占超聲波流量計銷售的5%。只有液體碳氫化合物監(jiān)護運輸?shù)腁PI和OIML標準在行業(yè)內得到推廣，超聲波流量計才能在這個領域普及。 </p><p>　　超聲波流量計具有高精確度和低總體擁有成本 ，不論是從技術上還是從經(jīng)濟上看，超聲波測量儀器都是流量測量的理想選擇。通過多光束和數(shù)字信號處理，超聲波測量儀可以實現(xiàn)很高的測量精確度。與傳統(tǒng)

19、的渦輪式儀表不同，它沒有移動的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會阻擋或者減慢管道中氣體或者液體的流動。它能夠準確地測量液態(tài)石油氣產品的寬頻，而不需像機械型技術那樣得到驗證。高靈敏度使其可以檢測到管道中的任何泄漏，并可以測量和補充各種會影響監(jiān)護運輸領域中的測量準確度的變量。 </p><p>　　亞洲和中東市場增長最大 ，亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計的增長將會是最大的。中國和印度將會在基礎設施和新工廠上大舉投資

20、。中國能源缺乏，為了尋找推動經(jīng)濟快速發(fā)展的能源，將會對其石油和天然氣基礎設施進行改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計供應商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個大型發(fā)電及海水淡化廠上進行投資。相比之下，北美市場的增長則顯得相對平淡，但由于這一地區(qū)在石油和天然氣基礎設施及工業(yè)自動化上的投資，北美市場將仍然具有可觀的增長。</p><p>　　3.超

21、聲波流量計設計方案及分析</p><p>　　3.1超聲流量計的分類</p><p>　　超聲波技術應用于流量測量主要依據(jù)是：當超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就會載有流體流速的信息。超聲波流量計對信號的發(fā)生、傳播及檢測有著各種不同的設置方法，從而構成了不同原理的超聲流量計，其大致可分為傳播速度差法（包括：時差法、相位差法、頻差法），多普勒法，相關法等等。</p>&

22、lt;p><b>　　3.2傳播速度差法</b></p><p>　　傳播速度差法是根據(jù)超聲波在流動的流體中，順流及逆流傳播時的速度之差與被測流體流速之間的關系來求流速或流量的方法。按其所測的物理量的不同，傳播速度差法又可分為(直接)時差法、相位差法和頻差法三種。時差法就是直接測量超聲波順流和逆流傳播的時間差，它適用于大、中口徑管道及明渠流量的測量，但時差法流量計受溫度的影響較大，流體

23、溫度變化對這種系統(tǒng)測量精確度的影響是不能忽視的，實驗表明，在使用在機玻璃聲楔的條件下，流體溫度每變化10℃，就會給測量增加1%左右的誤差，并且聲速的溫度系數(shù)不是常數(shù);另外，當流體的組成或密度變化時，也將引起聲速的變化，從而影響測量精度。其發(fā)展方向是提高計時精度和設法降低溫度對測量精度的影響。頻差法是通過測量一定時間內兩組閉路循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)頻率之差來測得流量。頻差法精度高、受溫度影響較小，但受環(huán)境影響較大，工作不穩(wěn)定。相位差法通過把時間

24、差轉換為相位差，避免了測量微小的時間差，可提高測量的精度，但受溫度的影響依然很大。</p><p><b>　　3.3多普勒法</b></p><p>　　多普勒法利用的是聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體的超聲波多普勒頻移來確定流體的流量。這一技術已在醫(yī)療儀器上得到了重要的應用，多普勒流速計現(xiàn)在已成非觀血的、無侵襲的臨床測量血流的重要手段。在工業(yè)計量領域中，

25、多普勒流量計可以用來測量含泥沙的河水、污水等含有較大顆粒的流體流量。但是，多普勒流量計多數(shù)情況下測量精度不高。其工作原理是流體管道內任何流動的液體都存在不連續(xù)的擾動，諸類不連續(xù)的擾動可以是懸浮的固體顆粒，氣泡或由于流體擾動而引起的界面，這種擾動使反射的超聲波產生頻移，頻移是流速的線性函數(shù)。通過測量頻移，即可測量管道內流速（或流量）。</p><p>　　隨著技術的進步，多普勒超聲波流量計的發(fā)展不僅可測量帶懸浮顆粒

26、及氣泡的污濁液體，也可測量純凈流體。大洋伯斯特DS多普勒流量計就具備這種特點。</p><p><b>　　3.4相關法</b></p><p>　　相關法利用流體內部自然產生的隨機流動噪聲現(xiàn)象，將流體的流速測量問題轉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，運用相關測量技術可實現(xiàn)流體流速的在線測量。根據(jù)測量原理，流速的測量精度主要取決于渡越時間和兩個平行

27、的超聲波波束之間距離的測量精度。由于是測量兩個固定波束之間的渡越時間，因此，測量結果不受流體中聲速變化和流體性質的影響，但流體的流場分布影響流速的測量精度。由于超聲波互相關流量計的這些特點，其應用前景非?？春?，一些發(fā)達國家在這一領域加大投資，尤其是德國和英國，在此領域進行了較全面的研究工作，其中德國科學研究院1998年批準資助兩個大學8個研究所在此領域開展研究工作。</p><p>　　4 時差法超聲波流量計設計

28、</p><p>　　4.1時差法測量原理及主要特點</p><p>　　本論文研究的是基于時差法的超聲波液體流量計，其管段內部結構簡化圖如圖1所示，換能器1，2相對于管道軸線的安裝角是，管徑為，兩個換能器之間的距離為，流體流動方向如圖所示：</p><p>　　圖1 時差法測量流量原理圖</p><p>　　當流體以速度流動時，超聲波的實

29、際傳播速度是聲速和流體在聲道方向上的速度分量的疊加，即：</p><p>　　超聲波信號在流體中順流和逆流的傳播時間分別為：</p><p>　　t順 =t2→1 == （4.1）</p><p>　　t逆 =t1→2 == （4.2）</p><p>　　式中：為一次裝置管內徑，為兩個

30、換能器之間的距離，為超聲波在靜止介質中的傳播速度，故：</p><p>　　△t = t順 — t逆 = （4.3）</p><p>　　一般情況下，聲波在液體中的傳播速度在1000m/s以上，而多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中的流速遠小于聲速，即 ，所以時間差可以近似簡化為：</p><p>　　△t = t順 — t逆 =

31、 （4.4）</p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　體積流量表達式：</b></p><p><b>　　（4.6）</b>&

32、lt;/p><p>　　式中：為管道的橫截面積，為流體在管道內的流動速度。</p><p>　　由上式可以看出，由于一次裝置內徑，換能器與軸線夾角可以通過實際情況測量得到，所以當聲速一定時，只要測的時間差，就可以按式子（4.5）求得流速u，進而由式子（4.6）求得流體的體積流量[15]。</p><p>　　時差法測量流量具有以下幾個特點：</p><

33、;p>　　a) 由于時差法超聲波流量計采用了精密的時差法檢測，并有信號的自動跟蹤，溫度的自動補償?shù)认冗M的技術，因此它具有運行穩(wěn)定，計量準確可靠，儀表的運算和顯示精度較高的特點。</p><p>　　b) 對被測介質來說，超聲波流量計屬于非接觸測量，在安裝過程中不損壞管路，可以滿足工廠工藝生產用水不斷流的要求，安裝極為方便。</p><p>　　c) 在測量時，管道中沒有節(jié)流器件，流體

34、不存在壓力損失，非常有利于節(jié)約能源。</p><p>　　d) 電子線路的集成度高，幾乎不需要維護與修理，編程靈活簡單，用戶輸入的數(shù)據(jù)為常用的原始數(shù)據(jù)，不需要經(jīng)過人工的計算，省時省力。</p><p>　　基于相關分析的時延估計方法是一種提出較早的時延估計方法, 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,相關以及快速

35、傅里葉變換等方面具有無可比擬的優(yōu)勢, 已經(jīng)廣泛應用于雷達、 通信信號處理、 語音信號處理、 儀器設備、 數(shù)字圖像處理以及生物醫(yī)學等眾多領域。為此, 本文研究了利用數(shù)字信號處理器DSP 實現(xiàn)基于相關分析的時延估計方法。為了提高測量低速液體的精度及抗干擾能力，可以結合FFT算法對采集到的信號進行處理再用相關法處理[18]。</p><p>　　鑒于DSP處理器在信號處理方面高速的優(yōu)點，系統(tǒng)應采用以DSP為數(shù)據(jù)處理的核

36、心。</p><p>　　為了進行復雜的數(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，或者調制波方案。同樣對接收信號的檢測就不能通過單點的判斷，而是首先通過ADC將信號進行采樣，再利用數(shù)字信號處理的一些方法將流速計算出[6]。</p><p>　　在信號處理方面，由于順流、逆流兩次發(fā)射的信號相同，通過的介質相同，所以接收到的兩組信號在時間域上只是一個

37、簡單的時間延遲和一些噪聲，這樣我們可以采用相關法超聲流量計的思想，通過對兩組信號的相關處理來計算出，從而計算出流速v。出，從而計算出流速v。</p><p>　　4.2激勵信號的自相關函數(shù)及頻譜的MATLAB仿真</p><p>　　合理選擇激勵信號有助于穩(wěn)定可靠地估計TOF。圖2是63位幅度為1、周期為127的PRBS信號及其自相關函數(shù)、PRBS調制信號及其頻譜。載波頻率為1MHz，每位

38、PRBS包含8個載波周期，驅動信號幀長約為0.5ms?？梢钥闯觯琍RBS自相關函數(shù)主瓣幅度很高，寬度為0.016ms[19]。圖3是一幀0.05ms的LFM信號、自相關函數(shù)及其頻譜。信號頻率從0.83MHz 線性增加到1.2MHz, 中心頻率為1MHz。圖4是與圖3相對應的DRLFM信號及其相關函數(shù)與頻譜，采樣頻率為20Msps。從圖3(b)及圖4(b)可以看出，相關函數(shù)的主瓣很窄，第一副瓣高度約為主瓣高度的46%，而其寬度卻比PRBS

39、調制信號窄得多，驅動信號的幀長也比PRBS調制信號短得多。從頻譜圖上看，LFM信號帶寬略寬于PRBS調制信號，但仍在其帶寬內，可以高效率傳輸。由于LFM及DRLFM是連續(xù)漸變信號，起振與拖尾現(xiàn)象[16]的影響不大。</p><p>　　圖2 單位PRBS的自相關函數(shù)及其調制信號頻譜, PRBS周期為127，載波頻率是1MHz (a) 63位PRBS； (b)PRBS自相關函數(shù)；(c) PRBS調制信號；(d)P

40、RBS調制信號的頻譜</p><p>　　圖3 LFM的自相關函數(shù)及其頻譜 (a)LFM信號；(b)自相關函數(shù)；(c) LFM的Fourier變換幅度</p><p>　　圖4 DRLFM的自相關函數(shù)及其Fourier變換模</p><p>　　4.3時差算法的具體實現(xiàn) </p><p>　　4.3.1系統(tǒng)的硬件方案</p>

41、<p>　　圖5 系統(tǒng)硬件方案</p><p>　　前面已經(jīng)簡單地給出了系統(tǒng)方案，這里再詳細地給出系統(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為核心的后端服務電路。</p><p>　　下面將詳細的介紹各部分的硬件組成和功能。</p><p>　　4.3.2切換單元電路設計</p&g

42、t;<p>　　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。</p><p>　　（1）用繼電器進行切換。當信號接通后，由于繼電器實際上就是導線，所以不存在信號失真的現(xiàn)象。但繼電器的開關頻率有限，而且有一定的總開關次數(shù)限制，一般在100萬次。</p><p>　?。?）采用模擬開關。起初作者采用了這種方案，模

43、擬開關開關頻率高， CMOS模擬開關不行，CMOS開關頻率在1MHz，不適用于中心頻率為1MHz的超聲波電路。在實用的時候發(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。</p><p>　?。?）采用分立元器件，利用二極管的開關特性來控制開關。這種方法能夠有很高的開關頻率，能承受高壓，但作者在實驗的過程中發(fā)現(xiàn)信號

44、失真太大，估計跟發(fā)射信號的功率有關。鑒于以上原因，作者暫時選用了繼電器方案，這樣可以簡化項目的難度，而且控制繼電器開關所需要的12V電平，發(fā)射電路中的CD4504正好能夠提供。</p><p>　　4.3.3放大電路設計</p><p>　　系統(tǒng)中接收到的超聲波信號有以下特點：</p><p>　　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

45、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；</p><p>　　接收到的超聲信號是一個以2.5 MHz為中心的窄帶信號；由于后續(xù)信號處理采用的是相關算法，所以對放大電路的抗干擾要求不高；</p><p>　　鑒于以上特點，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

46、大電路，第三級是以AD603為核心的可程控增益放大電路。考慮ADC603，可以實現(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，則需要通過手工調節(jié)可變電阻來實現(xiàn)。</p><p>　　由于超聲是一個窄帶信號，且由圖4.5看出在諧振頻率時，基本滿足每一級37dB的要求，即使實際中不滿足，可以通過調節(jié)RSET或者RL

47、來達到目的。所以利用MAX435/436諧振放大器的功能來實現(xiàn)超聲信號的前兩級的固定增益放大的方案是可行的。</p><p>　　采用MAX435/436構成放大電路的原理圖。為了防止過壓，在輸入端應該加一對二極管用以電路的保護。該電路能很好的對1 MHz的窄帶信號進行諧振放大作用。</p><p>　　圖6 放大電路原理圖</p><p>　　4.3.4采樣電

48、路設計</p><p>　　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行采集。</p><p>　　本文設計的采樣頻率為1MHz，綜合考慮整個系統(tǒng)的成本和精度要求，作出的設計圖如下：</p><p>　　圖7 TLC876的應用</p><p>　

49、　4.3.5 DSP系統(tǒng)設計</p><p>　　DSP5416具有先進的多總線 結 構具有三個 只讀 的 16 位數(shù)據(jù)存儲器總線和 內存總線的一個程序 。40 位算術邏輯單元（ ALU ） ，包括 一個 40 位 圓柱形 移位器和兩個獨立的蓄電池。17-17 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。比較、選擇和儲存單位是為了加法/比較選擇的維特比運算。指數(shù)編碼器計算的是一個周期內指數(shù)為一個40位累

50、加器的值。 兩個地址發(fā)生器和八個輔助寄存器以及兩個輔助算術寄存器單位。數(shù)據(jù)總線具有一個所有總線的特征。擴展尋址模式為8M的16位最大外部尋址程序空間。128K的16位片內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。16K 16位片上ROM的內存為了記憶程序，還具有增強外部并行接口 。</p><p>　　圖8 DSP最小系統(tǒng)原理

51、圖</p><p>　　4.3.6可編程邏輯器件方案</p><p>　　FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）與CPLD（復雜可編程邏輯器件）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：</p><p>　　（1）為DSP以及單片機的譯碼，以實現(xiàn)DSP、單片機系統(tǒng)的完整性；</p><p>　?。?）為串行接口的DAC

52、提供并串轉換功能，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；</p><p>　?。?）為整個系統(tǒng)設計一個全局控制器，這樣使整個系統(tǒng)能夠協(xié)調的運行，同時使得DSP能專一處理流速的計算。</p><p>　　圖9 驅動信號產生、信號采集部分原理圖</p><p>　　4. 超聲流量計軟件設計的開發(fā)</p><p&g

53、t;　　4.1 CCS軟件的使用</p><p>　　CCS是TI公司開發(fā)的一個集編輯、編譯、調試等功能為一體的DSP開發(fā)工具。</p><p>　　在CCS中，源代碼的書寫有一定的格式。每一行代碼分為三個區(qū)：標號區(qū)、指令區(qū)和注釋區(qū)。標號區(qū)必須頂格寫，主要是定義變量、常量、程序標簽名稱。指令區(qū)位于標號區(qū)之后，以空格或TAB隔開。如果沒有標號，也必須在指令前加上空格或TAB，不能頂格。注釋區(qū)

54、在標號區(qū)之后，以分好開始。注釋區(qū)前面可以沒有標號區(qū)或指令區(qū)。另外還有專門的注釋行，以*打頭，必須頂格開始。一般區(qū)分大小寫，除非加編譯參數(shù)忽略大小寫。</p><p>　　一個完整的DSP程序至少包含三個部分：程序代碼、中斷向量表、鏈接配置文件。鏈接配置文件確定了程序鏈接成最終可執(zhí)行代碼時的選項，其中有很多條目，實現(xiàn)不同方面的功能，其中最常用的是，存儲器的分配，指定程序入口。</p><p>

55、;　　打開CCS并建立一個新的空工程，輸入源代碼文件以及鏈接配置文件，并將這些文件加入到工程中。選擇ProjectOptions來對工程進行設置。輸入程序后，選擇ProjectBuild來編譯生成的工程；修改程序中的錯誤，直到編譯成功。編譯成功后，我們可以選擇Debugrun運行程序，觀察運行的結果。</p><p>　　4.2基于DSP軟件的相關器設計</p><p>　　從相關法測量原

56、理可知，相關法測量流量的精度取決于相關器測量時延的精度，亦即取決于相關函數(shù)峰值點位置的測量精度，而與相關函數(shù)絕對值的大小無關。因此，應用相關法測量流速的關鍵問題之一是研制或配備時延分辨率高、實時性強、成本低的數(shù)字式相關儀。</p><p>　　如果從上、下游傳感器獲得的流動噪聲信號和可以分別看作是來自個態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程和的兩個樣本函數(shù)，則它們的互相關函數(shù)為:</p><p>　　從理淪

57、上說，隨機流動噪聲信號和之間的互相關函數(shù)應在無限大的時間平均下求得。然而，在實際系統(tǒng)中，為了滿足實時性的要求，上、下游流動噪聲信號和之間的互相關函數(shù)的運算只允許在有限的時間間隔內進行。從上式可以看出，在數(shù)字式相關器中為完成延時值為:的互相關函數(shù)次乘法和次加法運算。如果希望得到個不同延時值下的互相關函數(shù)，就需完成次加法和次乘法計算。因此，為了增加相關函數(shù)測量的實時性，對數(shù)字相關器中乘法和加法運算速度的要求是相當高的。</p>

58、<p>　　4.2.1直接幅值相關法</p><p>　　將上游傳感器測得的信號和下游傳感器測得的信號做互相關運算，得到的互相關函數(shù)的表達式為：</p><p>　　其中，為測量時間，為時延值。計算互相關函數(shù)就是在不同時延值下比較這兩個信號的波形相似程度，得到互相關函數(shù)的圖形，該圖形的峰值位置所對應的時間位移就是隨機信號在兩個傳感器之間的距中的傳遞時間，即渡越時間?？紤]到進行相

59、關運算和處理的都是數(shù)字電路，所以當算法采用直接幅值相關法，應將上面的公式離散化，得：</p><p>　　其中，，且，是采樣間隔，其值為采樣時間除以采樣點數(shù)。</p><p>　　使用直接幅值相關法，完成一次相關運算的計算量是非常大的，可以用下述方法來估計。以數(shù)字相關器為例，為了完成某一固定下的相關函數(shù)估計值的計算，需要進行次乘法和次加法。如果希望得到個不同延時值下的互相關函數(shù)，就需要完成

60、次乘法和次加法計算。這對硬件的要求非常得高，如果要保證測量精度，則要犧牲相關測量的實時性。故放棄。</p><p>　　4.2.2傅里葉變換法</p><p>　　從以上敘述可以看出，傳統(tǒng)相關器的設計是基于時域的計算方法，為了簡化計算，一般采用極性相關，為了減小量化誤差，一般需要較長的積分時間，而且在量化的同時也丟失了流動信號中包含的與流動狀態(tài)有關的信息。本系統(tǒng)嘗試采用DSP及FFT，在頻

61、域內構造相關器，以此為基礎構造實時流量測量系統(tǒng)。</p><p>　　傅里葉變換是將信號從時域變換到頻域的一種變換形式，是信號處理領域中的一個重要的分析工具。DFT離散傅立葉變換是連續(xù)傅里葉變換在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)，完成離散時域信號到頻域的轉換。在震動、聲學、圖像信息處理、衛(wèi)星攝影分析等時域頻域轉換和隨機過程的數(shù)字信號處理中，傅里葉變換占有非常重要的地位。微型計算機的發(fā)展，為數(shù)字化分析開辟了廣闊的前景，快速傅里葉變

62、換（FFT）已成為數(shù)字信號處理和線性系統(tǒng)分析的有力工具。</p><p>　　設、及分別是、及的傅立葉變換，且是、的互相關函數(shù)，根據(jù)時域相關定理，則有: </p><p>　　再通過傅立葉逆變換即可直接求得時域的相關函數(shù)。雖然傅立葉變換比較復雜，但現(xiàn)在已經(jīng)有高速DSP和成熟的FFT算法，而兩個頻譜的相乘只不過是一次多相式乘法。這樣利用快速傅立葉變換和DSP的高速運算能力，即可構成實時性很好

63、的相關流量器。相關算法流程圖如下：</p><p>　　圖10 相關算法流程圖</p><p>　　用FFT法進行相關運算步驟如下：</p><p>　　(1) 用補零值點的方法避免混疊失真，使和具有相同的列長。，且（為正整數(shù)），</p><p><b>　　(2) 求點FFT</b></p><p&

64、gt;<b>　　(3) 求乘積</b></p><p>　　(4) 求的IFFT</p><p><b>　　，</b></p><p>　　即可以利用求的IFFT后，取共軛再乘以得到。</p><p>　　由于,是實序列，所以求得為</p><p><b>　　

65、，</b></p><p>　　若直接幅值相關法的計算復雜度為O (N2)，而改進后的FFT算法程序的計算復雜度為，將大大地提高運算的速度。最后仿真結果最大值在n=51,與設計的n=50相差無幾，仿真成功。</p><p>　　圖11 FFT變換仿真圖 圖12 相關運算仿真圖</p><p><b&

66、gt;　　附件（程序）</b></p><p>　　/***********************************************************************</p><p>　　** 超聲波流量計DSP編程 </p><p>　　作者：徐宋靜 時間：2011.3.10</p><p>

67、;　　***********************************************************************/</p><p>　　#include "stdio.h"</p><p>　　#include "math.h"</p><p>　　unsigned ioport port8

68、003;/* AD 采集端口 */</p><p>　　void kfft(pr,pi,n,k,fr,fi,l,il)</p><p>　　int n,k,l,il;</p><p>　　double pr[],pi[],fr[],fi[];</p><p><b>　　{</b></p><p

69、>　　int it,m,is,i,j,nv,l0;</p><p>　　double p,q,s,vr,vi,poddr,poddi;</p><p>　　for (it=0; it<=n-1; it++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　m=it; is=0;</p>

70、<p>　　for (i=0; i<=k-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　j=m/2; is=2*is+(m-2*j); m=j;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　fr[it]=pr[is]; fi[it]=

71、pi[is];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　pr[0]=1.0; pi[0]=0.0;</p><p>　　p=6.283185306/(1.0*n);</p><p>　　pr[1]=cos(p); pi[1]=-sin(p);</p><p>　　if (l!=

72、0) pi[1]=-pi[1];</p><p>　　for (i=2; i<=n-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　p=pr[i-1]*pr[1]; q=pi[i-1]*pi[1];</p><p>　　s=(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1]);

73、</p><p>　　pr[i]=p-q; pi[i]=s-p-q;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　for (it=0; it<=n-2; it=it+2)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　vr=fr[it];

74、vi=fi[it];</p><p>　　fr[it]=vr+fr[it+1]; fi[it]=vi+fi[it+1];</p><p>　　fr[it+1]=vr-fr[it+1]; fi[it+1]=vi-fi[it+1];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　m=n/2; nv=2;<

75、/p><p>　　for (l0=k-2; l0>=0; l0--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　m=m/2; nv=2*nv;</p><p>　　for (it=0; it<=(m-1)*nv; it=it+nv)</p><p>　　for (j=0;

76、 j<=(nv/2)-1; j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　p=pr[m*j]*fr[it+j+nv/2];</p><p>　　q=pi[m*j]*fi[it+j+nv/2];</p><p>　　s=pr[m*j]+pi[m*j];</p><p>

77、　　s=s*(fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2]);</p><p>　　poddr=p-q; poddi=s-p-q;</p><p>　　fr[it+j+nv/2]=fr[it+j]-poddr;</p><p>　　fi[it+j+nv/2]=fi[it+j]-poddi;</p><p>　　fr[it+j]=fr

78、[it+j]+poddr;</p><p>　　fi[it+j]=fi[it+j]+poddi;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　if (l!=0)</b></p><p>　　

79、for (i=0; i<=n-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　fr[i]=fr[i]/(1.0*n);</p><p>　　fi[i]=fi[i]/(1.0*n);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　

80、if (il!=0)</p><p>　　for (i=0; i<=n-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　pr[i]=sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);</p><p>　　if (fabs(fr[i])<0.000001*fabs(fi[i

81、]))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if ((fi[i]*fr[i])>0) pi[i]=90.0;</p><p>　　else pi[i]=-90.0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　e

82、lse</b></p><p>　　pi[i]=atan(fi[i]/fr[i])*360.0/6.283185306;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main(void)</p><p&

83、gt;<b>　　{</b></p><p>　　int i,n,k=0;</p><p>　　double x[128],pr[128],pi[128],fr[128],fi[128],mo[128];</p><p>　　int xm,zm;</p><p>　　int *px = (int*)0x4000;

84、</p><p>　　int *pz = (int*)0x4080;</p><p><b>　　n=128</b></p><p><b>　　for (;;)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　px = (int*

85、)0x4000;</p><p>　　/* 在這里采集數(shù)據(jù)到0x4000 */</p><p><b>　　#if 0</b></p><p>　　for( i = 0; i < 128; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　*px++

86、 = port8003;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　#endif</b></p><p>　　px = (int*)0x4000;</p><p>　　for (i=0; i<=n-1; i++)</p><p><b&g

87、t;　　{</b></p><p><b>　　xm=*px;</b></p><p>　　x[i]=xm/32768.0;</p><p>　　pr[i]=x[i];</p><p><b>　　pi[i]=0;</b></p><p><b>　　p

88、x++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　kfft(pr,pi,128,7,fr,fi,0,1);</p><p>　　pz = (int*)0x4080;</p><p>　　for (i=0;i<=n-1;i++)</p><p><

89、b>　　{</b></p><p>　　mo[i] = sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);</p><p>　　zm = (int)(mo[i]*1000.0);</p><p><b>　　*pz = zm;</b></p><p><b>　　pz++;</

90、b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　k++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　IFFT只要先將FFT變換得到的X(k)取共軛，就可以直接利用FFT子程序，F(xiàn)FT運算和IFFT運算可以共用一個子程序。

91、</p><p>　　其中inv就為正變換和逆變換標志，0為正變換，1為逆變換</p><p>　　void fft(float *xr,float *xi,int n,int inv)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i,j,a,b,k,m;</p><p>

92、　　int ep,arg,mt,s0,s1;</p><p>　　float sign,pr,pi,ph;</p><p>　　float *s,*c;</p><p>　　c=(float *)calloc(n,sizeof(float));</p><p>　　if(c==NULL) exit(1);</p><p&g

93、t;　　s=(float *)calloc(n,sizeof(float));</p><p>　　if(s==NULL) exit(1);</p><p><b>　　j=0;</b></p><p>　　if(inv==0)</p><p><b>　　{</b></p><

94、p><b>　　sign=1.0;</b></p><p>　　for(i=0;i<n;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　xr[i]=xr[i]/n;</p><p>　　xi[i]=xi[i]/n;</p><p><b

95、>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else sign=-1.0;</p><p>　　for(i=0;i<n-1;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　if(

96、i<j)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　tra(&xr[i],&xr[j]);//交換數(shù)值</p><p>　　tra(&xi[i],&xi[j]);</p><p><b>　　}</b></p>

97、<p><b>　　k=n/2;</b></p><p>　　while(k<=j)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　j=j-k;</b></p><p><b>　　k=n/2;</b></p&

98、gt;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　j=j+k;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　ep=0;</b></p><p><b>　　i=n;</b>

99、</p><p>　　while(i!=1)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　ep=ep+1;</b></p><p><b>　　i=i/2;</b></p><p><b>　　}</b>&l

100、t;/p><p>　　ph=2*M_PI/n;</p><p>　　for(i=0;i<n;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　s[i]=sign*sin(ph*i);</p><p>　　c[i]=cos(ph*i);</p><p>

101、<b>　　}</b></p><p><b>　　a=2;</b></p><p><b>　　b=1;</b></p><p>　　for(mt=1;mt<=ep;mt++)</p><p><b>　　{</b></p><

102、p><b>　　s0=n/a;</b></p><p><b>　　s1=0;</b></p><p>　　for(k=0;k<b;k++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　i=k;</b></p>

103、;<p>　　while(i<n)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　arg=i+b;</b></p><p><b>　　if(k==0)</b></p><p><b>　　{</b></p&

104、gt;<p>　　pr=xr[arg];</p><p>　　pi=xi[arg];</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　pr=x

105、r[arg]*c[s1]-xi[arg]*s[s1];</p><p>　　pi=xr[arg]*s[s1]+xi[arg]*c[s1];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　xr[arg]=xr[i]-pr;</p><p>　　xi[arg]=xi[i]-pi;</p><

106、p>　　xr[i]=xr[i]+pr;</p><p>　　xi[i]=xi[i]+pi;</p><p><b>　　i=i+a;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　s1=s1+s0;</b></p><p&

107、gt;<b>　　}</b></p><p><b>　　a=2*a;</b></p><p><b>　　b=b*2;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　free(c);</b></p

108、><p><b>　　free(s);</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本文詳細介紹了超聲波流量計研究發(fā)展的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢以及市場前景，通過這樣詳細的介紹也進一步引出了畢業(yè)設計課題的研究意義。詳細探索了

109、超聲波流量計的方案設計，知道了檢測方案大致可分為傳播速度差法（包括：時差法、相位差法、頻差法），多普勒法，相關法等。通過超聲波流量計檢測方法對比，最終，確定采用基于時差法方案的超聲波流量計設計。然后，詳細時差法測量原理及主要特點，分析了時差法計算流量的公式表達。</p><p>　　文中通過Matlab軟件對激勵信號的自相關函數(shù)及頻譜進行了仿真分析，通過仿真圖形，可以直觀的觀察到信號波形，減少了軟件實現(xiàn)的難度。文

110、章中作者采用DSP進行相關算法的實現(xiàn)，畫出了流程圖，給出了系統(tǒng)整體電路硬件設計方案，基于此，并進行了DSP的編程設計?；旧贤瓿闪水厴I(yè)設計的要求。但是由于實驗條件的限制，對DSP硬件電路的聯(lián)調沒有實現(xiàn)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次設計是在**老師的悉心指導和幫助下完成的，他對本次設計的構思、框架和理論運用給予了許多深入精

111、心的指導，使得設計及論文得以順利完成。在論文撰寫過程中，他提供了許多寶貴的思路和建議，結合工作體會和經(jīng)歷，提出了很多有價值的觀點，為完成本次設計和論文給予了極大的幫助。在此，獻上我最誠摯的感謝！設計的另一重要環(huán)節(jié)是程序的編寫。和我同組的同學負責軟件的編寫，他花了大量的時間查閱資料，請教老師和同學。一遍一遍的在仿真軟件上模擬仿真，最后終于順利編寫出了整個的軟件程序。該程序基本上滿足了設計之初的設想要求。在這里我要感謝他。</p>

112、;<p>　　通過這次設計，使我受益非淺。畢業(yè)設計是本科四年學習的大綜合；是一場綜合的考試；是一次社會實踐。設計所涉及到的東西，是前所未有的。要求知識的綜合性較高，各方面都要用到一點，但是我們的知識是不能達到這樣的要求的，我們在困難面前沒有低頭，通過各方面的渠道來彌補，這恰恰就是我們在平時里沒有注意到的自學能力。通過這次設計，培養(yǎng)了自學能力，為以后的繼續(xù)學習打下基礎。同時這次設計是一個小型的社會團體，在這個小社會中如何相處

113、等都是一個鍛煉。</p><p>　　再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師和同學們！</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　1.蘇彥勛，李金海.流量計量.北京:中國計量出版社，1991</p><p>　　2.TexasInstrumentsIneorporated.TMssZove5

114、5x系列DsP的ePu與外設.清華大學</p><p><b>　　出版社.2005</b></p><p>　　3.梁國偉等，流量測量技術及儀表，機械工業(yè)出版社，2002.6</p><p>　　4.劉欣榮.流量計(第二版).水利電力出版社，1990</p><p>　　5.段鳳增，信號檢測理論(第二版)，哈爾濱工業(yè)大

115、學出版社，2001.12</p><p>　　6.楊小牛等，軟件無線電原理與應用，電子工業(yè)出版社，2001.1</p><p>　　7.L.Prandltetc.流體力學概論.北京:科學技術出版社，1999</p><p>　　8.顧金海，葉學干.水聲學基礎.國防工業(yè)出版社，1993</p><p>　　9.宋萬杰，羅豐.CPLD技術及其應用

116、.西安:西安電子科技大學出版社，2000</p><p>　　10．田暉.管外夾裝式超聲波流量計測量方法的研究，北京:北京化工大學碩士學位論</p><p><b>　　文.2000</b></p><p>　　11.張俊.基于DSP的超聲波流量計，南京:南京航空航天大學碩士學位論文.2005</p><p>　　12.

117、陳寧.超聲波時差流量測量及單片機實現(xiàn)的新方法.天津:天津大學碩士學位論</p><p><b>　　文.1999</b></p><p>　　13.Yao Zhenjing, Meng Qinghao, Li Genwang, et al.. Non-crosstalk real-time ultrasonic range system with optimized

118、 chaotic pulse position-width modulation excitation. in Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008. IEEE. 2008.</p><p>　　14.Fortuna, L., M. Frasca, and A. Rizzo. Chaotic Pulse Position Modulation to Improve the