今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
楊萍(1979-)，女，講師，（陜西科技大學(xué)電信學(xué)院，陜西 西安 710021）主要從事數(shù)字信號處理的教學(xué)與科研工作。基金項(xiàng)目：
受陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目資助。
受陜西科技大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。
摘要：本文首先介紹了相關(guān)檢測的原理和超聲波相關(guān)流量計(jì)的工作過程，在此基礎(chǔ)上給出了以DSP芯片TMS320VC5402為核心的測量系統(tǒng)硬件框圖，并詳盡的分析了各部分的功能和所使用的芯片，尤其是使用了新的DDS芯片AD9850生成正弦波。最后，還給出了系統(tǒng)程序的主流程圖。通過仿真實(shí)驗(yàn)，證明此方案是有效、可行的。
關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；DSP；DDS；相關(guān)；噪聲
關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；DSP；DDS；相關(guān)；噪聲
Abstract: Both the principle of correlative measurement and work process of ultrasonic correlative flow-meter are introduced in this paper. Hardware design diagram with the core of DSP chip TMS320VC5402 is proposed on the basis of this principle. Functions of all parts and chips used are analyzed in detail. Especially, in our design, new DDS chip AD9850 is used to produce the sine wave. Finally, we give the flowchart of this system. The simulation experiments prove the effectiveness and feasibility of this method.
Key words: ultrasonic flowmeter；DSP；DDS；correlation；noise
1 引言
工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開對工質(zhì)數(shù)量的了解或?qū)Ω鞣N物質(zhì)（原料）配比的控制。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，對單位時(shí)間內(nèi)物料的輸送量（流量）或某段時(shí)間內(nèi)物料的總輸送量要精確計(jì)量和控制，并要求能及時(shí)地發(fā)出反映流量大小的信號。流量測量，不管是以計(jì)量為目的，還是用于過程控制，幾乎涉及所有的領(lǐng)域。相關(guān)流量測量技術(shù)是以隨機(jī)過程的相關(guān)理論為基礎(chǔ)的一種流動(dòng)參數(shù)檢測技術(shù)。它在解決兩相(氣/液、氣/固和液/固等)流體以及多相(多組份)流體的流動(dòng)參數(shù)測量問題上具有巨大的潛力。
2 超聲波相關(guān)流量測量的工作原理
超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測量主要是依據(jù)超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息,利用接收到的超聲波信號就可以測量流體的流速和流量。
2.1自相關(guān)函數(shù)及其工程應(yīng)用
自相關(guān)函數(shù)用來度量同一個(gè)隨機(jī)過程前后的相關(guān)性。假設(shè)一個(gè)樣本記錄x(t)來自各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)過程，則其自相關(guān)函數(shù)
是樣本x(t)與此樣本記錄在作時(shí)移
后的信號x(t+)作乘積后再作積分平均運(yùn)算，即
以有限長樣本作其估計(jì)。自相關(guān)函數(shù)分析主要用來檢測混淆在隨機(jī)信號中的確定性信號，這是因?yàn)橹芷谛盘柣蛉魏未_定性信號在所有時(shí)差值
上都有自相關(guān)函數(shù)值，而隨機(jī)信號當(dāng)足夠大以后其自相關(guān)函數(shù)趨于零（假定隨機(jī)信號均值為零）。2.2 自相關(guān)檢測原理
自相關(guān)檢測技術(shù)是應(yīng)用信號周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過自相關(guān)函數(shù)Rxx(
)運(yùn)算，達(dá)到去除噪聲的一種技術(shù)，其中是所研究兩點(diǎn)間的時(shí)間間隔，即兩信號間的時(shí)延。
圖1 自相關(guān)檢測框圖
設(shè)混有隨機(jī)噪聲的信號
由(1)式可知fi(t)的自相關(guān)函數(shù)為：
故
由于信號與噪聲是互不相關(guān)的隨機(jī)過程，如果設(shè)信號或噪聲的平均值為零（至少噪聲的平均值為零），那么(3)式中的Rsn(
)及Rns()都為零。雖然從理論上講，噪聲前后可以認(rèn)為是互不相關(guān)的。而實(shí)際上，對于時(shí)間間隔不大的兩點(diǎn)仍有可能是相關(guān)的。測量系統(tǒng)中發(fā)射的超聲波是頻率為1MHz左右的正弦波：
可求得它的相關(guān)函數(shù)
圖2 正弦波與噪聲之和的自相關(guān)函數(shù)
顯而易見，隨著
的增加，噪聲成分Rnn()很快地衰減，而信號成分Rss()仍然保持著周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)周期信號的檢測。2.3 流量的相關(guān)檢測
流體在封閉管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部存在著與流體流動(dòng)狀況有關(guān)的隨機(jī)流動(dòng)噪聲，并具有一定的統(tǒng)計(jì)特性。通常在信號檢測系統(tǒng)中，噪聲是一種須加以抑制的干擾信號，然而在相關(guān)測量系統(tǒng)中，這種流動(dòng)噪聲可以利用某種傳感器檢測出來，通過適當(dāng)?shù)男盘柼幚砗螅瑥闹刑崛〕龊辛黧w信息的有用流動(dòng)噪聲。由于隨機(jī)流動(dòng)噪聲對超聲波有調(diào)制作用，故可通過超聲相關(guān)方案檢出流動(dòng)噪聲信號，從而可知流動(dòng)狀況的信息。流量計(jì)工作原理如圖3所示。
圖3 相關(guān)流量計(jì)的工作原理圖
如圖3所示，在沿管道軸線相距L的截面A和B處安裝兩個(gè)超聲換能器（上游換能器和下游換能器）。工作時(shí)上游換能器向被測流體發(fā)射一定幅度的能量束，當(dāng)被測流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)噪聲調(diào)制上游傳感器發(fā)出的能量束，下游換能器檢測到引起調(diào)制作用的隨機(jī)信號，再通過信號轉(zhuǎn)換電路，就可以從下游接收換能器提取出與被測流體流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)噪聲信號x(t+
)。由相關(guān)理論可求得此信號在被測流體中的傳播時(shí)間 （即流體的流動(dòng)時(shí)間）。因此信號在該系統(tǒng)中的傳播速度v可以按下式計(jì)算：
通常，v稱為相關(guān)速度；L為上、下游傳感器的距離。在理想流動(dòng)狀況下，也就是管道截面上各點(diǎn)處流體的流速相等時(shí)被測流體的體積平均流速 可以用相關(guān)速度v來表示，則流量Q的計(jì)算公式為：
式中：D──管道內(nèi)徑
K──流速分布補(bǔ)償系數(shù)
3 超聲波相關(guān)流量測量系統(tǒng)組成
3.1 系統(tǒng)硬件組成
根據(jù)相關(guān)流量的測量原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)硬件框圖
由于本設(shè)計(jì)對精度和測量速度都有較高的要求，所以必須選擇位數(shù)高而且運(yùn)算速度快的處理器。近年來隨著微電子學(xué)、數(shù)字信號處理的發(fā)展，數(shù)字信號處理器(DSP)獲得了飛速的發(fā)展，使得在頻域進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算成為可能。同時(shí)將流動(dòng)信號變換到頻域并利用各種信號分析方法可能會得到一些與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的信息，從而可進(jìn)一步改進(jìn)與完善相關(guān)測量技術(shù)。本系統(tǒng)選擇TI公司的TMS320VC5402DSP芯片，主頻可高達(dá)100MHz。
測量過程中超聲波信號反映了流速的信息，愈少在頻譜中引入干擾分量愈好，所以采用DDS技術(shù)。 DDS(Direct Digital Synthesis)即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，是一種應(yīng)用數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生信號波形的方法。DDS技術(shù)將先進(jìn)的數(shù)字處理理論與方法引入到信號合成領(lǐng)域，它建立在采樣定理的基礎(chǔ)上，首先對需要產(chǎn)生的信號波形進(jìn)行采樣和量化，然后存入存儲器作為待產(chǎn)生信號波形的數(shù)據(jù)表。在輸出信號波形時(shí)，從數(shù)據(jù)表中依次讀出數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)字化的信號，這個(gè)信號再通過DAC轉(zhuǎn)換成所需的模擬信號波形。
和其他DDS產(chǎn)品相比，AD公司生產(chǎn)的CMOS型DDS芯片AD9850有著功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜正弦波形的合成。對AD9850的控制主要是輸出頻率、相位和低功耗狀態(tài)控制。AD9850有40位調(diào)節(jié)字，即W0、W1、W2、W3、W4五個(gè)字節(jié)。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850，圖5是控制字并行輸入的控制時(shí)序圖，在并行裝入方式中，通過8位數(shù)據(jù)總線D0 ... D7將數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在重復(fù)5次之后再在FQ_UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS輸出頻率和相位)，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器。接著在W_CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)W_CLK上升沿后，W_CLK的邊沿就不再起作用，直到復(fù)位信號或FQ_UD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個(gè)寄存器。其中W1-W4是32位頻率控制字， W0的第3-7位是相位調(diào)節(jié)，第2位是休眠選擇（1是休眠，0是工作），最低兩位是并行或串行選擇（10，01都是并行）。AD9850計(jì)算頻率調(diào)節(jié)字的公式為：
其中 是輸出頻率，X為調(diào)節(jié)字，CLKIN為AD9850工作頻率。
圖5 AD9850的并行工作時(shí)序圖
本設(shè)計(jì)中要求產(chǎn)生頻率為1MHz的正弦波，即 =1MHz，并且實(shí)際電路中CLKIN=50MHz，根據(jù)（8）式，可得X=51EB851h。我們無須相位調(diào)節(jié)，則W0=01h，W1=05h，W2=1Eh，W3=B8h，W4=51h。
另一個(gè)主要的問題是對產(chǎn)生的正弦波和接收的信號進(jìn)行采樣。由于產(chǎn)生的正弦波頻率為1MHz，根據(jù)香農(nóng)定理可知，采樣頻率必須大于2MHz才能保證信號的不失真。我們選用BB公司的ADS803芯片，12位、5MHz、并行高速A/D轉(zhuǎn)換器，其具有高噪信比、低失真度、低功耗、輸入范圍變化靈活和輸入溢出報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)。ADS803內(nèi)部集成有寬帶線性采樣保持器，其保證了奈奎斯特頻率下芯片的優(yōu)良性能。
3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)程序流程如圖6所示，其中包括DSP初始化模塊，DDS芯片生成正弦波模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，DSP相關(guān)算法模塊，數(shù)據(jù)存取模塊，鍵盤顯示模塊等。
圖6 系統(tǒng)程序主流程圖
4結(jié)束語
系統(tǒng)采用DSP作為處理器，并結(jié)合DSP的高速處理能力及頻域內(nèi)的快速算法，從而保證了相關(guān)運(yùn)算的實(shí)時(shí)性。通過仿真實(shí)驗(yàn)，證明此方案是有效、可行的。
參考文獻(xiàn)：
[1]張雄偉等．DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002.
[2]祝海林，鄒旻．管道流量非接觸測量──方法與技術(shù)[M]．北京：氣象出版社，1999.
[3]廖文杰等．一種USB 接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化博覽，2005,8:47-8.
[4]萬其力，吳文彪．基于DDS及單片機(jī)的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J]．西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,8(3):35-37.
[5]劉 宇． 數(shù)字信號處理技術(shù)在多普勒流量計(jì)中的應(yīng)用研究[J]．西安理工大學(xué)碩士論文，2001,3:31-41.
[6]范云霄，劉 樺．測試技術(shù)與信號處理[M]．北京：中國計(jì)量出版社，2002.
其他作者：
武 欣，楊良煜（西安科技大學(xué)電控學(xué)院，陜西 西安 710054）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號