基于DSP的超聲波流量計的研究
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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首先考慮的問題。流量計的工作頻率與懸浮粒子的尺寸有重要關系。在實際的流體中，粒子的性質差別非常大。為了討論簡單，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。這里衰減系數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。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。
本文研究的流量計的工作頻率的選取應使λ>2πα，但也不要過大，以免只存在繞射。一般選λ／2α的值在幾十至幾百的范圍內比較好，這時由散射產生的輻射能與λ4成正比。實際測量時，應根據平均粒徑來選擇工作頻率。關于粘滯衰減和摩擦衰減，實際這兩個量與流體性質、粒子濃度及大小等均有關，他們也會影響超聲波穿透深度和取樣窗面積大小，即直接影響測量結果，不過，一般情況下處于次要地位。對于氣泡的分析與顆粒結果類似。工業(yè)測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的工作頻率選擇640kHz。
2 硬件設計
2．1 系統(tǒng)硬件總體設計
系統(tǒng)硬件主要分為3個模塊，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)硬件的結構框圖。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/149780.htm
2．2 各個模塊的設計
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電路用來產生驅動超聲波換能器的正弦波信號。DDS，就是直接數字式合成器，使用DDS可以產生較高純度的源信號?？朔耸褂靡话愕恼也óa生的各種缺點。DDS一個顯著的特點就是在數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：相當好的頻率和相位分辨率，能夠進行快速地信號交換。DDS在現代電子器件、通信技術、醫(yī)學成像、無線、PCS／PCN系統(tǒng)、雷達、衛(wèi)星通信等領域都得到廣泛應用。DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產生波形。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的時鐘頻率，32位頻率調節(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驅動超聲波換能器，OUT2與帶通濾波器出來的信號一起送入混頻器進行混頻。
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)一體結構，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)定性和時間穩(wěn)定性，需要較小的功率。換能器的晶片應與管壁呈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是非常小的，而一般需要采樣的信號的幅值是5 V，所以必須對它進行放大。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，盡可能減弱干擾信號。混頻器的作用是降低信號頻率，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來進行數模轉換，而且減小了采集到的數據的誤差。信號最后再通過低通濾波器，減弱混頻產生的高頻干擾。
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在整個處理與控制模塊中起到了關鍵的作用。它是系統(tǒng)的核心，流速的計算也是它來進行的。DSP芯片的優(yōu)點就是具有強大的運算能力，能在較短的時間里完成復雜的算法。TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。它片內集成眾多資源：存儲資源Flash、RAM標準通信接口，如串行通信接口(SCI)、串行外設接口(SPI)、增強型eCAN總線接口，方便與外設之間進行通信。在TMS320F2812內部還集成了一個12位的ADC轉換模塊，最高采樣速率達12．5 Ms／s；TMS320F2812片上還包括事件管理器(EV)、定時器、看門狗以及大量的用戶可開發(fā)利用的GPIO口等資源。
從低通濾波器出來的信號進入到DSP芯片TMS320F2812的模／數轉換器(ADC)進行模數轉換。TMS320F2812的ADC的主要功能有；1)12位ADC采樣內核包括兩個采樣保持電路；2)可設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時最高轉換速率為ADCL K或12．5 MHz；5)16通道，多路輸出；6)排序器可以設置為兩個獨立的8位狀態(tài)排序器，也可以設置成一個16狀態(tài)排序器；7)16個結果寄存器用與存儲裝換結果；8)多觸發(fā)源啟動轉換；9)靈活的中斷控制。TMS320F2812內部定時中斷子程序進行數據采樣，采集的數據送入環(huán)形數據緩沖區(qū)內，然后TMS320F2812對采樣數據進行FIR數字濾波器濾波、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SPI從DSP中讀取流速數據，再根據用鍵盤設置的參數進而求得流量，然后在液晶里顯示出來。
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