一種時差式超聲波流量計及其簡化算法

1 系統(tǒng)結構和工作原理
系統(tǒng)的硬件組成結構如圖1所示，其是由FPGA，DSP，MCU、切換電路、A／D轉換、自動增益控制、外部RAM和LCD顯示等幾部分構成的。DSP為數(shù)字處理核心，用于FIR濾波、相關運算等大量數(shù)據(jù)處理，整個系統(tǒng)的時序由FPGA控制，確保了時序的準確性。

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)．用以測量順流、逆流時超聲波傳播的時間差，其諧振頻率為1 MHz。接收信號經(jīng)過選頻放大濾除了部分干擾信號，再由自動增益控制AGC放大后送往A／D轉換器，以每次25 ns的轉換速度實現(xiàn)A／D轉換，并存儲到外部RAM中，整個過程都在FPGA的控制下進行，確保了時序的準確性。為了進一步提高運行的速度，DSP首先將外部RAM中的數(shù)據(jù)轉存到內(nèi)部RAM中，再進行55階FIR濾波，經(jīng)過FIR濾波后的信號，其采樣速率較低，測量精度不夠高，為了提高精度，這里進行了插值運算，插值后的兩組信號再經(jīng)過相關運算處理，便得出流體順流和逆流的時間差，從而求出流體的流速。

2 滑動窗口接收技術
滑動窗口是在接收信號到達的前后才有效的一個時間窗口，窗口之外的信號一概不予處理，這樣可以減小噪聲的干擾并降低運算量。為保證檢測信號的有效性，必須先去掉接收端的干擾，采用窗口和脈寬檢測是兩個行之有效的方法。測量窗口的初始位置是根據(jù)人機對話輸入的參數(shù)設置的，并通過有效信號的檢測位置不斷調(diào)整窗口到合適的位置。窗口的設置限定了信號的接收范圍，在一定程度上消除了噪聲的干擾，同時也減少了要處理的信號樣本數(shù)，降低了運算量。
滑動窗口的設置方法為：單片機根據(jù)人機對話輸入的參數(shù)(管徑、壁厚及流體)，計算出信號自發(fā)射探頭到接收探頭所需傳播時間的近似值，根據(jù)該近似值控制數(shù)據(jù)采樣的開始時間，每組數(shù)據(jù)采集15000個點，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AGC電路的調(diào)整，當采集到的信號幅度滿足要求時便對它們分別進行FIR濾波，再根據(jù)幅值找出有用信號的最大值點并進行信號有效性判斷，信號確定為有效后再進行滑動窗口調(diào)整，將有用信號移動到有效窗口。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)射信號為5個周期，考慮到探頭的余波，為了更好地采集接收信號，窗口寬度設定為800個信號點，即20個信號周期。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，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，傳播時間短，后者是超聲波沿正常路徑傳輸?shù)慕Y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)已被移動到最左側的有效窗口中，后面的插值及相關運算都是只對該段數(shù)據(jù)進行。

3 插值及相關算法的簡化
在超聲波發(fā)生電路中，由同一觸發(fā)脈沖觸發(fā)2個相同的換能器產(chǎn)生超聲波，測量中2路采集信號具有很大的相似性，因此能對信號進行相關處理。在超聲波流量計中，對時間測量精度的要求很高，為了提高分辨率，可以采取一般的采樣方法，然后通過數(shù)字信號處理中常用的插值算法，由軟件提高系統(tǒng)的采樣頻率，從而提高時間的分辨率。