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中北大学学位论文 基于相关法超声波流量计的研究 摘要 超声波测量流体流量是超声波在工业检测中发展较早的应用技术之一。超声波流量 计以非接触、精度商、使用方便等优点，在气象、石油、化工、医药、水资源管理等领 域获得了广泛应用。随着电予技术的飞速发展，超声波流量计作为一种测量仪表了得到 了长足进步。论文将a r m 微控制器用于流量测量仪表的研制，符合嵌入式技术的发展方 向。 论文详述了当前国内外超声波流量计的发展现状和应用情况，介绍了用超声波测量 流量的常用方法以及相关原理和插值原理，论述了超声波流量计设计时，相关原理在相 位差法测量流量中的具体应用，研究了相关算法中关键参数的计算方法，以及插值算法 对提高测量精度和抗干扰能力的作用。 论文进行了基于s 3 c 4 2 1 0 的超声波流量计系统设计方案和软硬件实现。系统硬件设 计了超声波发射、接收及放大电路，采用高速模数转换器数字化接收信号，并对a r m 系 统电路中的电源电路、存储器电路，通信接口电路等进彳亍了介绍。系统软件分析了l i n u x 操作系统在a r m 9 目标板上的移植，以及超声波收发模块、通信模块、控制模块的软件 设计。 关健词：超声波流量计，相关法，嵌入式系统，s 3 c 2 4 1 0 处理器 r e s e a r c ho nu l t r a s o n i cf l o w m e t e r b a s e do n c o r r e l a t i o na l g o r i t h m a b s t r a c t ui 圩a s o n l cn o w m e t e ri sw i d e l ya p p l i e dt ot h ef i e l d so f m e t e o r o l o 鼢p e 们l e 啪c h e m i c a l 。 r e e d l e l 辩，燃嚣猃s o u r c em a n a g e m e n t ， f o rt h e a d v a n t a g e sn o n e 。n l a c 专，h i g h e u f a c v e a 8 e - t 0 。u s ea n ds oo n g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d eo nu l t r a s o n i c f 1 0 w m e t e r s ，i nr e c e n t y e 氇鹣w i 穗t h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d 撒i p 约c e s ea n e wk l n df l o 、m e t e rb a s e do na r m i si n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，w h i c ha c c o r d s 、访mt h e e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t 。 1 h i sd l s s e r t a t l o ni n t r o d u c e st h eh i s t o r y , p r e s e n ts t a t u sa n d t r e n do ff l o w n e t e r e x p l a i n s 龇协e o r ya n dc h a r a c t e r so fu l t r a s o n i cf l o w m e t e r sa n dd i s c u s s e s t h eu s u a lm e t l l o d so f 撒c a s 啪n gt h e 蠡o wb yu l t r a s o n i ca sw e l la sb o t hc o r r e l a t i o na n di n t e r p o l 撕o n p r i n c i p l e s ， fu 加o r 。，t h e d e s i g n i n go fa nu l t r a s o n i cf l o w m e t e r ，t h ea p p l i c a t i o no f c o r r e l a t i o np r i n c i p l e 1 n 糙e a s t l 聪琏gf l o wb yp h a s ed i f f e r e n c em e t h o da r e e x p l o r e da n dt h ec a l c u l a t i n ga p p 硒a e ho f k e yp 猢e t e r si nc o r r e l a t i o na l g o r i t h ma r eg i v e n ，a n dt h ee f f e c to f i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo n i m p r o v i n gm e a s u r e m e n tp r e c i s i o na r ei n v e s t i g a t e d 1n et h e o r yo fc o e l a t i o np r i n c i p l ei nu l t r a s o n i cf l o w m e t e ra n d t 1 1 eh 剁w a r eb a s e do n 删s 3 c 2 4 越w i l lb ei n t r o d u c e d 。i ns y s t e mh a r d w a r e ，t h e u l t r a s o n i e 蹴滩i 髓i n 蠡羚e e i v i n g 趴d 姗l 1 1 l y i n ga r c u i t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h eu l t r a s o n i cs i g n a li s d i g i t a l i z e db yh i g hs p e e d 射dc o 珏w 蹴r t h e $ 3 c 2 4 10a r m s y s t e mc i r c u i t s i n c l u d i n gs y s t e m o w e r ，瓣鼬取 c o n h n u l l l c a t l o nf a c e sa r ei n t r o d u c e da s w e l la st h es o f t w a r e a n a l y s et h el i n u xs y s t e m m l g r a t i o na n dt h es o f t w a r ed e s i g nf o ru l t r a s o n i ct r a n s c e i v e r m o d u l e ，c o m m 戚c a t i o nm o d 脚e a n dc o n t r o lm o d u l eo na r m 9 k e yw o r d s ：u l t r a s 。n i cf l 。w m e t e r , c 。r r e l a t i o na l g 。r i t h m ，e m b e d d e d s y s t e m ，s 3 c 2 4lo i i 原创性声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本蔗明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：。逾越 e l1 t t l ：盘塑堡! 丘， 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阏；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：盈盘 导师签名：二叠疸彖鱼i 一 e l 期a 应塑。厶孓 嚣期：纽墨：五： 中北大学学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 利用超声波测量流体流蹙，是超声波在工业检测中发展较毕的应用技术之一。超声 波流量计与其它流量计相比，具有如下特点：首先，超声波流量计能制作成非接触式， 可安装在管道外侧测量流量，安装时不用在管壁上打孔，不受管子外型尺寸的影响，结 构麓单，对流体不产生压力损失：其次，可以在线测量流速，对流速的变化响应快，测 量范围大，系统的稳定性较好，尤其对于超大型管道有其独特的优势；最后，超声波流 量计不受流体物理性质与化学性质的影响，如流体的糙性、导电性及腐蚀性等n ，。 由于水资源日益紧张，农业用水、工业用水、城市用水采取贸易供水方式己成必然， 这就涉及供承、用水双方的计费。水资源的冀益紧张要求流量计量仪表应具有准确、可 靠、低损耗等特点，而超声波流量计用于对水流量的测量有其独特的优点。因此，超声 波流量计是= # 常有发展前途髓一种流量测量仪表。 由于超声波在流动的流体中传播时可以载上流体流速的信息，因此可以通过对接收 到的超声波信号进行处理，得到相应的流体流速。超声波流量诗的换能器安装在被测管 道的外侧，它基本上不干扰流体的流场，无压力损失，维修方便。除了可测量水和石油 等一般导声流体外，超声波流量计还可以测量高压、强腐蚀、攀导电、易暴和放射性等 导声流体，它对流体的温度、粘度、密度等因素也不敏感，灵敏度高，输出特性线性范 匿宽，没有零漂闯题，通用性好，仪表造价低，使用寿命长嗡。超声波以箕独特的特点 能方便、快捷、准确的进行流量测量睛1 。超声波流量计有多种测量方法，相位差法是其 中的一种，传统的相位差测量方法抗于扰能力差，论文提出了以相关算法和插值算法应 用于相位差法流量测量中，可提高超声波流量计的测量精度和抗干扰能力。 1 2 国内外研究现状 超声波流量计( u s f ，u l t r a s o n i cf l o w m e t e r ) 是通过检测流体流动时对超声束( 或超声 脉冲) 的作用，以测量体积流量的仪表。 研究利用超声波测量液体和气体的流量已有数十年历史。2 0 世纪3 0 年代首先研制出 传播时间法中的相位差法超声波流量计。5 0 年代开发频差法的m a r s o n 流量计，用于测 量航空焰料的流量，它标志若超声波流量计由理论研究阶段进入工业测量时期。6 0 年代 中北大学学位论文 末又出现了多普勒效应的u s f 。进入7 0 年代随着电子技术的发浸，性能囵益完善的各种 型号u s f 投入市场。进入8 0 年代后，由于i c 技术的迅速发展，锁相技术和微处理机的应 用，超声波流量计的各项性能有了大大提高，各种实用鹩超声波流量计得以迅速发展吲。 近十年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的进步，新型探头材料与工艺的 研究，声道配置及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了长足的进步，显示出 强劲的技术优势，形成了迅猛发展的势头，其潜在的强大生命力是显而易见的。 我国u s f 的研究起步较晚，2 0 世纪6 0 - - - 7 0 年代枫械工业部上海工业自动化仪表研究 所、北京大学相继开始研制；8 0 年代中期，国内仪表厂从国外引进专有技术，生产具有 8 q 年代国际水平的仪表；近年若于科研和生产单位又接滋所开发昀一些新颖仪表。我国 u s f 年产量9 0 年代初估计为8 0 0 1 0 0 0 台【5 1 。然而，国内生产的超声波流量计无论从测量 精度上还是测量方法上，与晷外相比都有一定的差距。如荷兰i n s t r o r m e t 公司、美国 d a n n i e l 公司、c o n t r o l o t r o n 公司、德囡l l l l e 公司等厂家生产的超声波流量计无论从测 量精度上，还是从便携焦度来说都达到了较商的水平。有久预言由于u s f 揆t 量原理是长 度与时间二个基本量的结合，其导出量溯源性较好，有可能据此建立流量标准【6 1 。 我国予1 9 9 4 年茏式出舨了由中国计量科学院组织有关专家起草、经国家技术监督蜀 和建设部批准的“j j g1 9 8 9 4 速度式流量计”的国家计量检定规程( 包括超声流量计) 与 “j j g ( 建设) 0 0 0 2 9 4 超声流量计( 传播速度差法、多普勒法) 的部f j 计量检定规程，这也 是我国超声流量计发展的一个标志【7 1 。 1 3 超声波流量测量的主要方法 超声波流量计常用的信号检测方法有时差法、相位差法、频差法、多普勒法、相关 法、波束偏移法和噪声法等。由于时差法、相位差法和频差法的基本原理都是通过测量 超声波脉、肆顺流和逆流对速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度蓑法，其 中时差法和频差法克服了声速随流体变化带来的误差，准确度较高，被广泛应用【8 l 。多 普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射的超声波多普勒频移来确定 流体流量的，适用于含悬浮粒、气泡等流体流量的测量。相关法是利用检点关技术测量 流量，因此在原理上此法的测量准确度与流体孛的声速无关，也与温度、浓度等无关， 准确度高，适用范围广，特别在微处理器普及且相关器产品繁多，价格较低廉的今天， 2 中北大学学位论文 相关流量计有着十分广阔的发展前途。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向 随流体流速变化而产生偏移来反应流体流速的，低速时，灵敏度很低，适用性不大。噪 声法是利用管道中流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示 流速或流量值，其结构及原理最为简单，但只适用于流量测量准确度要求不高的场合睁1 。 超声波流量计由超声波换能器、电子线路和流量显示三部分组成。目前，传播速度 差法( 时差法、相位差法、频差法) 和多普勒法是工业超声波流量计中采用的最多的方 法。 ( 一) 速度差法 ( 1 ) 时差法 时差法测量液体的原理如图1 - 1 所示，利用声波在液体中传播时，声波与流体流 动方向不同传播速度不同的特点，测定其顺流传播时间t 。和逆流传播时间t ：的差值，计 算流体流动的速度和流量。 图1 - 1 时差法原理 设静止流体声速为，流体流动速度为v ，把一组传感器p 。、p 2 与管道轴线安装成0 角，l 为传感器的距离，d 为管道内径( d = l s i n 8 ) 。从p 。到p 2 j | 顷流发射时，声波传播时间 t 。为 ：墨(1-1) ，l 2 c o + v c o s o 从p 。n p 。逆流发射时，声波传播时间t 。为： ，：= i 瓦l 面( 1 - 2 ) z 2 石瓦面 3 中北大学学位论文 一般c o v ，则时差为：f ：一乞：2 l _ v 广c o s o - 0 根据上式可求出速度v ，再求出流量q 。所以测定f 即可求出v 和q 。 ( 1 - 3 ) ( 2 ) 相位差法 从( 卜3 ) 式看出v 受的影响大，c o 又受温度、湿度、液体中的含砂量的影响。此外 & 的量级很小，约为1 0 吨1 0 。9 秒，测量f 则需要复杂的电子仪器。所以常采用测量连 续超声波在顺流和逆流传播时接收信号之间的相位差，简称相差法。设连续波的角频率 为彩，则 a 6 0 = 国f ：2 c o l v 气c o s0 ( 1 - 4 ) 因此，测出a c o 即可求出v ，q 。 ( 3 ) 频差法 频差法超声波流量计是在直接时差法和相差法的基础上发展起来的，在被测流体内 由两对超声波发射器组成两个通道，一个通道接顺流方向发射超声波，另一个通道接逆 流方向发射超声波。 设顺流发射时，发射声波的频率为z ，即： 彳2 丢= 譬产 逆流发射时，发射声波的频率为石，即： 澳4 出a f ，则可澳0 出v ，q 石= 丢= 华 矽= 彳一石= _ 2 v c 广o s 0 4 ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 中北大学学位论文 式( 卜7 ) 与( 卜3 ) 、( 1 - 4 ) 的重要区别在于前两式中含量有声速c ，而后式中没有。声 速c 与传播介质的温度有关，因此当被测介质温度变化时必然引起测量误差，所以( 卜7 ) 式的频差法测速比时差法和相差法更佳。 ( 二) 超声波多普勒法 当流体中含有悬浮粒子时，可以应用超声波多普勒法测量流体流量或者有悬浮粒子 的流速，例如测量矿浆时多采用多普勒超声波矿浆流量计n 们。 多普勒频移法的原理是声波的多普勒效应。声波的多普勒应是声源与接收器发生相 对运动时，接收器接收到的声波频率会有变化，称之为多普勒频移。可推导出接收器接 收的声波频率厂为： 接收器固定时：声源向接收器靠近， 卜f o c | | c 习。 声源远离接收器时，= a c o c 万o 声源固定时：接收器向声源靠近时， f if o c | | c 丽。 接收器远离声源时，石：f o c 。+ v c o s o ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) ( 1 - 1 0 ) 当颗粒将接收到的石频率的声波传入接收器时，接收器接收到的声波频率为五，即： 五= 石南= f oc 。+ 一v c o s s o 因此声波接收器和发送器问的多普勒频移鲈为： ( 1 - 1 2 ) 中北大学学位论文 a f = z 一石嗡者去 ( 1 - 1 3 ) 以上公式中的p 为声波方向与流体流速v 之间的夹角，若c o v c o s o ，则： a f = 2 f ov - e o s o ( 卜1 4 ) 由式( 1 - 1 4 ) ，若按单个颗粒考虑，测知矿浆流速。但对于实际含有大量粒群的矿浆， 则应按信号的统计，处理测定数据。 1 4 超声波流量计的类型 目前根据超声波流量计使用场合不同，可分为固定式超声波流量计和便携式超声波 流量计。这两类流量计的主要区别是： ( 1 ) 适用场合不同：固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置，对某一特定管 道内流体的流量进行长期不间断计量；便携式超声波流量计具有很大的机动性，主要用 于对不同管道的流体流量作临时性测量。 ( 2 ) 供电方式不同：固定式超流量计要求长期连续运行，所以要使用2 2 0 v 交流电源， 便携式超声波流量计既可以使用现场的交流电源，也备有内置充电电池，可以连续工作 5 - - - , l o h ，大大方便了不同场合临时性流量测量的需要。 ( 3 ) 部分功能不同：固定式超声波流量计，通常都有4 - - , 2 0 m a 信号输出等功能，供远 传显示使用，但其内部只能存贮一条管道的参数；便携式超声波流量计只是为了现场查 看当时流量和短时间内的累计流量，故一般无输出信号功能，但为了方便测量不同管道 流量，它具有丰富的贮存功能，可以同时存贮十条不同管道的参数，供随时调出使用3 。 超声波流量计可以分为外帖式、插入式、管段式三种超声波流量计。 ( 1 ) 外贴式：外贴式超声波流量计是生产最早，用户最熟悉且应用最广泛的超声波 流量计，安装换能器无需管道断流，即贴即用，它充分体现了超声波流量计安装简单、 使用方便的特点。 ( 2 ) 管段式：某些管道因材质疏、导声不良，或者锈蚀严重，衬里和管道内空间有 间隙等原因，导致超声波信号衰减来严重，用外贴式超声波流量计无法正常测量，所以 产生了管段式超声波流量计。 管段式超声波流量计把换能器和测量管道组成一体，解决了外贴式流量计在测量中 6 中北大学学位论文 的一个难题。而且测量精度也比其它超声波流量计要高，但同时也牺牲了外贴式超声波 流量计的不断流安装这一优点，要求切开管道安装换能器。 ( 3 ) 插入式：插入式超声波流量计介于上述二者中间。在安装上可以不断流，利用 专门诊具有水的管道上打孔，把换能器插入管道内，完成安装。由于换能器在管道内， 其信号的发射、接受只经过被测介质，而不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管 衬材料限制n 羽。 1 5 论文的任务和结构 超声波流量计以其非接触、易于安装维护的优点在工业测量领域获得了广泛应用。 然而，超声波流量计本身也存在许多不足之处，因此有必要对其加以改进和提高，以使 其工作性能更加稳定、可靠，这也是本课题研究目的之所在。 论文提出了以相关原理来测量相位差的方法，它具有较高的抗干扰能力，测量精度 与所测管道的口径、介质的种类及流速关系不大；采用3 2 位的a r m 处理器，针对超声波 测量的特点设计了一种具有更强适用能力的低功耗、低成本超声波流量计。 论文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章绪论。介绍课题背景、目的意义，国内外研究现状以及超声波测流量的几 种测量方法。 第二章相关法超声波流量计的理论研究。这一章讨论了超声波流量计设计时，相 关法测量流量的具体应用。 第三章超声波流量计总体设计。通过分析确定了处理器芯片，详述了总体计设方 案 第四章a r m 子系统硬件设计。完成电路方面的超声波的发射、接收、放大和信号 数字化；数字电路方面的a r m 硬件系统。辅助电路方面的通信接口等各功能模块的电路 设计。 第五章超声波流量计系统软件设计。完成系统软件。 第六章总结。 1 中北大学学位论文 第二章相关法超声波流量计的理论研究 超声波流量计是一种非接触式仪表，在石油、医药、水资源管理等领域有着广泛的 应用，其应用的关键参数为测量精度。超声波流量计有多种测量方法，相位差法是其中 的一种。然而，传统的相位差测量方法抗干扰能力差，本章提出以相关原理测量相位差 的方法，它具有较高的抗干扰能力，且加入插值算法进一步提高了测量的精度“副。 2 1 相关原理在相位差测量中的应用 相位差法测量的物理量是两组信号的相位差。当发射是连续的超声波脉冲，或周期 较长的脉冲时，两接收探头收到的信号之间就会产生相位差，其相位反应了流速的大小。 产生的相差 妒= 2 x f a t ( 2 1 ) 式中：厂一超声波频率； f 一时差。 由此可计算出流速 v ： 笠垒翌 ：k a t z l t ( 2 2 ) v = = _ 二- 一= l 么一zj 2 d t a n 0 2 x f 式中：气一超声波在静止流体中的传播速度； ，一流体的速度； d 一管道内径； 七一修正系数。 传统的相位差测量方法是将两个同频被测信号整形为两个方波信号，其前后沿分别 对应于被测信号的正向零点和负向过零点，再用填充计数法测量出这两个同频方波的前 沿( 或后沿) 之间的时间差，从而求出这两个被测信号之间的相位差n 引。这种相位差测 量方法要求被测信号在过零点时刻的波形准确，若被测信号受到干扰。将会改变被测信 号前沿( 或后沿) 的位置，从而使测出的相位差产生错误，严重影响测量精度。相关算 法具有较高的抗干扰性，所以采用相关算法来测量相位差。 超声波发射器a 、b 分别输出引起调制作用的随机信号x ( ，) 、】，( f ) ，流体的随机流 动噪声信号分别被接收器c 、d 接收到，如图2 - 1 所示。 8 中北大学学位论文 图2 1 相差法测量方法结构图 r ( t ) 是x ( t ) 的一个简单的延迟，由相关理论可计算出这两个信号的互相关函数 疋，( ) 。 ( ) = l i ml f ， x ( t - ) 】，( ，) d r ( 2 3 ) x ( t ) 、】，( f ) 和互相关函数疋。( ) 如图2 - 2 所示。 当延时a t 时，k ( ) 的值很小；当= a t 时，两组信号重合，( ) 达到最大。 测量两组信号的相位差时，对两组信号用高速a d 同时采样，把模拟量转化为两组 数字量，对两组信号作相关运算，当两组信号重合时，如( ) 达到最大。这时a t 即是两 组信号的时差，a t t 2 万则为相位差。若直接进行相关处理，其时间分辨率仅为采样周 期，分辨率不高，可对这两组数字量进行插值，然后将插值后的两组数字量进行相关处 理，就可以取得较高的时间分辨率，提高精度n7 1 。 9 中北大学学位论文 2 2 插值原理 凡( 加 lt 1 、 、一 、厂 图2 - 2 两路接收信号及互相关函数 若将数字信号x ( n ) 的采样频率提高三倍，得到v ( 玎) ，则需要对信号进行插值处理。 一个简单的方法就是在x ( n ) 每相邻的两个点之间补( l 一1 ) 个0 ，而后再对该信号进行低 通滤波，即有： 咖，- 肛别n 。l d 行嚣羹芋 陋4 ， 记x ( 刀) ，1 ， ) 的d f t 分别为x ( e 略) 和v ( e 7 q ) ，由于 q = 2 万厂职= q 三 ( 2 5 ) 因此 y 协) = 1 ，( 刀弦鹏= x ( n l ) e 扣哆 ( 2 6 ) 1 0 中北大学学位论文 j lx ( ) 入j j 一 一2 万一万o石2 z畋 lr o d a lv ( e “) 。八| 。 尘塑塑兰0三2 z 3 z 4 z 一5 z q 图2 - 3 插值前后的频谱 a 插值前的频谱b 插值后的频谱 c o ( x ) 的周期为2 z ，缈( y ) 为2 z l 。式( 2 6 ) 说明x ( e j a , ) 作周期的压缩。由图2 - 3 可以看出插值后，在原c o ( x ) 的一个周期内v ( e 哆) 变成了l 个周期，多余的( l 一1 ) 周期 为x 地) 的映像，需用低通滤波器去掉，其滤波器的频域为 肌吻) ：j c 川万三 ( 2 7 ) 【0 其它 则 h ( e 唧) = h ( e q ) h ( e 地) = x ( 8 业哆) ( 2 - 8 ) i q i 刀三 因为 而c 。，= 去! 】，c p 吩，d q2 主二五c p 弘哆，d q 2 。2 9 ， z c 芴i 五( p 略矽q = 兰x ( 。) 所以应取c = 三，以保证y ( o ) = x ( o ) ，所以有 中北大学学位论文 2 3 关键参数的计算 f ， h ( e 以) = 。 l0 i c o y _ l b 1 - c o s a 矽 = 1 3 9 8 ( 2 1 3 实验中取终= 1 6 。另外，要测量两路被测信号的相位差，就应选具有两通道采样功能的 a d 变换器。 2 3 4 数字滤波器的设计 使用m a t l a b 可以非常方便地进行数字滤波器的设计。设计时先使用r e m e z o r d 函数 进行p a r k s m e c l e l l a n 最优f i r 滤波器阶数估计，而后用r e m e z 函数计算出滤波器的系 1 2 中北大学学位论文 数的数组，再进行相关处理后，就可以求出两组波形到达采样点的时间差，从而求出相 位差。 2 3 5 相关法进行测量的进一步讨论 数字相关法测时差的前提是两信号的相似性，信号相似性越高，时差测量越精确。 信号在传输过程中会发生畸变，但只要两信号还保持原来的相似性，时差测量精度就不 会改变。也就是说无论两信号波形是否规则，只要两者相似，就不会影响时差测量结果 n 9 】 0 在超声波流量计测量系统中，用相关法进行相位差的测量，就是依次将2 组数据进 行相关处理而得到相位差对应的缸，这样可以避免普通相位差测量中只利用信号过零时 刻一点来计数求得，极易受到干扰且干扰后将严重影响测量精度的缺点，使系统对信 号的波形及放大等环节的要求大大降低，从而提高系统的抗干扰能力，并提高测量精度。 系统的采样频率直接与测量精度有关，但高采样频率会大幅增加a d 转换器等硬件 的成本和对系统的要求，合理地采用插值算法可以使系统达到较高采样频率的工作效 果，提高超声波流量计的测量精度。 1 3 中北大学学位论文 第三章超声波流量计总体设计 3 1 系统总体设计方案 相关法超声波流量计系统主要有以下功能：发送超声波、接收并处理超声波信号、 数据处理、测量结果显示与存储、上位机通信等。 设计以微控制器作为系统的控制与运算核心，运用a r m 芯片的高速处理技术，提高 超声波流量测量的精度和实时性。系统总体的功能框图如图3 1 所示。 图3 - 1 系统功能框图 超声信号收发部分、数字信号处理部分、驱动服务部分是系统方案中三个主要部分。 其中超声信号收发部分主要完成超声波的发射、接收、放大等功能；数字信号处理部分 主要完成接收信号的数字化及数字信号处理、数据存储等，包括已调理信号的模数转换、 数据输入缓冲f i f o 、f l a s h 数据存储等功能单元；驱动服务部分主要完成系统的人机交 互、数据通信，包括人机接口的l c d 显示及键盘，通信接口等功能单元。 3 2 系统电路的工作过程 ( 1 ) 系统上电后，微控制器初始化内部功能模块和系统外部电路单元，并通过交互 接口设定相应的测量参数。 ( 2 ) a r m 控制发射电路进行信号发射，发射驱动电路提供发射高压脉冲激励，激励发 射传感器发射超声波信号。a r m 微控制器启动超声波发射的同时，启动内部定时时钟， 经过适当延迟后，通过p w m 匹配触发启动信号接收电路。超声波通过被测量流体，由接 1 4 中北大学学位论文 收换能器接收并经调理电路调理后，进行a d 转换，转换完成，通过中断触发请求主控 芯片a r m 进行接收信号数字处理。 ( 3 ) a r m 对接收数据进行数字处理，即判别接收信号波形的起点，求出传输时间，并 计算流体流量以及数据存储等。 完成一次流量测量，系统至少需要进行顺逆流各一次信号收发。测量过程中，主控 制器根据测量管道管径大小，自动修正a d 转换器的转换启动时间。通过多次重复测量， 计算平均值，提高流量测量精度。 3 3a r m 嵌入式微处理器 3 3 1a r m 微处理器介绍 a r m 微处理器包括a r m 7 、a r m 9 、a r m i o 、s e c u r c o r 、i n t e l 的x s c a l e ，i n t e l 的s t r o n g a r m 几个系列，a r m 微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成： ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的微处理器都有各自的特点和 应用领域。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m i o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提供 一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。在通用处理器系列中，a r m 9 系列微处 理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，其特点是： ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高； ( 2 ) 提供1 1 m i p s 删z 的哈佛结构： ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； ( 4 ) 支持位的高速总线接口； ( 5 ) 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统； ( 6 ) 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 1 5 中北大学学位论文 3 3 2s 3 c 2 4 1 0 处理器介绍 $ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，该处理器采用的是a r m 9 2 0 t 内核，最高工作频率可达2 6 6 m h z 。它支持t h u m b 指令集和a r m 指令集，并含有 e m b e d d e d - i c e 模块支持片上调试。采用5 级流水线以增加最高时钟速率，使用分块的指 令与数据存储器端口以改善c p i ( 每条指令的时钟数- c p i 是处理器在一个时钟周期所工 作的量度) ，避免流水线中断，改善了处理器的性能。a r m 9 2 0 t 流水线非常紧密，没有足 够的松弛时间将t h u m b 指令解压缩成a r m 指令；相反，它用硬件直接对a r m 指令和t h u m b 指令进行译码。a r m 9 t d m 有一个协处理器接口，允许支持片上协处理器、数字信号处理 或其它专用的硬件加速需求。s 3 c 2 4 1 0 的结构框图如图3 - 2 所示。 $ 3 c 2 4 1 0 的片内资源有乜1 1 ( 1 ) 外部存储控制器( s d r a mc o n t r o la n dc h i ps e l e c tl o g i c ) ； ( 2 ) l c d 控制器( 带有d m a 功能) ，8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口： ( 3 ) 4 通道d m a ，带有外部d m a 请求引脚； ( 4 ) 3 通道u a r t ，2 通道s p i ： ( 5 ) 多组i i c 和i i s 总线控制器； ( 6 ) s d 接口和多媒体卡协议； ( 7 ) 2 个u s bh o s t 接口，1 个u s bd e v i c e 接口： ( 8 ) 4 通道p w m 定时器和单通道内部定时器； ( 9 ) 看门狗，实时时钟r t c ，锁相环( p l l ) 片内时钟发生器 ( 1 0 ) 共有1 1 7 个通用i 0 口，2 4 个外部中断源。 1 6 中北大学学位论文 i l c dl c d i c o n t d m a 图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 的结构框图 3 4 换能器选择 超声波换能器也称为超声波探头，它是超声波检测系统的重要组成部分，在利用超 1 7 中北大学学位论文 声波导波技术对管道进行缺陷检测时，它与管道直接接触，用于在管道中激励和接收超 声导波。可以说，超声波探头的性能直接影响到整个检测系统的性能和可靠度。超声波 探头是能将交流电信号转换成机械振动而向介质中辐射( 或发射) 超声波，或将超声波 场中的机械振动转换成相应的电信号的装置。超声波换能器按工作原理可分为压电式、 磁致伸缩式、电磁式等。超声波换能器根据其结构的不同，可分为直探头发射和接收纵 波、斜探头发射和接收横波、表面波探头几种乜筋。论文采用斜探头作为超声波换能器。 压电式斜探头换能器主要由压电晶片、楔块。接头等组成，是超声波检测中较为常 用的换能器之一，也是超声波流量计的重要组成部分乜引。 ( 1 ) 压电晶片 超声波探头中的换能器常用压电晶片来制作，当压电晶片受到发射电脉冲激励后产 生振动，可发射电脉冲，称为逆电压效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起 的形变可转换成相应的电信号，称为正电压效应。利用前者可产生超声波的发射，利用 后者可产生超声波的接收。压电晶片的振动频率就是探头的工作频率，主要取决于晶片 的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度。为得到较高的频率，要求晶片在共振状态下 工作，此时晶片厚度为1 2 波长。 ( 2 ) 保护膜、斜楔 晶片较脆，为了保护其与工件接触时不损坏，对于在表面平滑的试件，常在晶片的 前面粘附一层氧化铝等制成的硬保护膜；对于表面粗糙的试件，则使用可更换塑料软保 护膜。在斜探头的晶片前面有斜楔，晶片发出的纵波通过所设定的一不同倾角的斜楔射 向试件表面，经波型转换后可以在试件内部形成横波。斜楔一般采用有机玻璃制作乜引。 ( 3 ) 阻尼块 为提高探头发射超声波的频率，常使晶片在共振状态下使用，但是这样振动不容易 停止，难以形成窄脉冲。因此常在晶片背面装上阻尼块以增大晶片的振动阻尼，并吸收 晶片背面发出的超声波。对于斜探头，晶片前面已经与楔块的斜面固定，背面一般不加 阻尼块。但是斜楔内的多次反射波会造成一系列噪声，所以在斜楔的前面浇有阻尼物质， 用以吸收噪声。 ( 4 ) 调谐线圈 在调谐式电路中，为使探头的谐振频率能与仪器发出的电脉冲激励频率达到最佳匹 1 8 中北大学学位论文 配，常装有调谐线圈。调谐线圈可以安装在探头内，也可以安装在探头外。 3 5 测时误差和修正方法 用换能器测到的声时t 中，包括所要测量的超声波在媒质中传播的声时，电缆中的 延时和声波透过耦合层和探头透声面的延时。当仪器、探头和电缆固定后这些额外的延 时也就基本不变，只有接收信号的触发电平延时将随着接收幅度的大小而改变。其原因 是接收波本身不是理想的j 下弦波，它的前沿总是按一定的斜率上升的，而触发电平也不 可能等于零。显然，当接收信号的频率高、幅度高而触发电平低时，这个延时就短些， 反之就长些。所以在测量中，应尽可能选择较高的频率，对接收信号充分放大，要求严 格时应进一步考虑采用自动增益控制或经常监视接收幅度等方法来减小这个延时，并尽 可能使它不变心朝。 我们可以用两种方法来求出这些额外的延时的总和万。第一种方法是在声速c o 为 已知的媒质中，使超声波传播一定声程l ，所需的声时应为t o = 三，如用声速仪测得的 声时为t ，则可得 8 = t t o = 丁一 ( 3 1 ) 第二种方法是在固定媒质中改变声程的办法。如果两次测量的声程分别是l 。和l ：， 用声速仪测得的声时分别是t 。和t 。，那么 c o2 南2 南 仔2 ， 2 f 素2 乒蓉 峭屹 由此可得 y 8 ：墨刍二互刍 ( 3 3 ) 一 厶一厶 如果不改变声程而利用一次回波和二次回波，则上式仍可利用而因厶= 2 厶，故 万= 2 互一互。 求出额外的延时引舌，在对其他媒质进行测量时，如果能保持接收幅度不变，就 可利用正确的声时瓦= t - 万求出c o = z z o 。 1 9 中北大学学位论文 第四章a r m 子系统硬件电路设置 本章主要介绍了嵌入式数控系统中a r m 子系统的硬件设计与实现，详细阐述了硬件 各部分电路设计原理，主要包括电源供电、存储器电路设计、串口通信、接口电路、液 晶接口以及键盘设计等，给出了相应的电路原理图。 4 1a r m 子系统模块介绍 a r m 子系统是超声波流量计测量系统的核心之一，担负着大部分控制任务，a r m 主 控制芯片的高性能可以增强系统的稳定性、可靠性，使系统功能更加强大。该子系统的 硬件部分主要包括以下电路模块：电源电路、存储模块、复位电路、存储接口等。 为了加快系统的开发，同时提高系统的稳定性和可靠性，本系统采用了核心板加扩 展板的设计思想，利用核心板提供的接口扩展数控系统所需要的其它模块。a r m 核心板 集成了$ 3 c 2 4 1 0 、s d r a m 、n a n d f l a s h 以及晶振。通过引脚的插卡式连接器与扩展板相连。 核心板物理特性及硬件资源： ( 1 ) c p u - 三星$ 3 c 2 4 1 0 ，主频2 0 3 m h z ： ( 2 ) 两片3 2 m 字节s d r a m ( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ) ，一片6 4 m 字节的f l a s h ( k 9 f 1 2 0 8 ) ； ( 3 ) 一个电源指示灯和晶振电路； ( 4 ) 在总共2 0 0 条接口线里面，包含有电源线、地线、用户扩展可能要用到的地 址线、数据线、读写线、片选线、中断线、各外设接口、i o 信号等。 4 2a r m 系统电路设计 4 2 1 电源转换电路 可供选择的电源模块有线性稳压器和开关电源模块两种。线性稳压器的特点是输出 品质好、外围电路简单，但是当输入输出电压差较大时，输出功率会受到很大影响。而 开关电源模块输出功率受输入输出电压差影响较小，但是品质差一些，外部电路也比较 复杂，因此使用线性稳压器实现电压转换。 系统的大部分器件的工作电压是3 3 v ，只有s c 3 2 4 1 0 例外，它的内核的工作电压 1 8 v ，而i o 的工作电压是3 3 v 。另外液晶屏和u s b 的工作电压都是5 v 。因此本系统 2 0 中北大学学位论文 采用5 v 的直流电源供电，并分别利用l m l l l 7 3 3 和l m l l l 7 1 8 将5 v 转化为3 3 v 和 1 8 v 。如图4 - 1 所示。 c 1 0 3 l o o l | f 佑3 v ：1 0 4 一 、 0 4 3 u 2 5 i 且n1 1 7 - 3 3 暑 丁 2 ：1 0 6 一 、 0 4 ：1 0 5 q 弧讴| 6 3 n u 2 6 l a n l l 7 - 1 8 图4 - 1 电源转换电路 4 2 2 系统复位电路 为了提供高效的电源监视性能，提高系统的可靠性，系统没有采用简单的复位电路， 而是选用了专门的系统监视复位芯片m a x 8 1 1 。该芯片性能优良，可以通过手动控制系统 的复位，同时可以实时监控系统的电源。一旦系统电源低于系统的复位门槛值( 2 9 v ) ， m h x 8 1 1 将会对系统进行复位，系统复位电路如图4 - 2 所示。 2 1 中北大学学位论文 j r s w p b 图4 2 系统复位电路 4 3 超声波接收和发射电路设计 4 3 1 发射电路设计 接收信号质量的好坏直接取决于发射传感器的发射信号，我们除了可以选择性能匹 配的超声波传感器外，发射电路的设计也非常重要。由上- - + 节的分析可知，驱动超声 波换能器发射超声波信号，采用电感电容匹配电路使换能器处于谐振时，压电陶瓷产生 足够大的振动能量，发出大功率超声波信号。由串联谐振公式确定谐振电路中的电感量。 厶2 丽1 ( 4 - 1 ) 其中：厂一超声波中心频率，f = 4 0 k h z c - 超声波传感器等效电容量，c = 2 0 0 0 p f 通过计算可知，构成l c 谐振电路的电感量为7 9 2 m h ，