基于dsp的多普勒超声流量计的设计硕士论文.pdf

分类号 密级 u d c 编号 学 位 论 文 基于基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计的多普勒超声流量计的设计 水永辉 指导教师姓名 刘艳萍 教 授 河北工业大学 申请学位级别 硕 士 学科 专业名称 通信与信息系统 论文提交日期 2011 年 11 月 论文答辩日期 2011 年 12 月 学位授予单位 河北工业大学 答辩委员会主席 评 阅 人 2011 年 11 月 dissertation thesis submitted to hebei university of technology for the master degree of communication and information system design of doppler ultrasonic flowmeter based on dsp by shui yonghui supervisor prof liu yanping december 2011 河北工业大学硕士学位论文 i 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 摘 要 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 摘 要 超声波多普勒流量计多采用外卡式安装模式 因而具有不接触被测流体的优点 适用 于有固体颗粒或泡沫的流体的测量 在社会生产生活的很多领域应用广泛 目前对多普勒 流量计的研究多局限于通过硬件电路实现多普勒信号的解调 电路设计复杂 抗干扰性能 差 测量精度不高 分析了利用 fft 实现信号频谱分析的基本原理并对实现方法进行了仿真 研究了 fir 数字滤波器的基本原理并做了仿真 介绍了 tms320f28335 片内的资源和编程方法 以 tms320f28335 作为核心控制芯片 采用连续波超声多普勒测量方法 通过软件实现多普勒 信号的解调 设计了管道流量测量系统 给出系统硬件整体设计框图 设计了 dsp 外围接口电路和超声波的发射和接收电路 阐明了软件解调的具体实施方法 对软件解调时计算量大的问题进行了分析并给出减少计 算量的方法 给出软件设计流程图 利用 matlab 对测量核心算法进行了仿真 充分挖掘了 tms320f28335 片内的资源 结 果表明本设计能简化系统硬件电路设计 抗干扰性能好 同时具有较高的动态响应能力和 测量精度 关键词 关键词 tms320f28335 多普勒流量计 软件解调 快速傅里叶变换 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 ii design of doppler ultrasonic flowmeter based on dsp abstract ultrasonic doppler flow meters often employ external clamped installation mode thus have the advantages of no contact with the measured fluid suitable for solid particles or bubbles fluid measurements and have been widely used in many areas of social production and life the current study on doppler flow meter are restricted to doppler signal demodulation through hardware circuit the circuit designs are complex poor anti interference performance and measurement accuracy is not high the basic principles of signal spectrum analysis using fft have been analyzed and the methods have been simulated the basic principles of fir digital filter have been studied and the methods have been simulated the on chip resources and programming methods of tms320f28335 have been introduced using tms320f28335 as a core control chip and continuous wave doppler signal measurement methods software demodulating doppler signals the pipeline flow measurement system has been designed the overall design of hardware system has been give the dsp peripheral interface circuit the ultrasonic transmitter and receiver circuits have been designed the details of software demodulation method have been clarified the problem of heavy computation when software demodulation has been studied the ways of reducing computation have been given the software design flow chart has been give the core measure algorithms have been simulated by matlab the on chip resources of tms320f28335 have been fully used the results show that the design can simplify system hardware design and has a better anti jamming performance both higher dynamic response and accuracy have been improved key words tms320f28335 doppler flowmeter software demodulation fft 河北工业大学硕士学位论文 iii 目录目录 第一章 绪论第一章 绪论 1 1 1 研究的目的和意义 1 1 2 多普勒超声流量计的研究现状及发展趋势 1 1 3 超声波传感器的原理及其特性 2 1 3 1 超声波的特征 2 1 3 2 超声波传感器的原理 3 1 4 本课题的主要研究内容 4 第二章 多普勒流量计的原理及实现方法第二章 多普勒流量计的原理及实现方法 5 2 1 声学多普勒效应 5 2 2 多普勒流量计的实现方法 6 2 2 1 连续波多普勒流量计 6 2 2 2 脉冲多普勒流量计 7 2 2 3 测量方案的选择 8 第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计 9 3 1 dsp 芯片的选型 9 3 2 整体硬件框图 10 3 3 dsp 外围电路设计 10 3 3 1 dsp 电源电路 10 3 3 2 i2c 接口电路 11 3 3 3 按键和液晶显示部分 12 3 3 4 通信接口 13 3 3 5 电流 4 20ma 输出部分 14 3 4 超声波发射电路设计 17 3 5 超声波接收电路设计 19 第四章 算法的理论分析与实现第四章 算法的理论分析与实现 20 4 1 fft 的基本原理 20 4 2 fir 数字滤波器 24 4 3 多普勒信号的软件解调 29 第五章 软件设计第五章 软件设计 32 5 1 dsp 软件的开发 32 5 1 1 dsp 软件开发环境介绍 32 5 1 2 dsp 编程实现 34 5 2 上位机软件的开发 38 5 2 1 modbus 协议简介 38 5 2 2 visual basic 6 0 软件开发 39 第六章 仿真结果分析第六章 仿真结果分析 41 第七章 总结与展望第七章 总结与展望 44 参考文献参考文献 45 附录 a附录 a 48 致谢致谢 49 攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果 50 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1 1 研究的目的和意义 1 1 研究的目的和意义 使用超声波测量管道液体的流速时有很多优点 相对于已有的机械式水表和电磁流量计 超声波流 量计测量精度相对较高 测量稳定 对于不同的管道都能很好的测量 传感器跟测量的流体不接触 传 感器的安装也容易 测量结果准确可靠 不会因为压力的作用产生误差 功耗低 电路的集成度相对较 高 流量计运算高 显示的精度很高 便于利用数字化手段管理测量网络 1 最近几十年来 电子半导体技术发展迅速 元器件和芯片的集成度大大增加 但成本大却大大减少 这就使得研发和生产超声波流量计的成本降低很多 超声波流量计的测量算法得到深入研究 超声波流 量计产品逐渐增多 国内好多研发机构和流量计供应商日渐重视超声波技术在流量测量领域的研发 超 声波流量计现在有广泛的发展空间 由于传统的多普勒流量计存在测量精度较低 硬件设计较为复杂 无法判别流体流动方向 在低流 速时测量困难 动态响应速度慢 实时性差等问题 这就大大限制了实际的应用和推广 如果使用 dsp 芯片作为整个多普勒超声测量系统的控制核心 并利用先进的数字信号处理手段 不仅简化硬件电路 容易判断流动方向 而且可使超声波多普勒流量计的测量精度得到大幅度的提高 所以本课题研究不仅 具有重大的理论意义 还有很高的实际应用价值 1 2 多普勒超声流量计的研究现状及发展趋势 1 2 多普勒超声流量计的研究现状及发展趋势 就超声波流量计的发展历史来说 美国在这方面的研究起步比较早 并且很快就有产品投入到实际 应用 西欧各国和前苏联在这方面的研究开始的也很早 前苏联的科学家对流量流速测量理论进行了非 常深入的研究 讨论了流速层流分布时的流量补偿系数如何计算的问题 并且还提出增加超声流量计的 声道数 以此应对流场畸变时测量的不可靠性 为提高超声水表的精度开辟了新的方向 但是前苏联流 量计在实际当中的应用远不如美国那么广泛 日本是超声波流量计研究的后起之秀 在消除声楔和管壁 传播时间 测量精度的提高和提高动态相应速度方面有独到之处 我国开始研发超声波流量计时间较晚 只有很少的科研机构和大学尝试过超声流量计的研发 国外 的专利和技术在 80 年代中期的时候引入到我国 但是总体看来超声流量计没有涡街流量计发展的快 国内市场基本上被国外产品垄断 中科院合肥分院与最少 11 家石油勘探设计院联合起来开始研发超声 气体流量计 并在 1986 年推出了实验室产品 我国在 1994 年制定了超声波流量计的计量鉴定规程 这 就使得超声波流量计的研制和应用有了依据 大大促进了超声波流量计在我国的推广 是超声波流量计 在我国发展的一个重要标志 就目前市场上出售的多普勒超声流量计来说 外国的产品性能普遍较好 测量的精度很高 但是售价一般在十万元左右 普通的用户根本买不起 国内的产品比较便宜 但是大 部分产品测量精度很低 测量的可靠性不足 2 4 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 2 当今电子技术的发展日新月异 新技术层出不穷 多普勒超声流量计像其他仪器仪表一样也呈现出 智能化和网络化 5 6 1 使用智能接口实现人机对话 实现与外部设备和仪器对话 连接到自动检测系统 甚至连接到 internet 用户既可以通过面板上的按键和液晶显示修改参数 也可以通过网络远程修改参数 2 具有记忆功能的智能流量计的存储设备不仅用来保存测量代码 有关的数学理论模型和用户输 入的基本信息 又可以储存过去测得的和当前测得的各种流量数据 3 智能流量计往往通过自动校准 零点和增益等的校准 来确保当前测量的准确性 此外 它们还 能自主学习 通过学习学会更复杂更多的测量程序 4 通过网络 用户能够远程监测现场的控制过程和测量数据 并且具有很好的实时性 一旦现场 测量过程中出现问题 有关的现场数据会很快传送到用户面前 有助于采取有关的措施 如向遥远的制 造厂商咨询等 这样就使得测量的可靠性得到增强 5 利用网络 用户的工作能力大大提高了 用户可以利用仪表采集数据 然后命令另一台远方的 功能很强大的电脑分析采集的数据 并在 internet 上发布实时测量结果 6 经过网络 厂商可以使用网络通信软件工具把更新的程序驱动或者应用程序上传给遥远的测量 系统 然后进行现场的运行和调试 就像测量系统在自己的隔壁那样方便 总而言之 通过 internet 测量系统的潜力得到释放 改变了以往的测量面貌 打破了在一个固 定地点进行数据采集 数据分析和测量显示的传统模式 使用 internet 和网络通信技术 人们已经能 够或者即将能够高效的控制远方的测量设备 可以在任何地方采集数据 任何地方分析数据 在任何地 方显示测量结果 1 3 超声波传感器的原理及其特性 1 3 超声波传感器的原理及其特性 1 3 1 超声波的特征 1 3 1 超声波的特征 20 千赫兹以上的声音被称作超声波 它的特征是 超声波可以在液体 气体 生物体等固体中传 播 也可以在无法传播热 光和电磁波的介质中传播 超声波属于弹性波 除横波外 还有纵波 表面 波等其他波动模式 在纵波中 质点的振动方向与波的传播方向相同 在横波中 质点的振动方向与波 的传播方向相互垂直 表面波是质点的振动处于纵波和横波之间 沿着表面向前传播 振动的幅度随着 厚度的增加而很快衰弱的波 在液体和气体中只存在纵波 但是在固体中却存在表面波与横波等 由于 超声波的波长短 利用较小振动源可得到很强的方向性 易于能量的集中 超声波是沿直线进行传播的 声波的频率越高 它的绕射性能越弱 但是反射的超声波能量越大 因此 利用超声波的这种特性人们 研制了超声波传感器 7 超声波束在遇到反射体的直径比超声波的波长大 大界面 时 会发生折射与反射 超声波在传播过 程中 遇到反射体的直径比超声波的波长小 小界面 时 将发射绕射和散射 散射是小直径介质向四面 八方散发超声波 该小介质又成为新的振动源 河北工业大学硕士学位论文 3 图 1 1 超声波反射示意图 fig 1 1 schematic diagram of ultrasonic reflection 1 3 2 超声波传感器的原理 1 3 2 超声波传感器的原理 当电压施加在压电陶瓷时 压电陶瓷就会根据电压和频率的波动发生机械变形 另一方面 当压电 陶瓷发生振动时 则会有电荷产生 根据这个原理 两片压电陶瓷 或者一片压电陶瓷和一片金属片就 构成了振动器 即所谓的双压电振动元件 当给该元件施加电信号时 它就会弯曲振动 发射超声波 反之 当向该晶片元件施加一个超声振动时 它就会生成一个电压信号 由于以上的特性 压电陶瓷可 以用做超声传感器 8 9 振动 超声波的发送 金属片 压电陶瓷 图 1 2 超声波产生的机理 fig 1 2 the mechanism of ultrasonic 人们习惯上把超声波传感器称为超声波换能器 或超声波探头 它有如下性能指标 1 工作频率 工作频率指的是压电晶片的谐振频率 当施加到压电晶片上的交流电频率和它的谐 振频率一样时 压电晶片输出最大能量 输出灵敏度最高 2 工作温度 由于压电陶瓷的居里点比较高 尤其是诊断用的超声波探头 它的使用功率很小 因此工作温度很低 可以很长时间工作而不会损害 医疗行业使用的超声波探头的工作温度很高 因而 要有额外的制冷设备 3 灵敏度 灵敏度仅仅取决于压电晶片本身 机械振动和压电的耦合系数越大 探头的灵敏度越 高 反之 灵敏度越低 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 4 1 4 本课题的主要研究内容 1 4 本课题的主要研究内容 论文首先分析了超声波多普勒流量计目前的发展情况和未来的发展方向 在参阅大量文献的基础 上 选择一种 dsp 芯片 对现有的测量算法进行改进 课题的主要完成下面的工作 1 研究多普勒流量计两种测量方法的工作原理 比较它们的优缺点 进而选择一种可行的测量方 案 2 完成 dsp 芯片的选型 选择一款好的 dsp 芯片能大大简化电路的设计 降低成本 3 确定超声波的发射频率 设计超声波的发射和接收电路以及 dsp 外围接口电路 4 对有关的理论进行归纳总结 研究计算多普勒频率差的算法 并利用 matlab 对有关理论和算法 进行仿真 5 完成对多普勒解调算法的仿真 将算法转化为 dsp 能执行的代码 编写上位机软件 实现流量 计与上位机的通信 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章 多普勒流量计的原理及实现方法 第二章 多普勒流量计的原理及实现方法 2 1 声学多普勒效应 2 1 声学多普勒效应 多普勒效应是为纪念奥地利数学家和物理学家 christian johann doppler 而命名的 他在 1842 年率 先阐述了这一经典理论 根据多普勒效应理论的描述 声波在振动源移向观测者时观测者接收频率增加 而当振动源远离观测者时观测者接收频率减小 当观测者运行时也有相同的结论成立 最常用的一个例 子就是火车的鸣笛声 当火车接近静止的观测者时 观测者听到比平常更尖锐的火车鸣笛声 观测者在 火车经过时能明显感受到鸣笛声音的变化 相类似的情形还有 救护车的警报声和摩托车发动机发出的 声音 10 14 假设声源的振动频率为f 声波在介质中的传播速度为 c 声波的波长fc 声波在介质中传 播速度的大小与声源是否移动没有关系 它仅仅由介质的属性决定 波的振动频率值等于一秒内经过介 质中某一个固定点的完整周期的个数 以下分三种情形分别讨论 1 声源相对静止 观察者相对于声源的运动速度为 u 这时观察者不是待在原地等待一个个传播过来的波 而是迎上去接收更多的波 则观察者接收到声 波的振动频率为 f c ucuc f 2 1 式 2 1 表明当观察者面朝着不动的声源移动时 观察者感受到的声波振动频率是声源振动频率的 1 u c 倍 因而观测者听到的声音的音调变高了 与之相反 当观察者远离不动的声源运动时 它所 感受到的声波振动频率为 f c uc uc f 2 2 声音的频率小于声源振动频率 故观察者听到的声音音调降低了 2 观察者相对静止 声源相对于观察者以速度 u 运动 图 2 1 声源运动观测者静止 fig 2 1 sound source movement stationary observer 设声源 s 相对于传输介质以速度 u 接近观察者 如图 2 1 所示 在运动的过程中 波源按自己的振 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 6 动频率振动 一个完整的振动周期完成一个全振动 并发出一个完整的振动波形 接着到达图 2 1 中 b 点 但是在一个周期 t 时间内振动源由原来的 1 s移动到现在的 2 s 波长被压缩为 tucut 2 3 因此观察者感受到的振动频率为 c f 2 4 将式 2 3 代入式 2 4 中 f uc c f 2 5 式 2 5 表明 声源朝向相对传输介质静止的观测者移动时 观察者接收到的声音频率为声源发出频率 的 c c u 倍 与之相反 当声源远离观察者移动时 观察者感受到的声频率为 f uc c f 2 6 观察者感受到的声频率小于声源发出的频率 这其实就是飞速的火车嘟嘟而来汽笛声音调变高 而鸣笛 远去 声音音调降低的原因 3 声源与观察者相对于超声波传播的媒质都发生位移时 设振动源速度为 v 观察者速度为 u 综合上面分析两种情况 观察者感受到的声音频率为 f vc uc f m 2 7 综上所述 不论是声源运动还是观察者运动 只要它们互相靠近 那么观察者感受到的声音频率就 高于声源振动频率 互相离开 观察者感受到的声音频率低于声源的频率 2 2 多普勒流量计的实现方法 2 2 多普勒流量计的实现方法 按照传感器发射超声波的激励形式可以把多普勒流量计分为两大类 连续波多普勒法和脉冲多普勒 法 2 2 1 连续波多普勒流量计 2 2 1 连续波多普勒流量计 如图 2 2 所示是连续波多普勒流量计原理图 发射传感器在连续不断的激励信号的作用下 发出连 续的超声波 超声波被流体中的杂质颗粒或气泡散射或反射后被接收传感器接收 该接收到的超声波的 频率会随颗粒移动速度的不同而变化 根据频率变化的大小来获得颗粒的速度 颗粒或气泡的速度和其 所在流体的流速可认为是相等的 这样也就间接地求出了流速 进而可以计算管道的流量 15 17 图示中反射体随流体以速度u沿轴向远离传感器 发射传感器感受到的频率 1 f为 cos 01 c uc ff 2 8 式中 0 f为发射的超声波频率 c是流体中的声速 接收传感器接收到的超声波频率 r f为 河北工业大学硕士学位论文 7 图 2 2 连续波多普勒测量原理示意图 fig 2 2 schematic diagram of continuous wave doppler measurements cos 1 uc c ffr 2 9 将 2 8 式代入 2 9 式可求得 cos cos 0 uc uc ffr 2 10 接收频率 r f与发射频率 0 f之差 d f即多普勒频移 考虑到实际中声速c远大于流速u 可求得频移 d f为 c u ffff rd cos2 00 2 11 由公式 2 11 即可计算出流体流速为 d f f c u cos2 0 2 12 再根据所测管道的横截面积就可以求出流量了 2 2 2 脉冲多普勒流量计 2 2 2 脉冲多普勒流量计 图 2 3 脉冲多普勒法原理图 fig 2 3 schematic pulse doppler method 脉冲多普勒法激励发射传感器的电信号不再是连续的而是仅有几个周期长的短脉冲 23 在传感器 发射完超声波后 通过一个切换信号 该传感器又开始接收被反射体反射回来的超声波 超声波短脉冲 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 8 被处于投射区 图 2 3 所示的灰色部分 不同位置的反射体反射后 又分别被接收 根据反射的短脉冲到 达传感器的时间的不同来判断不同的反射体距离管壁的位置 再求出这些短脉冲相对于发射频率的偏 移 就能求出整个管道的流速剖面了 进而能较准确的求出流量 18 19 2 2 3 测量方案的选择 2 2 3 测量方案的选择 连续波多普勒法发射的超声波是连续的 因此接收到的超声波信号较强 有用信号的持续时间较长 位于管道中心处颗粒或气泡反射的超声波能被接收传感器接收到 而偏离中心处较远的颗粒或气泡反射 的超声波 就不能被接收 因此连续多普勒法只能获得中心线附近处流体的流速 由于管道中不同位置 流体的流速是不同的 一般是靠近管壁的流速稍小于位于中心线处的流速 如图 2 3 所示的流速剖面 连续多普勒法在求管道的流量时需要估计中心线外其他位置流体的流速 脉冲多普勒法虽克服连续法的上述缺点 但是接收到的多普勒信号非常弱 持续时间也非常短 如 何在接收的信号中准确找到多普勒信号 如何计算多普勒信号频率的差 都是非常困难的 此外脉冲多 普勒方法与连续法相比 它只用一个传感器 通过发射和接收的切换来完成测量 理论上 在发射完成 后传感器就应该能立刻转到接收状态 这样才能测量离传感器很近的反射体的速度 但是实际的传感器 在发射完后能量不能立刻释放 导致它由发射转到接收时需要一定的时间 即 盲区 因此对于口径 很小的管道 脉冲法是无法测量的 下面分析下由多普勒效应带来的频率的变化 要测的流速 u 1m s 管道的口径 d 100mm 夹角 30 度 声速 0 c 1482m s 激励脉冲的频率 0 f 1mhz 由公式 2 11 计算出频率偏移 d f 1168 7hz 要达到 1 0 级的精度 那么频率分辨率得高于 11 7hz 流速减小要求的频率分辨率将更高 假设超声波束的宽 度 x 6mm 反射体能反射超声波的时间大约仅为 12ms 脉冲多普勒方法反射的时间跟脉冲的长度有关 一般小于 10 个反射激励脉冲的周期 小于 10us 如何利用这么短时间的信号精确获得反射信号的频率 将是多普勒法需面对的一个主要问题 对于连续多普勒法 可通过对反射信号进行采样 然后进行 fft 处理来获得信号频率 降低采样频 率 提高 fft 变换的点数都能提高频率分辨率 实现起来相对容易 对于脉冲多普勒测量方法 通过 fft 变换的方法求频率难度就很大了 可以通过求接收信号的周期来反推频率 如精确计算接收到的多 普勒信号连续几个过零点 求出多普勒信号的周期 周期的倒数就是接收信号的频率了 该方法要求计 算的周期必须非常准确 至少要精确到 1ps 或者更高 这在实际中是很难做到的 此外该方法要用到发 射超声波的频率 但由于每台表硬件和传感器的微小差异 发射的频率会稍微偏离理想设计的发射频率 因此还需要计算实际的发射频率 实现起来很困难 由公式 2 11 可知 在流速一定时 提高发射频率能提高多普勒信号的频差 有利于精度的提高 此外频率的越高 收到的噪声的干扰也越小 但是要求的采样频率也更高 对硬件电路的要求也越高 因此综合上面的考虑 本设计采用的发射频率是 1mhz 测量方式采用连续多普勒的方法 通过计算中 心线附近流体的速度来估计整个管道的平均流速 河北工业大学硕士学位论文 9 第三章 系统硬件设计 第三章 系统硬件设计 3 1 dsp 芯片的选型 3 1 dsp 芯片的选型 设计选用 ti 最新推出的 dsc 芯片 tms320f28335 该芯片不仅具有强大的定点数字运算能力和片内 集成的丰富的外设 而且有浮点运算单元 fpu 在工业测控 环境质量检测 数字信号的处理等嵌入式 系统中有广泛的应用前景 tms320f28335 采用的是静态超高性能 cmos 技术 正常的工作频率高达 150mhz 6 67ns 片内系统 主要有 定点 cpu 和浮点 cpu 单元 34k 16 位的 ram 和 256k 16 位的 flash 存储器 支持高达 58 个 片内外设中断的中断扩展模块 内部集成的各种外设 tms320f28335 和早期的 tms320f28x 一样都有一 个 32 位的低功耗定点 cpu 早期的 28xx 系列的 dsp 没有浮点计算单元 支持 32 32 位的乘累加操作 采用 8 级流水线技术大大提高代码的执行速度 安全区域 片内 flash otp 和 l0 saram l3 saram 的 代码又有 128 位的保护密码 确保了代码的安全性 片内固化的程序代码支持多种 bootloader 方式 通过 gpio84 gpio87 来设置启动方式 支持直接跳转到 flash sci spi i2c can mcbsp 等多种加 载方式 tms320f28335 最多可以设置 88 个 gpio 通用输入输出引脚 gpio 控制模块的寄存器可以将某个 引脚定义成多种工作模式 默认的通用 io 模式和 3 种片内外设功能模式 大大提高引脚的灵活性和利 用率 这样就使得硬件布线时有多种选择 布局更加合理 gpio0 gpio63 这 64 个引脚可以作为外部的 中断输入引脚 使得 dsp 能对外部中断有效控制 tms320f28335 片内有 6 个独立的 pwm 模块 每个模块定时器是 16 位的 有 12 个 pwm 输出 这 6 模块还可以用做更高精度的 pwm 输出 如果这 6 个 pwm 模块不能满足应用的需要 6 个 cap 模块也可以 用做 pwm 输出 cap 模块的定时器是 32 位的 利用 pwm 输出外加简单的 rc 滤波电路就能实现 dac 功能 tms320f28335 片内的 adc 模块采样速率最高可以达到 12 5mhz 80ns 一个采样点 在如此高的采 样速率下 采样数据必须迅速地从采样结果寄存器中读出 用 c 语言编写的程序 由于执行效率较差 不能在下次采样完成之前将上次采样数据读出 因而会发生错误 必须通过汇编语言编写该部分程序 或者使用 dma 模块实现 tms320f28335 片内首次集成了 6 路 dma 模块 即直接存储器存取模块 数据可以在 cpu 不参与的 情况下 实现数据在外设与片内存储器 片内与片外存储器 之间进行数据转移 大大减轻了 cpu 的负 荷 为其他系统函数的迅速执行称为可能 dma 完成任务之后 只需要发个中断给 cpu 即可 此外 tms320f28335 中集成了多种通信外设 如 2 个 can 模块 3 个 sci 通信模块 1 个 spi 接口模 块和 2 个多换成串口模块 1 个 i2c 接口模块 这些片内外设增强了 dsp 的数据通信功能 20 28 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 10 3 2 整体硬件框图 3 2 整体硬件框图 系统整体设计框图如图 3 1 所示 传感器的激励方式采用连续正弦波激励 为降低系统的成本 正 弦波由 pwm1 产生的占空比为 50 的 1mhz 方波经模拟低通滤波器滤波后产生 发射传感器被功率放大的 正弦波激励后以一定角度向流体中发射 1mhz 的超声波信号 该超声波信号被流体中的颗粒或气泡散射 或反射后产生多普勒效应 接收传感器接收的超声波多普勒信号 经前置放大电路和带通滤波处理后送 至 ad 采样 dma 模块负责将采集到的数据存储到指定的存储区域 cpu 对采集的多普勒数据进行计算 进行信号的频谱分析 得到频率的变化值 接着根据键盘输入 或上位机修改 的仪表参数进行瞬时流速 瞬时流量 流量累加量等所需要的数据量的计算 通过 lcd 液晶显示 键盘接口 4 20ma 输出以及 rs485 通信等实现人机接口功能 为了保存输入的仪表参数和历史流量等数据 外扩了一个铁电存储器和一个 实时时钟 接收传 感器 adcdma pwm1 发射传 感器 低通 滤波 功率 放大 前置 放大 带通 滤波 pwm2 rc 滤波 电压电流 变换器 4 20ma scirs485计算机 实时时钟铁电存储器 i2c 接口模块 lcd键盘 通用输入输出口 tms320f28335 图 3 1 系统整体设计框图 fig 3 1 system block diagram of the overall design 3 3 3 3 dsp 外围电路设计 dsp 外围电路设计 外围电路主要包括电源部分 i2c 接口电路 按键和液晶显示部分 通信接口和 4 20ma 电流输出 部分等 3 3 1 dsp 电源电路 3 3 1 dsp 电源电路 tms320f28335 数字信号控制器的引脚电压为 3 3v 内核电压为 1 8v 1 9v 本设计中使用输出电 流为4 6a 工作压差可低至1 35v的稳压器芯片ams1585提供1 9v的内核电压 使用稳压器芯片ams1117 提供引脚的驱动电压 具体电路如图 3 2 所示 河北工业大学硕士学位论文 11 图 3 2 dsp 电源驱动电路 fig 3 2 dsp power driver circuit 3 3 2 i2c 接口电路 3 3 2 i2c 接口电路 为记录用户输入的参数及对累积量和历史流量等数据保存 设计中外扩了一片铁电存储器 fm24v02 fm24v02 是一个 256k 位的掉电不丢失存储器 是 ramtron 公司推出的 v 系列铁电存储器产品 的最新型号 正常工作时电压范围应在 2 0v 3 6v 之间 采用 8 脚标准 soic 封装 具有访问速度快 写入没有延迟 读 写次数几乎是无限制的和功耗低等特点 fm24v02 的写入操作支持高达 3 4mhz 的 i2c 高速模式 向下兼容 100khz 和 400khz 总线速率 由于该芯片支持无延迟写入 因此不用查询是否写入 完成就可以开始下一个写入操作 另外 fm24v02 的读 写次数最高可达 100 万亿 1e14 高出传统的 eeprom 好几个数量级 fm24v02 在写入数据时不需要内部电源电压升高 因此功耗也比 eeprom 低出好 多 图 3 3 i2c 接口电路 fig 3 3 i2c interface circuit 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 12 由于 dsp 芯片没有集成实时时钟 在设计时外扩了一片实时时钟芯片 pcf8563 pcf8563 是 philips 公司生产的一款日历时钟芯片 它支持 i2c 总线接口 功耗非常低 内部有多种报警功能 输出时钟和 日期功能 定时功能和发出中断请求功能 能完整多种复杂的定时任务 甚至还可以作为微控制器的硬 件看门狗 是一个性价比很高的实时时钟芯片 目前它在电表 电话 超声水表 气表 传真设备 便 携式仪表等一些使用电池供电的场合应用广泛 铁电存储器和实时时钟电路如图 3 3 所示 3 3 3 按键和液晶显示部分 3 3 3 按键和液晶显示部分 按键和液晶是实现人机信息交换的必不可少的部分 通过按键用户可以设置参数 如管道外径 管 壁厚度 管材类型 衬材类型 衬材厚度 传感器安装模式和流体类型等 这些参数是计算流量必不可 少的 液晶可以把这些参数显示出来 通过液晶用户还可以了解当前测量的状态 设计中分配了四个通 用 io 口与四个按键接口 如图 3 4 所示 按键的键值通过查询的方式获得 流量计的显示部分采用的是金鹏电子有限公司开发的液晶显示集成模块 该模块可以显示数字 字 母中文字体和简单的图形 有简单的绘图功能和图形文字混合显示功能 该模块的控制有三种方式 即 4 位 mcu 控制接口方式 8 位 mcu 控制接口方式和串行控制接口方式 所有的功能 用于显示的 ram 和 产生字型的电路都集成在一个小的芯片里面 一个简单的微控制系统就能方便地完成液晶的显示操作 图 3 4 键盘电路图 fig 3 4 keyboard circuit 该模块内置 2m 位的中文显示字型 rom cgrom 总共集成 8192 个中文字符 16 行 16 列点阵 16k 位半宽度字符 rom hcgrom 集成 126 个字型 16 行 8 列的点阵 64x16 位的用于字型形成的 ram cgram 此外图形绘制区域 gdram 大小是 64x256 供用户绘制图形 可图形和文字组合显示 主 要的功能指令包括 清除显示画面 display clear 输入光标复位 return home 打开或关闭液晶显 示 display on off 隐藏和显示输入光标 cursor on off 输入的字符闪烁显示 display character blink 移动光标 cursor shift 移位的显现 display shift 画面垂直翻动 vertical line scroll 显示背景反白 by line reverse display 等待模式 standby mode 河北工业大学硕士学位论文 13 图 3 5 液晶写操作时序 fig 3 5 lcd write timings 设计中采用的是 8 位并行接口模式实现 dsp 与液晶的数据传送 由于液晶的控制时序与 dsp 外部接 口的时序差别较大 在 dsp 往液晶传送数据时 使用 dsp 的通用 io 口来模拟液晶的控制时序 实现数 据的显示 液晶的控制时序如图 3 5 所示 3 3 4 通信接口 3 3 4 通信接口 流量计可以与计算机进行实时通信 流量计可以将测量数据 参数 历史流量信息和采样波形等上 传到计算机 方便用户查看当前测量状态 用户还可以通过上位机设置测量参数等 由 rs485 总线通信接口组成的工业设备控制网络在工业控制和工业测量领域应用广泛 这种总线接 口非常方便地把许许多多的控制设备连成一个控制设备网络 目前微控制器之间的长距离数据通信有多 种实现方案 rs485 通信方法结构简单 成本不高 通信距离适中 通信速率适当 因而广泛应用在仪 表仪器 传感器级联控制器 楼层间控制 监视报警 工业现场控制和煤矿生产安全等领域 rs485 通 信接口芯片选用的是 adi 公司的 adm2483 adm2483 是 adi 公司生产的具有隔离功能的 rs485 通信接口 芯片 该芯片使用了 adi 的 icoupler 磁耦隔离专利技术 现场的环境复杂 因此在硬件电路的设计上 必须注意一下几点 1 rs485 总线接口芯片 de 端 方向切换 控制 dsp 上电复位的时间是不确定的 加上 rs485 系统一般会有很多设备挂在总线上 这就有可能会引 起在同一时间内有两个以上的设备处于发送状态 引起 咬总线 的情况发生 adm2483 专门设置了一 个电源监控脚 pv 当 pv 脚的输入电平为低电平时 芯片停止工作 当 pv 脚输入电平为高时 adm2483 正常工作 dsp 的复位电平为低电平 与 pv 的不工作电平刚好相同 因此当 dsp 低电平复位时 pv 引 脚为低电平 adm2483 停止工作 当 dsp 正常工作时 pv 引脚为高电平 adm2483 开始正常工作 这就 有效的避免出现 rs485 总线发生竞争的问题 2 rs485 总线接口后端电路 在图 3 6 中 d1 和 d2 为限幅二极管 它们的稳压范围必须满足 rs485 总线接口标准 课题中使用的 是 p6ke6 8ca 能保证总线信号幅度在 7 至 12v 之间 大大提高了抵抗高电压的能力 rs485 总线上可 能出现某一个芯片被高电流击穿而短路 但总线上其他设备应不受其影响 为此 设计时 使用两个阻 值仅为 20 的小电阻串联到 adm2483 的输出端 从而解决了一个芯片的损坏 整体通信系统瘫痪的问 基于 dsp 的多普勒超声流量计的设计 14 题 在工程应用系统的现场 通信的物理载体是双绞线 双绞线的阻抗大约为 120 因此在设计时在 rs485 输出端加了一个阻值为 120 的匹配电阻 降低传输信号在线路上反射 根据 rs485 芯片的性能 接收器检测接收信号的灵敏度是 200mv 也就是差动输入 va vb 200mv 时 输出高电平 当 va vb 200mv 时 输出低电平 当差动输入端电压差的绝对值比 200mv 还小时 输出的结果是不确定的 如果通信总线上所有的发送设备都被禁止 那么接收设备输出低电平 这时接收设备错误的认为通信帧 开始 导致不能正常工作 为解决该问题 在电路设计时 人为的使 a 端电压高于 b 端电压 这样 rxd 的电平在没有数据发送时是高电平 dsp 就不会因为错误的中断而接收乱码了 为此在 rs485 总线电路 输出端 a 接一个上拉电阻 在输出端 b 接一个下拉电阻 问题就解决了 图 3 6 通信接口电路 fig 3 6 communication interface circuit 3 dsp 软件编程时的问题 在开发 rs485 通信程序时 应注意对 rs485 方向控制端 de 的编程 为确保接收和发送的数据可靠 在 rs485 总线进行方向切换时应该有一定的延时 之后再继续数据的发送和接收 具体的方法是 在发 送数据时将方向控制端 de 设为高电平 延时等待约 1ms 后 再开始发送数据 一个完整的数据包发送 完成后延时 1ms 将方向切换控制端 de 置低 经过这样的编程处理后 总线在发送接收方向切换时仍 能稳定的工作 3 3 5 电流 4 20ma 输出部分 3 3 5 电流 4 20ma 输出部分 在工业应用现场 一台仪表在完成信号的调理之后需要将信号进行长距离传输 此时可能有如下问 题 首先 当传输电压信号时 传输线很容易被噪声干扰 其次 传输线存在分布电阻因而对电压有衰 减 最后 在现场怎么提供仪表放大电路的工作电压有待进一步研究 为解决上面的几个问题躲开相关 噪声的干扰 实际当中使用电流进行信号传输 这时因为噪声对电流的干扰很小 4 20ma 电流环输出 就是用 4ma 代表 0 信号 用 20ma 代表满量程信号 当小于 4ma 或大于 20ma 时 发出故障报警信号 通 过按键设置 用户可以选择电流输出值对应流速或流量 此外用户还需设置好 4ma 对应的流速或流量值 20ma 对应的流速或流量值 为输出电流信号 首先得输出模拟电压信号 常用的方法是根据流速或流量的值 通过数模转换 输出对应的模拟电压值 但这样就增加了成本 考虑到 dsp 有强大的 pwm 输出功能模块 利用 dsp 的 河北工业大学硕士学位论文 15 pwm 输出模块 再加上一些简单的外围电路和对应的软件代码 就能实现对 pwm 输出信号的处理 得到 精确并且稳定的模拟信号输出 实现 d a 转换 这将大大降低流量计的成本 减小硬件电路体积 并有 利于精度的提高 3 3 5 1 利用 pwm 模块实现 dac 的理论基础 v t h v l v 图 3 7 pwm 信号 fig 3 7 pwm signal 利用周期一定 高电平 或低电平 的占空比可调的 pwm 方波信号 实现数模转换器的理想做法是 将 pwm 方波信号通过一个理想的低通滤波器 滤掉 pwm 输出信号中的高频分量 保留低频和直流分量 这样就完成了数模转换 低通滤波器的带宽直接决定数模转换器的带宽的大小 图 3 7 所示的 pwm 方波 信号可以用分段函数描述为 kntnttntkntv kntnttkntv tf l h 3 1 其中 t 是 dsp 的 pwm 模块的时钟周期 即 pwm 计数器每隔时间 t 增加或减少 1 n 是输出一个完整周 期的 pwm 方波计数个数 即计数器的定时周期 n 是一个周期中计数器在高电平时的计数个数 vh和 vl 分别代表输出 pwm 方波中高电平和低电平的电压值 k 表示一个完整的方波周期的序号 t 代表时间 为实现对 pwm 方波信号的频谱分析 下面介绍滤波器设计的理论依据 根据傅里叶变换相关的理论 对 于任意一个周期为 t 的模拟信号 都可以分解为频率为基频整数倍的余弦和正弦谐波分量的累加和 因 此式 3 1 表示的函数的傅里叶级数展开式为 2 2 cos sin 2 2 cos sin 2 k lhlh llh k n n kt nt k n nvv k n n t ntn nvv vvv n n tf 3 2 从式 3 2 可以知道 式中第一部分为直流分量 第二部分是一次谐波分量 第三部分是二次以上 的谐波分量 在式 3 2 中 当 n 从 0 增加到 n 时 直流分量的值从 l v增加到 hl vv 这恰好是数模 转换器电压输出所需要的 所以 假如能虑除式 3 2 中第一部分以外的其他部分 即其他谐波分量 就能实现数模转换 也就是 pwm 方波输出的信号经过低通滤波处理完成 dac 功能 从式 3 2 还可以看 出