超声波多普勒流量计软件设计.doc

目录本科毕业设计(论文)题目：超声波多普勒流量计软件设计院 （系）： 电子信息工程学院专 业： 自动化 班 级： 050401班 学 生： 张亮亮 学 号： 050401121 指导教师： 毕雪芹 2009年 6月超声波多普勒流量计软件设计摘 要超声波多普勒流量计主要用于污水类非纯净液体和混有固体颗粒的两相流的流量测量，其优点是：分辨率高，对流速变化响应快；对流体的压力、粘度和温度等因素不敏感。但就当前测量水平来说，其精度及其它性能都有待于进一步提高，因此，超声多普勒流量计的研究无论是对于自动化测量技术的提高还是对于环保事业来说，都将是一项极有意义的研究课题。 本课题设计的超声多普勒流量计引入先进的数字信号处理技术，在频域上对多普勒信号进行有效的处理，主要处理技术是以快速傅里叶(FFT)变换为基础的功率谱算法和峰值逼近算法。具体方法是首先对多普勒频移信号进行采样，再进行FFT变换，进而得到该信号的功率谱，在功率谱上应用峰值频率的逼近算法，加上适当的数字滤波技术，从而得到频移信号所对应的频率值，在此基础上，根据多普勒效应原理，求取管道中流体流速及其它数据量。由于要进行大量的数据处理，硬件电路采用TI公司的TMS320F2407A DSP作为核心处理器件，从而满足系统实时性的要求。硬件电路除了核心器件外，还辅以其他滤波及放大电路等，最终推出一款结构简单、系统完善的新型超声多普勒流量计。该系统除了具有一般流量计的显示功能，如瞬时流量、累计流量、累计时间、瞬时流速的显示等，在仪表精度和稳定性方面，也有了进一步的提高。关键词：多普勒流量计；FFT；峰值逼近；TMS320LF2407A；DSthe Software Design of Ultrasonic Doppler FlowmeterAbstractUltrasonic Doppler flowmeters are mainly applied to measure flux of sewage or other liquid with solid grain. They are of high resolving power, and can respond quickly with the variety of velocity. Moreover, they are insensitive to the pressure and temperature of liquid. But now, technique in this field will be improved, so the task is significative not only to automatic measurement but to environment protection.This paper is focus on the software design of Ultrasonic Doppler flowmeters. Digital signal processing is introduced to analyze Doppler signal, for example, FFT is used to convert Doppler signal from time domain to frequency domain, and then the algorithm of approaching peak value is put into practice. After this, filter software is in use. Thus Doppler frequency shift is obtained, According to Doppler effect, velocity and flux can be calculated, Because of mass-calculation, TMS320LF2407A DSP is chosen as core part in hardware design. And in hardware design, low-pass filter, amplifier, D/A convector and other circuits are included. The whole system is simple and intelligent.The system designed is improved in precision and stability. It has a distinct characteristic in displaythe function of dynamic spectrum display, which is advantageous during its installation.Key Words: Doppler flowmeter; FFT; approaching peak value; TMS320LF2407A, DSP 目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1超声波流量计简介11.2超声多普勒流量计的发展及现状21.3研究目的和内容31.3.1研究目标：31.3.2研究内容：32 超声波多普勒流量计工作原理42.1多普勒效应42.1.1声源运动，观察者相对静止42.1.2观察者运动，声源相对静止52.2超声波多普勒流量计测量原理62.2.1工作原理62.2.2流量方程62.2.3有关流量方程的几点讨论83 超声波多普勒流量计的硬件结构113.1系统硬件结构框图113.2DSP TMS320LF2407A123.2.1硬件性能123.3.2硬件资源配置134 超声波多普勒流量计的DSP软件设计154.1 DSP软件设计工具简介154.2系统软件总框图154.3各软件模块流程图154.3.1监控模块154.3.2初始化模块164.3.3定时器模块174.3.4键盘扫描模块204.3.5数据处理模块214.3.6显示模块214.3.7看门狗模块224.3.8串行写入模块225 数据处理245.1超声波多普勒信号的特点245.1.1时域表达式245.1.2多普勒信号的频谱展宽255.1.3功率谱密度与流速的关系255.2快速傅里叶变换265.3多普勒频移的逼近285.4数字滤波296 结论30致 谢31毕业设计（论文）知识产权声明32毕业设计（论文）独创性声明33参 考 文 献3430西安工业大学毕业设计（论文）1 绪论1.1超声波流量计简介超声就是指频率高出可听频率极限(即在20KHz以上的频段)的弹性振动，这种振动以波动形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波技术应用于流量测量的原理是：由超声换能器产生的超声波以某一角度入射到流体中，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息，利用接收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。超声波流量计结构简单、压力损失小、使用方便，因而得到广泛的应用。与其它种类的流量计，如电磁流量计、涡街流量计、差压流量计、质量流量计等相比较，超声波流量计具有以下优点：（1）采用非接触式测量，换能器安装在管道外壁，基本上不干扰流场，无压力损失，是一种比较理想的仪表。（2）测量口径范围大，一般为0.5-5m，有时可达10m，而且造价与口径大小无关。（3）换能器形式多样，可适合不同场合的需要，除了用于测量水、石油一般导声流体外，还可用来测高温、高压、强腐蚀、非导电、易爆和放射性等导声流体。（4）通用性好，在可测口径范围内，同一台流量计可测任何不同口径的管道。（5）无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。（6）安装维修方便，不需要专门的阀门等，不必中断流体流动，不影响生产。超声波流量计的研究已有数十年历史了，20世纪50年代末期，超声波流量计由理论研究阶段进入工业应用时期，进入70年代以后，由于集成电路技术的迅猛发展，高性能、高稳定性的锁相技术的出现与应用，才使实用的超声波流量计得以迅速发展。根据对信号的检测原理，超声波流量计非接触测量方法分为：传播速度差法、多普勒法、波束偏移法及流动超声法等不同类型，其中传播速度差法又分为时差法、相差法和频差法。目前，时差法和多普勒法是被广泛采用的测量方法。时差法是通过测量超声波顺流及逆流传播时的时间差来反映流速。早期采用单声道工作方式，并且对流速断面的变化比较敏感，受雷诺数、管壁粗糙度等影响，稳定性较差。后来有人开发了多声道工作方式，降低了仪表对流速断面的敏感性，同时也提高了精度，但相应的电路的复杂性就增加了。时差法发展初期，发射波属于窄声束超声波，一般只适用于洁净的单相液体，但窄声束发射存在接收信号强度弱的问题。为了克服这一问题，美国Controlotron公司研究了宽声束发射技术，使得时差流量计除了能测量单相均匀液体的流量，还可以测量含有少量气泡和固体颗粒的液体的流量。但宽声束发射要求探头与管道声匹配良好，这样一对收发探头一般只能适用于特定的管材和管径，这对用户来说，是一个很不利的因素。多普勒法利用的声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体的超声波多普勒频移来确定流体的流量。以下将对多普勒法进行详细介绍。1.2超声多普勒流量计的发展及现状人们对超声多普勒流量计的研究开始于20世纪60年代末与70年代初，进入80年代以后，由于电子技术的发展，特别是微电脑的出现，促进了超声波多普勒流量计的发展。超声多普勒流量计是利用声学多普勒效应，根据反射声波与入射声波之间的频率差(即多普勒频移)来求流速和流量的，这就要求流体中存在能反射声波的颗粒或气泡.，多普勒法的主要应用领域有：（1）含有固体颗粒的两相流的流量测量，如矿浆、工业污水、城市污水等；（2）腐蚀性和有毒液体(如氰化物)或食品工业中卫生要求高的流体的流量测量；（3）应用于准确度要求不高，但要求重复性好的场合，如作为流量开关，或装在泵上作为泵的保护装置；（4）可用于粗大圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径的限制，其造价基本上于管径无关。超声多普勒流量计除了具有非接触式流量计的一般特点，其突出优点是：分辨率高，对流速变化响应快；对流体的压力、粘度、温度、密度和导电率诸因素不敏感，无零点漂移等问题;测量条件不变时重复性好；价格较便宜基于DSP技术的超声波多普勒流量计的设计(只有相同口径的电磁流量计价格的十分之一)。它的缺点在于：流量测量精度除了取决于发射频率外，流体中反射体颗粒的浓度、粒径大小、性质、粒子的分布及流速分布等因素的变化对流量测量精确度均有影响，管道振动也是多普勒流量计测量的一个误差来源。除了通过信号处理电路来降低误差外，软件上数字信号处理技术的引入成为提高测量精度的关键。传统超声多普勒流量计在解调多普勒信号时采用混频到基频的方法，产生了如下问题：低流速情况下产生的多普勒频移较低，常湮没于相当强度的干扰信号中，准确分析其频谱很困难。FFT(快速傅里叶变换)谱分析技术的应用，实现了多普勒流量测量方法真正的进步。用FFT方法来分析反射波谱，可分辨出哪个频率是由干扰噪声引起的，哪个才是由流速信号引起的，大大增强了多普勒流量计对各种频率成分的分辨能力。目前国际上只有美国的Controlotron公司首先将先进的“同步调制”和FFT技术应用于流量计上，推出了190系列的多普勒流量计。还有美国Polysonics公司推出的便携式DDF3088型夹装式多普勒流量计，这是该公司推出的数字化便携式多普勒流量计，它采用数字滤波和数字频谱分析技术，能自动识别多普勒信号和噪声信号，抗干扰能力强，确保测量准确、可靠。该公司最近又推出了固定式DDF4088型全数字化多普勒流量计，采用先进的数字信号处理技术，抗干扰能力较强，测量介质从矿浆、原油到带气泡的干净水、成品油、腐蚀性液体。Pro20型声学多普勒流量计ADFM，由美国MGDTeehnologiesInc生产，它是国际上技术领先的高科技产品，在美国、欧洲等国家和地区被大量采用。其使用领域包括大型泵站、灌溉及市政污水管道的流量测量，对于一般测流仪器无法测量的复杂水流条件也能达到满意的测量效果。1.3研究目的和内容由超声波多普勒流量计国内外的最新研究动向，可以知道由于该类流量计产品价格昂贵，不可能普遍使用，而国产的超声波多普勒流量计精度又不高，因此，开发一种高精度的超声流量计势在必行。本文就是针对目前流量测量中存在的问题而设计的一种测量系统，引入数字信号处理技术，所谓数字信号处理就是利用数字量来进行信号处理，它的优点就是把数学上连续的理论公式，变成工程中可通过处理器来实现的离散公式。该技术的引用使得测量系统的性能大大提高。1.3.1 研究目标：本文旨在通过对超声波流量计的检测原理的分析，与其硬件相结合设计出软件系统。1.3.2研究内容：通过对超声波流量计的检测原理的研究，应用多普勒法、数字信号处理技术实现超声波多普勒流量计的软件设计。选择这一课题，对国民经济的发展具有实际意义，尤其多普勒流量计主要是用来计量污水和腐蚀性液体的，因此，本课题的研究对环保事业来说意义是重大的2 超声波多普勒流量计工作原理2.1多普勒效应由于波源或观察者的运动而产生的观测频率与波源频率不同的现象称为多普勒效应，这是多普勒在1842年发现的。多普勒效应在现在科学科技中得到了广泛的应用。下面就声源相对于静止的观察者运动和观察者相对于静止的声源运动两种情况推导多普勒公式。图2.1声源运动，观察者相对静止 图2.2观察者运动，观察者相对静止2.1.1声源运动，观察者相对静止如图2.1所示，P为观察者，处于静止状态，振动频率为的声源Q以速度u沿x轴正向运动。设声源行至Rl时的声振动需要经过时间tl后被观察者接收到，经过很短的时间后声源行至R2，此处的声振动需要经过时间t2后被观察者接收到，如果设声速为c，则有 （2.1）经R2向R1P做垂线交R1P于点A，由于所取的时间t很小，因此有 （2.2）其中为与x轴正向的夹角。设为声源由R1点运动到R2的过程中接收者接收到的声振动的持续时间，则在时间轴上有下式成立 （2.3）考虑式（2.1），（2.2），（2.3） （2.4）因此观察者在时间内所接受到的生源的总振动次数为，所以由频率定义及式（2.4）可得到观察者所收到的声音的频率为 （2.5）讨论：(a)当，则，式（2.5）就是声源运动到点时，观察者接收到的瞬时频率，它随着角而变化，即随着声源在x轴的不同点、不同时刻而变化。(b)当为0时，就是声源向着观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频率为(c)当为时，就是声源背向观察者运动的情况，此时观察者所接收到的频率为2.1.2观察者运动，声源相对静止如图2.2所示，Q为声源，处于静止状态，观察者以速度u沿x轴正向运动。声源所发出的振动经过时间可传播到点，经过时间可传播到点。考虑到声源产生的振动在空间传播的特性，观察者行至点时声源所接收到的声波应该是观察者行至处声源所产生的声振动；同理，观察者运动到处所接收到的声波应该是观察者行至处声源所产生的声振动。设观察者从处经过时间行至点处，与2.1.1中研究方法类似，如图2.2所示，有 （2.6）而 （2.7）考虑到很小，所以有 （2.8）于是有 （2.9）综合式（2.6），（2.7），（2.8），（2.9），可以得到 （2.10）因为观察者在时间内所接受到的声源的振动次数为次，所以观察者所接收到的声波的频率为 （2.11）讨论：(a)当时，式（2.1.11）就是观察者运动过程中接收到的瞬时频率，它随着角的改变而改变，即随观察者所处的不同位置、不同时刻而改变。(b)当时，就是观察者沿着声源运动，此时观察者所收到的频率为(c)当时，就是观察者背离声源运动，此时观察者所收到的频率 以上就是关于多普勒效应的解释及公式推导。2.2超声波多普勒流量计测量原理2.2.1工作原理超声波多普勒流量计的测量原理是以物理学中多普勒效应为基础，根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率，这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声多普勒测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当超声波发射器所发射的固定频率的超声波入射到这些固体颗粒上时，被反射到接收器上的超声波频率就会与发射频率之间有一个差值，这个频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的多普勒频移。由于这个频移量正比于流体流速，所以测量该频差就可以求得流速，进而求出流体流量。因此，超声波多普勒测量的一个必要条件就是：被测流体介质应是含有一定数量可反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质。2.2.2流量方程假设，超声波束与流体运动速度的夹角为a，超声波传播速度为c，流体中悬浮粒子与流体流速相同，均为u。在此前提下，我们推导多普勒频移与流体流速之间的关系式。如图2.3所示，当超声波束在管轴线上遇到一颗固体粒子，该粒子以速度u沿管轴线运动。对超声波发射器而言，该粒子以速度离去，所以粒子收到的超声波频率应低于发射的超声波频率，根据上节多普勒公式推导可知，这种情况可以看作是声源不动，而观察者在运动，故由公式(2.11)得到粒子所接收到的超声波频率为： (2.12)式中发射超声波的频率；超声波束与管轴线夹角；流体中声速。图2.3多普勒效应示意图固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率的表达式代入式（2.12），可以得到： （2.13）接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之间的频率差，即多普勒频移可由下式计算： （2.14）由于超声波的速度远大于流体流速，所以上式可以写成 （2.15）由上式可得流体流速为： （2.16）体积流量为： （2.17）其中A为被测管道流通截面积。由以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，所以测量频移量就可以得到流体流量V。2.2.3有关流量方程的几点讨论a.流体介质温度对测量的影响图2.4声楔与声波的折射由上面流量方程可知，流量测量受到流体中声速c的影响。一般来说，流体中声速与介质温度、介质组分有关，难以保持常数。为避免这一影响，超声波多普勒流量计一般采用管外声楔结构，使超声波束先通过声楔及管壁再进入流体。设声楔材料中的声速为；流体中声速为c；声波由声楔进入流体的入射角为；在流体中的折射角为；超声波束与流体流速夹角为；如图2.4所示，根据折射原理，存在： 所以有 （2.18） 将式（2.18）代入式（2.17），可得： （2.19） 由此可见，采用声楔结构以后，流量与频移关系式中仅含有声楔材料中的声速，而与流体介质中的声速无关。由于固体声速的温度系数至少比液体声速的温度系数小一个数量级，所以该流量方程基本上不受温度的影响，也就是说，多普勒法测流量基本上不受温度的影响。b.流体动力学分析图2.5管内湍急速度断面与超声射线轨迹工业流体绝大多数情况都是通过一定直径管道流动的，在流体流速较大或粘性较小时，流体的流动呈湍流状态，其管内流体沿横截面流速分布规律如图2.5左面部分所示。显然，湍流状态的流速分布(对数速度分布)比层流状态的流速分布(抛物线分布)要均匀得多。所以，超声波流量计适宜应用在湍流状态流体中，以减少由于流速分布不均匀而引起的测量误差。在一般情况下，当雷诺数时，可以认为己达到湍流状态，式中D是管道直径，u是流速，V是流体的运动粘滞系数。上节推导流量方程式时所使用的流速u实际上是沿管道横截面的平均流体流速，而管内流速分布的规律根据文献可知，对于光滑圆管来说，其速度公式可以写成下式 （2.20）即距离管轴线距离为r的点的流速u与平均流速有着对数关系。式中，为光滑圆管的阻力系数，它是流体雷诺数的函数，R为圆管半径。由图2.5可知，在管轴线处流速为最大值，而趋近于管壁附近处时，流速按对数规律急剧下降到零。由此，我们可以进一步分析超声波射线在流体中的传播轨迹。假设超声波在静止被测媒质中和声楔中的声速分别为和，入射角和折射角分别为和，由折射定律可得 （2.21）在图2.2.3中，F表示超声波发射器，J表示超声波接收器。显然，超声波在O点沿O-P方向传播并在点P处发生折射，其折射规律服从式(2.21)的关系。当流体静止时，超声波射线在流体中轨迹为直线P-B。对于流动流体，由于超声波在流体中任一点的速度等于静止流体的声速与该点流体流速u之矢量和，即，可以证明，超声射线在流动流体中的任一点的折射角可以写成下式 （2.22）上式说明，超声波射线在流动流体中的轨迹应为一条曲线，即如图2.5中的曲线，在点P和点处，由于所以，而在处，由于，所以。曲线轨迹与直线轨迹在几何路径上相差很小，即点相对于点B的偏移很小。根据文献，当管径D为300mm时，这个偏移还不到一个毫米。这样可以认为，点的出射角与点B的出射角相等，即仍为入射角。由上述分析可知，我们在根据几何声学原理推导流量方程时，采用如下几点简化假设：(1)管道内各点流速沿横截面均匀分布并认为等于平均流速云；(2)不考虑超声波射线在流动媒质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改变；(3)忽略声楔折射面上的曲率，并认为管道内壁是光滑的。假设(l)说明，只要求出平均流速就可求得流量；而假设(2)和(3)说明在流动的被测媒质中，超声射线仍然服从(2.21)的折射规律，也就是说，式(2.22)完全可由(2.21)代替，这样，此处为超声波射线与管道轴线之间的夹角，从而得出一个重要结论：超声波在流动的被测媒质中的传播速度等于静止流体中的声速与流体平均流速在超声射线方向上的分量之代数和。正是基于这些假设，我们推导了流量方程。但是，这里我们所说的平均流速是按管道横截面平均的，可称为面平均流速，而超声波流量计所测之流速是超声射线上之平均流速，即是按射线路径平均的，可成为线平均流速，线平均流速与面平均流速之差异可通过流体动力学修正系数来进行修正。这个修正系数可通过实验测定。3 超声波多普勒流量计的硬件结构3.1系统硬件结构框图整个系统的硬件设计包括三大部分:超声波发射、接收调理电路设计及数字信号处理电路设计。超声波发射电路产生一定频率的超声波信号，驱动超声换能器即探头将电信号转换为声波信号发射出去。接收到的超声波回波信号经过接收调理电路处理后，输出含有流速信息的模拟信号，进入数字处理电路进行后续处理。系统硬件结构框图如图3.1所示。图3.1系统硬件结构框图系统包括超声波发射电路，接收调理及数字系统模块。接收调理包括限幅大、带通滤波及混频电路、低通滤波器和信号放大器，而数字系统模TMS320LF2407A数据信号处理器(其外围设备中包含A/D转换电路、串行外设接口、双向I/O口等)为核心器件，外加LCD液晶显示器、小键盘、串行 X5045等外围电路。3.2DSP TMS320LF2407A3.2.1硬件性能 TMS320LF2407A是美国TI（德州仪器）公司为满足控制领域的应用而推出的16位定点DSP，属TMS320LF240系列。该系列将高性能、低功耗的DSP内核和先进的外围接口电路结合在一起。TMS320LF240x具有以下主要性能：a.核心CPU：(1)32位中央算术逻辑单元（CALU）；(2)32位加法器；(3)16位l6位并行乘法器，32位乘积；(4)三个定标移位寄存器；(5)8个16位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存储器的间接寻址。b.存储器：(l)16K字16位的片内闪速；(2)片内544字l6位的双端口数据/程序RAM，224K字16位的最大可寻址存储器空间（64K字的程序空间，64K字的数据空间，64K字功空间和32K字的全局空间）。c.速度：（20MIPS）的指令周期，几乎所有指令都可以在一个50ns的单周期内执行完毕。d.程序控制：(1)4级管道操作；(2)8级硬件堆栈；(3)6个外部中断。e.指令系统：(1)与TMS320家族的CX，C2XX。和C5X定点产品在源代码级兼容；(2)单指令重复操作；(3)单周期的乘法/加法指令；(4)程序/数据管理的存储器块移动指令;(5)基2快速傅立叶变换(FFTs)的位反转索引寻址功能。f.电源：(1)静态CMOS技术；(2)4种低电源模式以降低电源损耗。g.仿真：与片内扫描仿真逻辑相连的IEEE标准1149.1测试访问端口。h.事件管理器：(1)具有12个比较/脉宽调制（PWM）通道（其中9个相互独立）；(2)三个16位通用定时器，有6种工作模式，包括连续递增和连续加/减计数；(3)三个16位全比较单元，有死区功能；(4)三个16位简单比较单元；(5)四个捕获单元，其中两个有正交编码器脉冲接口功能。i.双10位模/数转换器（ADC），共16个通道，其采样率可达166.6KHz。j.28个独立可编程的多路复用I/O引脚，包括PA0-PA3，PB0-PB7以及PC0-PC7。k.串行通信接口（SCI）和串行外部设备接口（SPI）。l.带实时中断（RTD）的看门狗（WD）定时器模块。m.基于锁相环的时钟模块。TMS320LF2407A采用改进的哈佛结构，芯片内部具有两套独立的程序存储器总线和存储器总线，从而使其处理能力得到最大程度的优化。3.3.2硬件资源配置图4.1系统数字电路端口配置本系统电路中，IOPE0IOPE7用来与键盘接口，IOPE4IOPE7配置为输入口，接收按键信息，IOPE0IOPE3配置为输出口，输出键盘扫描码；IOPB0IOPB7配置为液晶数据输出口，用来与液晶显示器的数据线相接；IOPA4IOPA7为液晶控制输出口，用来与液晶显示器的握手信号线接口。SPI引脚和串行通信引脚配置为基本功能。4 超声波多普勒流量计的DSP软件设计4.1 DSP软件设计工具简介目前DSP芯片的发展趋势是处理器更新、更复杂、更新速度更快，因此对它开发软件的开发效率的要求也越来越高。对于开发者，要想在有限的开发周期内充分利用DSP器件的每个VIPS，有效的开发工具至关重要。Code Composer Studio(CCS)是Tl公司推出的一个集成性DSP芯片软件开发具。在一个开放式的插件(plug-in)结构下，CCS内部集成了一套软件工具：软件模拟器、实时基础软件DSP/BIOS、主机与目标机之间的实时数据交换软件RTDX等。在CCS下，开发者可以对软件进行编辑、编译、调试、代码性能测试和项目管理等所有的上作。但是CCS并不仅仅是代码产生工具和调试工具的简单集成，除此之外，它提供的实时分析和数据可视化功能把传统的DSP调试技术向前提高了一大步，大大降低了DSP系统的开发难度，使得开发者可以将精力集中在应用开发上。4.2系统软件总框图软件设计分为几个子模块设计：初始化、数据处理、读写、键盘扫描和显示模块等。监控程序对实现不同功能的各个子模块进行统一控制。图4.1系统软件框图整个设计流程简单叙述如下：TMS320LF2407A上电复位的中断服务程序调用监控程序，该程序首先是执行初始化模块，完成系统初始化，并启动定时器1和定时器2(定时器1服务于A/D采样，定时器2用来计时)；之后由监控程序依次查询各软件定时器的标志位，以进行相应操作。这些标志位在定时器2中断服务程序中被置位。4.3各软件模块流程图4.3.1监控模块监控主模块是程序的控制核心，该模块通过查询软件定时标志调用相应的功能模块。其程序流程图见图4.2所示。图4.2监控模块流程图4.3.2初始化模块初始化模块为程序的运行及数据处理做好了最充分的准备。初始化流程图如图4.3所示。图4.3初始化流程框图4.3.3定时器模块TMS320LF2407A中有三个通用(GP)定时器，它们可用作独立的时钟基准。定时器的时钟源可以是内部CPU时钟，也可以是符合要求的外部输入时钟。GP定时器有六种计数模式，包括停止/保持、单个递增计数、连续递增计数、双向递增/递减计数、单个递增/递减计数以及连续递增/递减计数。在单个递增计数模式下，一旦计数周期结束，GP定时器的操作就只能由软件通过写定时器的使能位来重新启动，而在连续递增计数模式下，GP定时器的操作就好像是单个递增计数模式的重复，每一次重复定时器都复位为0，也就是说，定时器按照定标输入的时钟递增计数，直到计数器的值与周期寄存器的值相同，然后计数器复为为0，再开始下一个计数周期。GP定时器可以在以下四种情况下产生中断：上溢、下溢、比较匹配和周期匹配。本系统使用两个硬件定时器。定时器1主要服务于ADC的采样，通过定时器1的周期中断来启动ADC1，定时器l的中断服务程序将A/D采样值读出，送入环形数据缓冲区，供数据处理使用。该定时器定标时钟是由采样率决定的，其计数模式选用连续递增计数模式。定时器2是完成计时功能的。其功能一是纪录程序运行时间，供流量累计使用；功能二是作为其它软件定时的基础。由于定时要求时间的连续性，所以定时器2也选用连续递增计数模式，采用周期匹配产生中断计时，其中断周期为10ms。定时器2的中断服务程序流程图如图4.4所示。图4.4定时器2中断服务程序流程图4.3.4键盘扫描模块该模块的功能是定时发送扫描码扫描键盘(结构)，标志相应的按键操作，从而控制显示模块所要进行的显示动作。另外，键盘还要接收参数的输入，这个功能仍然是与显示模块相辅相成的。键盘扫描定时时间设为20ms，连续两次扫描到某键被按下方确认该键被按下，而键代码由十六进制的0-F标志，同时，上次的按键终代码仍然被保留，以备子程序比较是否更新了按键终代码，从而响应不同的操作。该模块控制流程图如图4.5。图4.5键盘扫描程序流程图4.3.5数据处理模块数据处理模块是整个软件的核心部分。也是整个系统中最为关键的部分。数据处理方法的选择，直接关系到系统的效率和精度。本系统中，数据处理的出发点是从频域角度来对数据进行分析处理，算法主要是首先通过TMS320F2407A的模/数转换器(ADC)对混有噪声的时域多普勒频偏信号进行采样，将获取的数据进行离散FFT变换求取功率谱，从功率谱上分析和处理数据，得到频偏值，之后再通过数字滤波技术进行处理，得到相对准确的频偏值，在此基础上求取所需要的各种数据量。在这里只简略介绍数据处理流程，关于数据处理方法的选择、数据处理具体过程及相关数据处理的结果等，将在后面章节中详细讨论。数据处理模块的流程图如图4.6所示。图4.5数据处理模块流程图4.3.6显示模块显示模块主要是完成与按键操作相应的显示功能。为了提高程序效率，显示分两种情况：一是按键终代码更新，此时要刷新显示器上的所有内容；二是按键终代码没有更新，这时，如果上次终代码要求显示的内容包含动态数据，例如瞬时流量、流速等，则只更新数据部分。因此，预先制定一个表，该表包含所有要显示的汉字或字符的对应码，这样直接由相应按键终代码所要显示内容的入口地址取出相应的区位码或者ASCH码送给显示器，就可以显示相应的汉字或字符等。所要显示功能包括：（1）瞬时流量和累计流量的动态显示；（2）累计时间的显示；（3）仪表参数显示，包括管道内径、调整因子、切除流量；同时在修改参数过程中跟踪显示，输入完毕时提示成功修改参数。4.3.7看门狗模块看门狗模块监视软件和硬件的运行，在程序的间隔提供中断，在CPU混乱时完成系统的复位功能。如果软件进入死循环，或者当CPU发生暂时混乱，则看门狗定时器上溢，并产生一个系统复位，在绝大多数情况下，片内操作的暂时混乱并抑制CPU的正确运行的情况都可以被看门狗清除并复位，从而提高了CPU的可靠性，保证了系统的完整性。看门狗定时器是一个8位可复位的递增计数器，时钟由预定标器输出提供。当看门狗复位密钥寄存器在看门狗上溢之前不工作时，定时器通过提供系统复位来保护系统以免软件失效和CPU混乱。为了保证看门狗正常实现其功能，所以必须在定时器上溢之前执行看门狗密钥逻辑来清除看门狗计数器，使看门狗计数器复位。当一个55H值被写入密钥寄存器时，看门狗计数器对复位功能进行使能，当紧接着的一个AAH值被写入密钥寄存器时，看门狗计数器就进行复位。所以监控模块中要设置定时，在看门狗计数器上溢之前通过向密钥寄存器写入正确密钥值来复位看门狗计数器。4.3.8串行写入模块该模块的功能是将累计流量、累计时间以及被修改的参数，如管道半径、调整因子、切除流量等写入相应单元，以防止掉电或者关机之后参数丢失。的写入和读出流程图如图4.6，图4.7所示。图4.6 的写入流程图图4.7 的读出流程图5 数据处理5.1超声波多普勒信号的特点5.1.1时域表达式据文献可知，一般来说，超声多普勒信号是高斯随机信号，而且是非平稳的，可记为 （5.1）其中是零均值的高斯随机变量，是信号的相位，则描述了频谱平均频率的频移函数， （5.2）这样，有 （5.3）其中C为积分常数，不失一般性，令C=0，这样（5.1）式可以写成 （5.4）即为超声多普勒信号的时域表达式。虽然多普勒信号是非平稳信号，但在短时间内，这种信号又可以被看作是准广义平稳的信号，所以可以通过傅里叶变换来分析其谱函数。管道中多普勒信号的时域波形示意图及功率谱图如图5.1，5.2所示。图5.1多普勒信号的时域波形示意图图5.2超声波信号的功率谱图5.1.2多普勒信号的频谱展宽系统中由于换能器有指向性，在流场中发射晶片和接收晶片的两个指性波束重叠区域内(信息窗内)的粒子所反射的信号就将以不同的幅度和相位在接收换能器上进行叠加，由于这些粒子的速度有差异，反射角度也不同产生的多普勒频移也就不一样，叠加的结果就使得多普勒主瓣加宽，这一点可从图5.2上看出。峰值左右频谱加宽情况可由多普勒频移方程式(5.5)进行全微分得到，由式(5.6)表示。根据第二章的推导，可以得到单个粒子的的多普勒频移为 （5.5） 将上式进行全微分，得 （5.6）式中，为多普勒信号频谱的理论峰值位置，即管道中心轴处流速对应的多普勒频移，为管道中心轴处的流速；为换能器轴线的夹角；是多普勒频谱峰值左右加宽部分；为流场中声束取样域内的流速在附近的分布；为换能器的指向分布。5.1.3功率谱密度与流速的关系由于反射信号来自流场中的一定区域，因此叠加的结果反映了该区域中粒子所产生的信号的某种加权平均，这种“权重”依赖于实际检测中的三个主要因素：（1）发收换能器的指向性。指向性引起了频谱峰值附近频谱加宽。（2）超声波在流场中的吸收和衰减情况。流场中各频率成分的吸收和衰减是不同的，由于频谱中高频部分衰减相对较大，因此，峰值位置向低频方向偏移。（3）声束取样区域中具有某种速度大小的粒子的数量。粒子分布的随机性会造成频谱分布的随机性。这些因素的综合效果，形成了频谱峰值位置的偏移及左右频谱加宽的不确定性。可见，多普勒频谱的分布不仅仅受到了管道中流场分布的影响，当取样域足够小，流速差别不大时，多普勒频谱主要反映了取样域内声场的不均匀性。多普勒频谱中的有意义的而且相对较稳定的信息是频谱的平均峰值位置，这个位置与管道中心处的流速所相应的多普勒频率有近似相等的关系，相差的微小量可以通过实验加以修正： （5.7）式中为管道中心轴处流速对应的多普勒频移；为多普勒频谱的峰值位置；是可以通过实验测定的微小数值修正量。5.2快速傅里叶变换从时域出发的液体多普勒流量计在数据处理方面对噪声的抑制能力较弱，影响了仪表在精度和稳定性。本系统着眼于频域上的数字信号处理，从而更有效的分离噪声和有用信号，提高了仪表的精度和稳定性。功率谱分析在随机信号处理中有着极其广泛的应用，是平稳随机过程在频域描述各频率成分的功率分布情况的基本特征量，而多普勒信号在一定时间段内可以看成是一种广义平稳信号，故可以采用功率谱分析。经典的功率谱估计都是以DFT为基础采用FFT快速算法。序列的离散傅里叶变换为 （5.8）式中将序列按序号的奇偶分成两组，即 （5.9）因此，的傅里叶变换可写成 （5.10） 由此可得 （5.11）式中 （5.12）它们分别是和的点DFT。上式推导表明：一个N点的DFT可以被分解为两个点的DFT，每个点的DFT又可以分为两个点的DFT。以此类推，当N为2的整数次幂时（）,由于每分解一次降低一阶幂次，所以通过M次分解，最后全部成为一系列2点的DFT运算。以上是按时间抽取的快速傅里叶变换（FFT）算法。8点FFT时间抽取算法如图5.3所示。图5.3 8点FFT时间抽取算法信号流图本系统采用的FFT变换是基-2的时域抽取法，其点数,这主要是考虑系统数据处理能力和实时性的需要。图5.4是FFT变换的算法流程图。图5.4 FFT变换流程图5.3多普勒频移的逼近当流体流速基本稳定时，得到的功率谱频率范围是确定的，但在频带内的谱密度有极大的随机性，因而据此寻找的峰值位置也有很大的偶然性。于是本系统中引入一种逼近峰值位置的算法解决这个问题，多普勒频移逼近的流程图如图5.5所示。图5.5 多普勒频移的逼近流程图5.4数字滤波本系统中，对于逼近得到的频偏值进行算术平均滤波，进一步提高系统稳定性和准确度。算术平均滤波法就是连续取N次取样值进行算术平均，其数学表达式是： （5.13）式中，为N个取样值的算术平均值；为第i个取样值。这种滤波算法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。该方法对于信号的平滑程度完全取决于N。当N较大时，平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏性高。具体N的确定通过实验的方法得到。当流量处于变化状态时，适当减小N值，以适应响应速度的要求结论本文以流体流量的非接触式检测技术为研究背景，在参考大量国内外相关文献的基础上，通过对超声波流量检测技术的基本原理和实现方法的研究，与硬件系统相结合，对超声波多普勒流量计进行了软件设计。主要模块有数据处理模块、显示模块、存储模块、串行通信模块、键盘扫描模块、看门狗模块。通过这段时间的学习、设计和调试，得出了以下结论：（1） 整个系统的设计过程中要多查阅有关书