声学多普勒流速快速测量的设计.docx

1、声学多普勒流速快速测量的设计张羽，李永倩，鲍帅，范寒柏(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定()71000)摘要：传统的多普勒流速剖面测量仪将混频正交与低通滤波在软件中实现，存在测量时间长、精度不高等问题。为解决上述问题，采用运算速度更快、内存容量更大的STM32H743单片机作为主控芯片，同时设计了将信号混频、正交与FIR低通滤波在硬件电路中实现的多普勒流速剖面仪，这样大大减少了CPU的运算时间，提高了测量精度。运用FFT算法进行信号质量分析，利用自相关算法计算出各层流速。通过试验，对测得的多普勒频偏以及流速进行分析，结果表明，系统的设计满足在实际小型河流中的精确测量，具有可行性。关键词

2、：正交混频；多普勒流速剖面仪；质量分析；自相关算法中图分类号：TN913文献标识码：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200546中文引用格式：张羽，李永倩，鲍帅，等.声学多普勒流速快速测量的设计J.电子技术应用,2021,47(5):54-58.英文弓I用格式：ZhangYu,LiYongqian,BaoShuai,etal.DesignofrapidmeasurementofacousticDopplervelocityJ.ApplicationofElectronicTechnique,2021,47(5)：54-58.Designofrapidmeasure

3、mentofacousticDopplervelocityZhangYu,LiYongqian,BaoShuai,FanIlanbai(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071000,China)Abstract:IntraditionalDopplervelocitymeasurement,mixingquadratureandlow-passfilteringaregenerallyimplementedinsoftware,whichresultsinr

4、elativelylongmeasurementtimeandlowaccuracy.Inordertosolvetheabove-mentioned,STM32II743singlechipcomputerwithfasteroperationspeedandlargermemorycapacityhasbeenusedasthemaincontrolchip,andaDopplervelocityprofilerisdesignedbyusingsignalmixing,orthogonalandI'lRlow-passfilteringinthehardwarecircuit,w

5、hichgreatlyreducestheCPUoperationtimeandimprovesthemeasurementefficiency.Atthesametime,FFTalgorithmhasbeenusedtoanalyzethesignalquality,andautocorrelationalgorithmhasbeenusedtocalculatethevelocityofeachlayer.Throughtheexperiment,thefrequencydeviationandvelocityareanalyzed.Theresultsshowthatthedesign

6、ofthesystemcanmeettherequirementsofaccuratemeasurementinactualsmallstreams,anditisfeasible.Keywords:orthogonalmixing；Dopplervelocityprofiler；qualityanalysis；autocorrelationalgorithm0引言传统的声学多普勒流速剖面仪(AcousticDopplerCurrentProfiler,ADCP)在单片机内部进行正交变换、FIR滤波来获取多普勒频偏信号的实部和虚部，最后通过自相关算法计算出多普勒频偏，得出流速，由于正交变换和F

7、IR滤波等均在软件中完成，因此数据处理的时间较长，并且硬件电路需要外扩SRAM,不便于电路设计，成本也较高。本系统采用内存1MB、主频高达400MHz的STM32H743作为CPU,无需外部SRAM，并将回波信号的正交变换以及FIR低通滤波在硬件电路中实现，通过单片机内部16bit的A/D转换器，同时对两路正交信号进行采样，这样数据处理的速度显著提高，测量的精度也进一步提高，在实际工程中具有很强的实用性。1系统的构成及应用原理多普勒流速剖面测量系统主要由电源系统、发射系统、接收系统、混频滤波系统、正交变换系统、数据采集系统以及通信系统等组成。单片机驱动换能器向水中发射超声波，超声波遇到水中的小

8、颗粒发生漫反射，回波信号经接收匹配电路、LC选频放大电路、二级放大电路后，进入中频混频器与木振信号混频得到中频信号，对中频信号进行选频放大、正交处理后，经过低通滤波器后得到多普勒频偏，进入单片机进行A/D信号采集处理，运算处理完成后，通过Morlbus协议进行数据输出1.1系统构成如图1所示，单片机通过产生两路带死区控制的PWM波，经H桥驱动电路以及变压器匹配电路驱动2MHz的换能器周期性发射超声波，利用多普勒效应，发射出的超声波遇到水中的小颗粒发生漫反射，此时接收到的回波信号的频率为,A+A/,其中/=2MHz为发射信号,图1系统构成图#为多普勒频偏，回波信号幅值为微伏级。经过LC选频放大和

9、二级放大电路后进入到混频器电路，在混频器中与£二1.55MHz本振信号参与混频，经过LC选频放大电路后得中频信号。将该信号一分为二，通过与单片机产生的两路正交信号cos(AX)25Tasin-2tt经过乘法器混频，再通过低通滤波器滤波，得到两路频率为cos(2ttA/)、sin(2tt少)的信号，经过单片机A/D转换器同时对两路信号采集，得到多普勒频偏信号项的实部和虚部，最终经过自相关算法运算，计算出多普勒频偏得出各层流速。1.2开关混频原理设输入信号为：S二CQS(g+p)(1)本振信号为：LPFS(i)xS(z)二cos,(ah-3小+甲(6)由式(6)可以得出，经低通滤波后的信

10、号幅值和相位与输入信号相同，频率为输入信号与方波频率的差值，这样就达到了混频的作用%1.3自相关算法设复信号"H)的实部为：r(t)=4coso>.(7)虚部为：i(t)=ASinton(8)其中，4为信号幅值为频移角频率，采样点为，采样周期为丁，则有以下公式凹：S2(7)=COS(C02+2)取与本振信号同频的方波信号为s；h),则有:1,-1小+日7即+“将其傅里叶级数展开为:84sin,COSQMmrS(，)二2n=1显然，式(4)是以代为基波的多次谐波的集合，因此，将输入信号与方波信号的混频可以写成：(4)Sr=X(r(72T)t(?i+l)T-i(nT)r(n+l)T

11、(9)7=1nSi二X(«T)r(7l+l)r+i(7lT)L(7l+1)t(10)r=1实际信号包含有一定的噪声，因此设待测信号为S(t),噪声为几(t),可得:S(t)=H(t)-hn(t)(11)该信号的自相关函数表示为：Rs(C二伽(丁)+乩(丁)(12)将Rs(t)用极坐标的方式表示为：upItRs(T)=Ax(T)e'(13)其中：00S】(z)xS(z)=4cos(cd”+s)xZn=14sin72/7T72/TTcosnzt>2=2sin27?7Tcosn(a)-a)2)t+(P+cosn(a)+(x)2)t+(P(5)经低通滤波器后可得：饥(丁)二ar

12、ctan喈(14)Ke/vx(r)因此，利用上述公式进行一阶矩估算，可得频偏计算公式为：/=栗一arctan(Sr/5X)(15)2ttt2硬件电路设计采用STM32H743型单片机，内部资源十分丰富，无需外扩SRAM,可简化电路，采用硬件正交与滤波电路,电子技术应用2021年第47卷第5期一55计算速度大大提高。硬件部分的核心设计包括混频中放电路、正交混频电路。其中混频中放电路采用SA637芯片，正交混频电路采用两路与中频信号同频的正交方波信号驱动DG444电子开关管，提取多普勒频偏信号的实部和虚部的。2.1混频中放电路设计接收到的回波信号通过LC选频放大和二级放大电中，两路与中频信号同频的

13、正交信号同中频信号混频,经MAX291电容滤波器分别对信号进行正交和滤波,提取多普勒频偏信号的实部与虚部。2.2.1正交混频电路设计正交混频滤波电路如图3所示°DG444模拟开关用以开关混频，设输入信号51H）二4cos（W+而，方波信号s（，）与输入信号同频。路后，经过混频中放电路产生中频信号，该信号与两路和中频同频的正交信号相乘，经低通滤波后，得到频偏信号，从而进入单片机进行运算处理。传统的混频中放电路需要两个芯片来实现，电路设计和调试较为繁琐。因此本系统的混频应用电路如图2所示，混频中放模块采用SA637芯片。SA637集成了混频器和两个限幅中频放大器，可以在低压2.7V下工作

14、，并且具有强度指示RSSI,这样便可以对输出进行电平调整川。在本系统中，1.550MHz本振信号和2MHz的输入信号通过RFIN和OSCB引脚输入SA637芯片进行混频，混频后的信号从MIXEROUT引脚输出经过sin215INPUTcos2TTf450kHz陶瓷滤波器进入IFAMPIN端，通过内部的中频放大器从IFAMPOUT端输出，再经一级450kHz陶瓷滤波器，这样就在SA637中实现了混频中放，得到中频信号。xmdflAsCHICUHVMNCZU+0WIUQMcuMQwnWEUNeo.±誓直XI一±£ISSHX)A尖)sc三)SO豪01610COM1IN1

15、COM2IN2COM3IN3COM4IN4DG444+5VHGNDV-NC1NC2NC3NC4CND314116图3正交滤波模块框图经混频中放后的回波信号频率为450kHz土单片机产生450kHz方波信号控制DG444模拟开关，由式（3）式（5）可知，高电平时电子开关输出为4cos（o>"+（pi）,低电平时电子开关输出为-4cos（mt+饥），这样便完成了信号混频凹。图4所示为正交混频示意图，采用两路正交的方波信号与输入信号同时混频，这样可以同时获取到多普勒频偏信号的实部和虚部，保证测量的准确性。此时中频信号频率为450kHz±W,用两路450kHz的正交信号与中频

16、信号进行混频，经低通滤波器后，便可以分别得到多普勒频偏信号A,的实部和虚部。乘法器onn图4混频正交示意图2.2正交混频滤波电路传统ADCP需要通过软件对信号进行正交和FIR滤波，再经过相应的计算得出流速。本系统采用硬件电路实现信号的正交混频和滤波。在DG444模拟电子开关2.2.2滤波部分设计采用的MAX291芯片为八阶低通滤波器（巴特沃斯滤波器），无需外接任何元件即可工作。该滤波器使用具有求和和缩放比例的开关电容构成了梯形无源滤波网络，元件值的误差对某一极点影响较小®。其八阶梯形滤波器网络如图5所示。实验方案制该芯片可将所需基频储号滤曲，滤波牌獭岫昌号结果1HF：§1/

17、«声型彰殄撕球陕顺的二兰:（的）为使单片机A/O能够有效采篥频偏偏号,在滤波电路后接一级放大电路对信号进行放大9这样,A/D转挽器采集的信号质量更高,，测量结果也更加准确9备软件设计软件部分主要由发射、接收和通信控制程序缅成。如国布响;箪阐机通避寇时器产生射液倘-号驱动笈射龟躇发射榴藤波，擦收部分童要包括蜒肾机产坐本振信号与螂嫦W野温蹶顿W褓岫脩信控制制霍滤波浦敬段旅斯茜踞7砂W擞灌X獭撇硼F删翔稚装窠。逋过湎证热神瞿擀1；沼峰偶嚷瞄，蜘据僵碾皓医琵栋准健，准胸俄等偏毫娜婀捋曲射翎豹禽僧命宿爵楷期稀筑作豹缎粉;倒仕精契®拥笊舍I痹屈毋警筋赖浦物侧言相用值擘林淮值伽潺翎碱彳用

18、谁痴最奏察展智剽蜂普蒯题翅病«路避彳曲蹦y祈唳嗷据孺阐舞瘢输舟o瑜踽曲理祎陆鞭粉税薛滨祯提窿捋颔樵浦嗣神尊勇»«系喉ft噪弗由部徵1果对嗷羸鬲藻翩瞄慕，郴嗯萸植度由常容甲函谕廨而鬲南演棵证潮助事蝙府械薛砌（蠢幕器喋病觥有氟烦惬据葬驹姚蠢赢顷浦虞孵凝粹»机福畿率为1MHz。4硬件部分溯蹄制作完成硬件胞路后，册媪遂一顽备令模映避耐调试,主要有以下几个实验测试点:濒鄱笏时te2MHz换能器，谐振波形幅值约如W左:苟f；放大电路的信号放大倍数；（豹）混频部分得到编0k%的中频信盼;（4）正交滤波顺出裁豚W幅随，系统上电，驱动22MHM螂麝谐岫灌制醵隘零。由于回波

19、信号幅值为微伏级，无法在示波器显示“IB此要得到该信号的准确信息,，需要对信号避行澈大姗I。图7为经二级放大后的阿波信号，前眺新佛,，幅偷已咧显提高，波形质量已大幅改善，该俯啰与本振偏母避行混频后得到申频信号9阳14岫零缝逛馥输物'薮彩申癫情号旬正奏俺号绎魂应&铜输幽扇的澈形刎倒舫际，便博阚赫碱菖号此翎拓绎廷州A*狈弁美电容滤梭蠢后删勘制宓顾桶岫邮博罪莆宅督齐。Modbus流速输出互相关算法计算频偏鹘础M悠湄W淑叫桔而%豪藉电一近家档两路正交的方波信号同时祗DG4林啊与回渡信号混频、御到J爹普勒撅偏信号的实部与虚都、诞棚果厕双路AO$柳娜I枷册采祥,顿尚ft郴美算法、鲫哺挪嗽出

20、多普勒撅偏,易终讲舜他流谜I耻4.3妻验靖集将发射系统、信号接收系统和数字处理系统进彳亍联调,，保证硬件以及软件的各个测试点正常工作。设置好层深和腹激用M,将储喘'勰薄糊器曲W的o（W正弦信号接入接收电路、以ZMHz为哪心频苇,，上下调节输入信号的频率,查看系统测孺的多普勒濒儡。漏为右闹颇撤输输依僖堞疑便傩也梵、勰波械制像j®灸、涎滤版测糊的修楠衲颇3表0不阊颇葬踊猝测m禅ft铝誓癫频偏（Hzi输入频塞«#«、滤波多普勒频偏软侦,、滤波多普勒频偏2阿网97初§07输3网娜）110®h倒蜘咐104蹈顺衲奶S271蜘闾X）99§姬

21、经过圭途薮据分析后;肯以看由该多普新藻建仪通过将歪燹、滤波面期件凝硼蹦徊受增埋僻侑辰蜃射南;析以棱瀛婀潺宙戏敲嗣荷hWWj逅律爵倘M飕疯塑量;i襟建请&航毒伽疙通地噂相咎并加坐酒流海K桀零等。§“末谖外脚世如族龈滤皴做粹俺朝俄巍，理更桦倦南施泼籍相服秣像涯薮篥地船胡服'嗾楠型籍蕨鹿暑瘫舞照南卅灿瀚M殃"蜒粗送倒愁摆窿够宙顿以加磁f嗣褊臾瓣河曲地以研养妙k!疯勒MW行鼬傩如僧福;苇豹威成;；春催井逐蒙盛修&猱福K坳汉明鬣犊婷硬源宿号旌有浦堇分服砌岬谢佛免财能哗百BfiJWft?因而&：豪董应簿晚如H画卷垣诡俺'族必愿模醐典祥策廛麻青撕调

22、诲潦裨毯超指佐点&满牌寥翎斑趣面浦期南&舟成神应用为我画冰芨舰飕的嫩以劾龄陶维供带聃廊波倒'对河派领域倾I宠翔蜓。参考文献皿正瞬零-ADXOP技术在水文测验中的应用J.能源与滴能、20顷勒:165-1砸，179.露氐，邹冬梅.浅浙ADKCJP测流方法切.眠潮撒仲啪（1粉贝54项.爨娴曜,李占W.Aoap比测试验的统计分析j.海渝删绘.20b（a淳9卖.4蘑敝版文峰.张静通,基于模拟JF关的混颇器谀流口.微型机与应即.>11736（10*：94疝翊.ifewij»ewsem波拜美混频器的研究与禳即国.成都h旭手科我大学,，舫崎.德觌彦禅：AWP技术发展及其应朗综