超声波多普勒流量计的设计
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ．ＤＳＰ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｔ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗａｓ
ｇｒｅａｔｌｙ ｕｐｇｒａｄｅｄ．Ｔｈ ｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＤＤＳ ｃｈｉｐ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈａｒｄｗａ ｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇ ｎ ａ ｌ ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ— ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇｎ ａｌ ｗａｓ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｄ １０ ｋＨｚ ｕｓｉｎｇ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔ ｈｅ ｓｔａ ｂ ｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ。Ｆ兀 １ Ｗａ ｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔＯ ａｎａｌｙｚｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇ ｎ ａ ｌ ｆｒｏｍ ＳＴＭ３２Ｆ４，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆ ｌｏｗ ｍｅａ ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｍａｔｌａ ｂ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔ Ｏ ａｎａｌｙｚｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｓｉｇｎａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｏ ｇｅｔ ｉｔｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｎｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ ｓｏｎｉｃ；Ｄｏｐｐｌｅｒ；Ｆ ；ＤＤＳ
因此根据对接收到 的超声波信号进 行分析计算 ，就 可以得 到流 有相对运动时 。观测 者接 收到 的频 率和 声源发 出的频率 是不
摘要 ：针 对传统的超声波 多普勒流量计存在 的精度低 、稳定度 差、动 态响应慢 的问题 ，研制 了一种新 型的超 声波 多普 勒流量计 。硬件部分 主要设计 了超 声波换能器的发射与接 收 电路、功 率放 大与滤波 电路 、混频 电路 以及 ＳＴＭ３２Ｆ４及 其外 围器件 。采 用 ＳＴＭ３２Ｆ４作 为超 声波多普勒 流量计的主控 芯 片，ＳＴＭ３２Ｆ４采 用 Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ４内核 ，其 内置硬件 ＦＰｕ单元 ，在 数字信号处理方 面还增加 了 ＤＳＰ指令 集 ，使得它在数 字信 号处理 方面的能 力得到 大大的提 升。在 硬件 电路 中选 用高精 度 的 ＤＤＳ芯片产生基准信号来驱动超 声波换 能器。在频移信 号处理 方面 ，采 用中频解调技术将频移信 号解调到 １０ ｋＨｚ， 提 高了系统 测量 的稳 定度 以及 对流速变化的响应速度。运用快速傅里 叶变换算 法（Ｆｒｒ）对 ＳＴＭ３２Ｆ４采集到 的频移 信号 进行频谱分析 。有效地提 高 了超 声波流量 测量 系统的精度 ，并 以 ｍａｔｌａｂ为 分析 工具对采集到 的多普勒频移信 号进行 频谱 分析 ，从 而得 到其频率的变化。 关键词 ：超声波 ；多普勒 ；ＦＦＩ’；ＤＤＳ 中图分类号 ：ＴＰ９３４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００２－１８４１（２０１６）０３－００４１—０３
０Байду номын сангаас引言
１ 超声 波多普勒流量计 的测量原理
随着超声波 技术 研究 的不 断深 入 ，其 应用 变 得越 来 越 广
多普勒效应是奥地 利物 理学家 克里斯 ·约翰 ·多普 勒 于
泛 ，当超声波在 流体媒 介中传播时 ，会 携带流体 流速等信 息ｕ Ｊ， １８４２年首先提出的理论 。其主要 内容是 当声 源和观测 者之 间
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｆｌｏｗｍ ｅｔｅｒ
ＴＵ Ｘｉａｏ－ｌｉ ，ＹＡＮＧ Ｄａｏ—ｙｅ ，ＣＨＥＮ Ｊｉｎｇ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓａｎｊｉｎｇ ２１１８１６，Ｃｈｉｎａ；
２０１６
第 ３期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１６ Ｎｏ．３
超 声 波 多普 勒流 量 计 的设 计
涂 晓立 ，杨 道 业 ，陈 静 （１．南京工业大 学电气工程与控制科学学院 。江苏南京 ２１１８１６；２．江 苏省信息 中心 ，江苏南京 ２１００９６）
２．Ｉｎｆｏｒｍａｔ ｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｏｐｐｌｅｒ ｆ ｌｏｗｍｅｔｅｒ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｌｏｗ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｐｏｏｒ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｓｌｏｗ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｈａｒｄｗａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔ ｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｔｒａｎｓ－ ｍｉｕｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｍｉｘｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＳＴＭ３２Ｆ４ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒａ ｌ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｒ ｏ ｕｇｈ ａｄｏｐ— ｔｉｎｇ ＳＴＭ３２Ｆ４ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈｉｐ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｌｏ ｗｍｅｔｅｒ，Ｃｏｒ ｔｅｘ—Ｍ４ ｃｏｒｅ ｗａ￥ｕｓｅｄ ｉｎ ＳＴＭ３２Ｆ４ ａｎｄ ｉｔｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ＦＰＵ ｕｎｉｔ
ｇｒｅａｔｌｙ ｕｐｇｒａｄｅｄ．Ｔｈ ｅ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＤＤＳ ｃｈｉｐ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈａｒｄｗａ ｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇ ｎ ａ ｌ ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ— ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇｎ ａｌ ｗａｓ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｅｄ １０ ｋＨｚ ｕｓｉｎｇ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｔ ｈｅ ｓｔａ ｂ ｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ。Ｆ兀 １ Ｗａ ｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔＯ ａｎａｌｙｚｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｓｈｉｆｔｅｄ ｓｉｇ ｎ ａ ｌ ｆｒｏｍ ＳＴＭ３２Ｆ４，ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆ ｌｏｗ ｍｅａ ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．Ｍａｔｌａ ｂ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔ Ｏ ａｎａｌｙｚｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｓｉｇｎａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｏ ｇｅｔ ｉｔｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｎｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ ｓｏｎｉｃ；Ｄｏｐｐｌｅｒ；Ｆ ；ＤＤＳ
因此根据对接收到 的超声波信号进 行分析计算 ，就 可以得 到流 有相对运动时 。观测 者接 收到 的频 率和 声源发 出的频率 是不
摘要 ：针 对传统的超声波 多普勒流量计存在 的精度低 、稳定度 差、动 态响应慢 的问题 ，研制 了一种新 型的超 声波 多普 勒流量计 。硬件部分 主要设计 了超 声波换能器的发射与接 收 电路、功 率放 大与滤波 电路 、混频 电路 以及 ＳＴＭ３２Ｆ４及 其外 围器件 。采 用 ＳＴＭ３２Ｆ４作 为超 声波多普勒 流量计的主控 芯 片，ＳＴＭ３２Ｆ４采 用 Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ４内核 ，其 内置硬件 ＦＰｕ单元 ，在 数字信号处理方 面还增加 了 ＤＳＰ指令 集 ，使得它在数 字信 号处理 方面的能 力得到 大大的提 升。在 硬件 电路 中选 用高精 度 的 ＤＤＳ芯片产生基准信号来驱动超 声波换 能器。在频移信 号处理 方面 ，采 用中频解调技术将频移信 号解调到 １０ ｋＨｚ， 提 高了系统 测量 的稳 定度 以及 对流速变化的响应速度。运用快速傅里 叶变换算 法（Ｆｒｒ）对 ＳＴＭ３２Ｆ４采集到 的频移 信号 进行频谱分析 。有效地提 高 了超 声波流量 测量 系统的精度 ，并 以 ｍａｔｌａｂ为 分析 工具对采集到 的多普勒频移信 号进行 频谱 分析 ，从 而得 到其频率的变化。 关键词 ：超声波 ；多普勒 ；ＦＦＩ’；ＤＤＳ 中图分类号 ：ＴＰ９３４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００２－１８４１（２０１６）０３－００４１—０３
０Байду номын сангаас引言
１ 超声 波多普勒流量计 的测量原理
随着超声波 技术 研究 的不 断深 入 ，其 应用 变 得越 来 越 广
多普勒效应是奥地 利物 理学家 克里斯 ·约翰 ·多普 勒 于
泛 ，当超声波在 流体媒 介中传播时 ，会 携带流体 流速等信 息ｕ Ｊ， １８４２年首先提出的理论 。其主要 内容是 当声 源和观测 者之 间
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｆｌｏｗｍ ｅｔｅｒ
ＴＵ Ｘｉａｏ－ｌｉ ，ＹＡＮＧ Ｄａｏ—ｙｅ ，ＣＨＥＮ Ｊｉｎｇ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓａｎｊｉｎｇ ２１１８１６，Ｃｈｉｎａ；
２０１６
第 ３期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１６ Ｎｏ．３
超 声 波 多普 勒流 量 计 的设 计
涂 晓立 ，杨 道 业 ，陈 静 （１．南京工业大 学电气工程与控制科学学院 。江苏南京 ２１１８１６；２．江 苏省信息 中心 ，江苏南京 ２１００９６）
２．Ｉｎｆｏｒｍａｔ ｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｏｐｐｌｅｒ ｆ ｌｏｗｍｅｔｅｒ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｌｏｗ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｐｏｏｒ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｓｌｏｗ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｈａｒｄｗａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔ ｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｔｒａｎｓ－ ｍｉｕｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｍｉｘｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＳＴＭ３２Ｆ４ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒａ ｌ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｔｈｒ ｏ ｕｇｈ ａｄｏｐ— ｔｉｎｇ ＳＴＭ３２Ｆ４ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈｉｐ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｌｏ ｗｍｅｔｅｒ，Ｃｏｒ ｔｅｘ—Ｍ４ ｃｏｒｅ ｗａ￥ｕｓｅｄ ｉｎ ＳＴＭ３２Ｆ４ ａｎｄ ｉｔｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ＦＰＵ ｕｎｉｔ