1、超聲波流量計（信號處理）摘 要：超聲多普勒流量計主要用于污水類非純凈液體和混有固體顆粒的兩相流的流量測量,其優(yōu)點是:分辨率高,對流速變化響應(yīng)快;對流體的壓力、粘度和溫度等因素不敏感。但就當前測量水平來說,其精度及其它性能都有待于進一步提高,因此,超聲多普勒流量計的研究無論是對于自動化測量技術(shù)的提高還是對于環(huán)保事業(yè)來說,都將是一項極有意義的研究課題。本課題設(shè)計的超聲多普勒流量計引入先進的數(shù)字信號處理技術(shù),在頻域上對多普勒信號進行有效的處理,主要處理技術(shù)是以快速傅里葉(fft)變換為基礎(chǔ)的周期圖法和峰值逼近算法。具體方法是首先對多普勒頻移信號進行采樣,再進行fft變換,進而得到該信號的功率譜,在功

2、率譜上應(yīng)用峰值頻率的逼近算法,加上適當?shù)臄?shù)字濾波技術(shù),從而得到頻移信號所對應(yīng)的頻率,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)多普勒效應(yīng)原理,求取管道中流體流速及其它數(shù)據(jù)量。以matlab 為分析工具對超聲波多普勒流量計信號處理方法進研究,并對可行的數(shù)據(jù)處理組合方式效果進行分析,為該類流量計的軟件設(shè)計提了新供的思路。關(guān)鍵詞：多普勒；流量計；fft；峰值逼近；matlab the signal processing of ultrasonic flowmeter abstract:ultrasonic doppler flowmeters are mainly applied to measure flux of sew

3、age 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 mea

4、surement but to environment protection. hardware and software of ultrasonic doppler flowmeters are designed in this paper.digital signal processing is introduced to analyzed doppler signal,for example ,fft is used to convert doppler signal from time domain to frequency domain,and then the algorithm

5、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. this paper investigates ultrasonic doppler flowmeters signal processing methods through the software of matlab

6、and analyzses the effects of possible combination of data-processing methods.above all,the new ideas are provided for flowmeters software design.key words: doppler flowmeter；fft；approaching peak value；matlab 目 錄 1 緒論11.1 超聲波流量計簡介11.2 多普勒超聲波流量計的發(fā)展21.3 課題研究的意義22 多普勒超聲波流量計測量原理42.1 多普勒效應(yīng)42.2 多普勒超聲波流量計的工

7、作原理以及模型62.2.1 工作原理62.2.2 多普勒超聲波流量計的測量模型72.3 超聲波流量計的系統(tǒng)硬件實現(xiàn)72.3.1 系統(tǒng)硬件總體方案72.3.2 超聲波流量計信號處理部分的電路介紹93 超聲波流量計的信號處理133.1 超聲波信號處理模塊133.2 信號處理模塊涉及到的理論知識133.2.1 快速傅里葉變換（fft）原理133.2.2 低通濾波器173.2.3 采樣頻率的選取194 仿真實現(xiàn)204.1 仿真matlab軟件的介紹204.2 基于matlab中對信號進行處理的流程224.2.1 對信號進行濾波234.2.2 基于matlab對信號進行fft254.2.3 找出相應(yīng)的頻

8、偏值并計算出流體流速265 結(jié)論28致謝29參考文獻30附錄31 1 緒論1.1 超聲波流量計簡介 頻率高出人耳可以聽到的頻率極限（大小超過20khz的頻段）的彈性振動，這種振動通過波動的方式在介質(zhì)中的傳播過程就形成了超聲波。適用于流量測量的超聲波技術(shù)的原理是：超聲波換能器發(fā)出的超聲波通過某一入射角度進入到被測流體中，在被測流體中超聲波就載有流體的流速信息，通過使用接收到的超聲波信號就能對流體的流速和流量進行測量。超聲波流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，壓力損耗小，并且使用方便，所以得到了廣泛的使用。和其他種類的超聲波流量計，例如渦街流量計、質(zhì)量流量計、差壓流量計、電磁流量計等流量計相比較。超聲波流量計就

9、有以下幾個優(yōu)點：l 它通過非接觸式的測量方法，在管道外壁上安裝換能器，這樣就可以不干擾到流場，無壓力損耗，是一種比較理想的測流體流量流速的儀表。l 多樣的換能器形式，這樣就可以應(yīng)用于不同的場合，除過可以用于測量石油、水等的一般導(dǎo)聲的流體以外，也可以用來測量高壓、高溫、非導(dǎo)電、易爆、強腐蝕以及具有放射性等特點的導(dǎo)聲流體。l 測量的口徑范圍大，一般大小為0.5-5m,有的時候可以達到10m,而且造價與口徑的大小無關(guān)。l 它的通用性好，在可測量的口徑的范圍內(nèi)，同樣一臺流量計可以測量任何不同口徑類型的管道。l 沒有可動部件，無磨損，它的使用壽命長，重量比較輕。l 它的安裝和維修比較方便，不需要專用的閥

10、門等，也不用中斷流體的流動，不影響生產(chǎn)流程。人們對于超聲波流量計的研究已經(jīng)有了數(shù)十年的歷史了，在20世紀50年代末期，超聲波流量計正式由理論研究階段進入了工業(yè)應(yīng)用。進入70年代后，因為集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，高穩(wěn)定性、高性能的鎖相技術(shù)的應(yīng)用，使得實用超聲波流量計得到了迅速的發(fā)展。 依據(jù)信號檢測原理，超聲波流量計的非接觸測量方法可以分為：多普勒法、傳播速度差法、波動超聲法和波速偏移法等不同類型。其中的傳播速度差法又分為相差法、時差法和相差法。目前。多普勒和時差法被廣泛的使用。時差法是通過測量超聲波順流和逆流傳播時的時間差來計算流速的。早期使用的是單聲道工作方式，后來開始使用多聲道工作方式，這不僅

11、降低了儀表對流速斷面的敏感性，而且同時也提高了精度。但是同時相應(yīng)的復(fù)雜度就增加了。時差法剛開始發(fā)展的時候，超聲波的發(fā)射波是窄聲帶的，一般來說只適用潔凈的單相被測液體。但是窄聲帶的聲束發(fā)射有接收信號強度較弱的問題。多普勒法是利用聲學多普勒原理， 來測量不均勻流體中散射的超聲波多普勒頻移來計算流體的流量。1.2 多普勒超聲波流量計的發(fā)展在過去的幾十年中多普勒超聲波流量測量技術(shù)得不到發(fā)展，進入到80年代以后， 隨著能源和環(huán)境等問題的提出, 在流量測量領(lǐng)域內(nèi)許多新的復(fù)雜而困難的課題接踵而至, 原有儀表在一些特殊復(fù)雜的測量對象中難以適應(yīng)。就出現(xiàn)了超聲波流量計。正是由于超聲波流量計可以實現(xiàn)非接觸測量, 特

12、別對于大口徑、腐蝕性介質(zhì)、易爆及帶有強放射性介質(zhì)的測量尤為優(yōu)越。同時, 對小流量和粘液、非導(dǎo)電介質(zhì)的測量也不受限制。隨著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展,鎖時技術(shù)和微處理器應(yīng)用于超聲波流量計之后,面貌為之一新, 性能大大提高, 應(yīng)用范圍日趨擴大。多普勒超聲波流量計的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：u 包含具體顆粒的兩相流流量的測量，例如工業(yè)污水、礦漿、城市污水等等；u 用于準確度要求不高，但是要求重復(fù)性好的場合，例如裝在泵上作為泵的保護裝置，或者是作為流量開關(guān)；u 有毒和腐蝕性的液體或者食品工業(yè)中衛(wèi)生要求高的流體流量的測量；u 用于粗大的圓形管道或者矩形管道，而且在原理上不受管道口徑的限制，并且其造價基本與管道口徑無關(guān)。1

13、.3 課題研究的意義多普勒超聲波流量計除過具有非接觸式的流量計的一般特點外，它突出的特點有：高的分辨率，對流體流速的變化響應(yīng)比較快；對流體的粘度、溫度、壓力、密度及導(dǎo)電率等多種因素不敏感，沒有零點漂移等問題；重復(fù)性好；價格比較便宜。但它也有自己的缺點，它的缺點在于：流體流量測量的精度除了取決于超聲波的發(fā)射頻率外，流體中發(fā)射顆粒的濃度、性質(zhì)、粒徑大小、流速分布以及粒子的分布等因素的變化對流體流量的測量都有影響。管道的振動也是多普勒流量計測量誤差的一個來源。除了利用信號處理電路來降低誤差以外，軟件上數(shù)字信號處理技術(shù)的使用提高了測量精度。fft（快速傅里葉變換）譜分析技術(shù)的應(yīng)用，完成了多普勒流量測量

14、的真正意義上的進步。使用fft方法來分析超聲波的反射波波普，就可以分辨出哪個是干擾噪聲的頻率，哪個才是有被測流體的流速信號產(chǎn)生的。這就大大增強了多普勒超聲波流量計對各種信號頻率的分辨能力。本課題的目的是講fft數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于多普勒超聲波流量計的設(shè)計中，使超聲波流量計的設(shè)計更加完美。這是在超聲波流量計領(lǐng)域的一項領(lǐng)先技術(shù)。選擇這個課題，對于國民經(jīng)濟的發(fā)展具有實際使用的意義，尤其是多普勒超聲波流量計主要是用于測量污水和腐蝕性的液體。所以，本課題的研究對于環(huán)保事業(yè)來說意義重大。 2 多普勒超聲波流量計測量原理 2.1 多普勒效應(yīng) 由于觀察者或者波源的運動引起的觀測頻率和波源的頻率不同的現(xiàn)象稱為

15、多普勒效應(yīng)，這是多普勒在1824年發(fā)現(xiàn)的。后來在現(xiàn)在的科學技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。聲源相對于靜止的觀察者運動情況下推導(dǎo)出的多普勒公式： 圖2-1 聲源運動，觀察者相對靜止 如上圖2-1-1，p為觀察者，處于靜止狀態(tài)，振動頻率為f的聲源q以速度u沿著x軸正向運動。設(shè)聲源到r1時的聲振動要經(jīng)過t1時間后被觀察者接收到，經(jīng)過短時間t聲源到達r2，這里的聲振動需要時間t2后觀察者收到信號。假如設(shè)聲速為c,r1p=1 ,r2p=2 ,那么就有: t1=1/c t2=2/c ， （2-1）從r2向r1p做垂直線相交r2p于點a,因為所取的時間t很短，所以有： 1 -2=r1a=utcos , (2-2）其

16、中為1與x軸的夾角。設(shè)t是聲源從r1點運動到r2的過程中接收者收到的聲振動持續(xù)的時間，那么在時間軸上下式成立： t=t-t1+t2 , （2-3）由（2-1），（2-2），（2-3）可得到： t=t-（1-2)/c=(c-utcos)t/c, (2-4) 所以觀察者在t時間里接收到的聲源的總振動次數(shù)為ft，即由頻率定義和式（2-4）可以得到觀察者接收到的聲音的頻率f為: f= (2-5) 有以下情況：a. 當 t0，那么r1r20，式子(2-5)就是聲源運動到r1時，觀察者接收到的瞬時頻率f，隨著角的變化而變化。即隨著聲源在x軸的不同點、不同時刻而變化。 b. 當=0時，聲源向著觀察者運動，這

17、個時候觀察者接收到的頻率為: f=ff c. 當=時，聲源背向觀察者運動，這個時候觀察者接收到的頻率為： f=ff 聲源相對于運動的觀察者靜止情況下推導(dǎo)出的多普勒公式： 如下圖2-1-2，q為聲源，處于靜止狀態(tài)，觀察者以速度u沿著x軸正方向運動。聲源發(fā)出的振動經(jīng)過t1時間后可以傳播到s1點處，經(jīng)過t2時間可以傳播到s2點處。根據(jù)聲源產(chǎn)生的振動在空間上的傳播特性，觀察者運動到s1點處時聲源所接收到的聲波應(yīng)是觀察者運動到s處聲源產(chǎn)生的聲振動。同理，觀察者運動到處所接收到的波影視觀察者運行到s處聲源所產(chǎn)生的聲振動。 圖2-2 觀察者運動，聲源相對靜止 假設(shè)觀察者從s1經(jīng)過t時間到達s2點處，與上述情

18、況研究方法類似，從上圖2-1-2有： t1=1/c t2=2/c （2-6） 此時： t=t+t1-t2 （2-7）因為t很小，有:1=-ut1cos 2=-u(t1+t)cos (2-8) 則有： 1-2 =utcos (2-9)從式（2-6），（2-7），（2-8），（2-7），可以得到： t= （2-10）由于觀察者在t時間內(nèi)接收到的聲源的振動次數(shù)為ft,那么觀察者所接收到的聲波頻率為： f= （2-11）有以下情況：a. 當t0時，ss=0，式子（2-11）為觀察者在運動過程中接到的瞬時頻率，這個瞬時頻率隨著的改變而改變，即瞬時頻率隨著觀察者所處的不同位置，不同時刻而發(fā)生改變。b. 當

19、=0時，觀察者沿著聲源運動，這時觀察者接收到的頻率是: f=fc. 當=時，觀察者背向聲源運動，這時觀察者接收到的頻率是： f=f以上就是多普勒效應(yīng)的解釋和公式推導(dǎo)。2.2 多普勒超聲波流量計的工作原理以及模型2.2.1 工作原理 多普勒超聲波流量計是以物理學中多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的測量原理，依據(jù)聲學多普勒效應(yīng)。當觀察者和生源之間有相對的運動時，觀察者感受到的聲波頻率將不同于生源所發(fā)出的頻率，這是由于相對運動而引起頻率變化與兩個物體的相對速度成正比關(guān)系。在多普勒超聲波流量計的測量方法中，超聲波發(fā)射器作為一個固定聲源，隨著流體一起在運動的固體顆粒有與聲源有相對運動的“觀察者”的作用。當超聲波發(fā)射器所

20、發(fā)射的固定頻率的超聲波入射到流體中的固體顆粒上，被反射到接收器上的超聲波頻率就會與超聲波發(fā)射頻率兩者之間就有一個差值，這個頻率差值就是因為流體中的固體顆粒的運動而產(chǎn)生的多普勒頻移。這是因為這個頻移量與流體的流速成正比關(guān)系，因此測量這個頻率差值就可以得出流體的流速，從而求出流體的流量。因此，多普勒超聲波流量計測量的一個必要條件是：被測流體介質(zhì)應(yīng)該具有一定數(shù)量的可以反射超聲波的固體顆粒或者氣泡等兩相介質(zhì)。2.2.2 多普勒超聲波流量計的測量模型多普勒超聲波流量計常用的模型如下： 圖2-3 多普勒超聲波流量計的模型 計算流量的公示是： 其中，u是被測流體的流速，c是在被測流體中超聲波的傳播速度，f1

21、為超聲波探頭發(fā)射的超聲波頻率，f2是超聲波探頭收到的超聲波的頻率。是超聲波波束與被測流體之間的夾角。因此，只要知道入射超聲波與接收到的反射回來的超聲波的超聲波頻率差就可以計算出流體的流速從而可以求出被測流體的流量。2.3 超聲波流量計的系統(tǒng)硬件實現(xiàn)2.3.1 系統(tǒng)硬件總體方案 整個多普勒超聲波流量計的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以分成兩部分：超聲波發(fā)射部分、接收探頭以及調(diào)理電路的設(shè)計以及數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。其中探頭主要是用來完成超聲波的發(fā)射和接收工作。探頭接收到發(fā)射回來的超聲波經(jīng)過帶通濾波器解調(diào)放大以后，再通過低通放大電路，最后輸出具有流體流速信息的低頻率模擬信號，然后提供給后續(xù)的數(shù)字電路系統(tǒng)進行處理；數(shù)字電

22、路系統(tǒng)部分是以dsp為核心的器件，輔助其他外圍電路工作。數(shù)字電路系統(tǒng)部分是整個超聲波流量計的核心部分，它負責整個超聲波流量計的控制和數(shù)字信號處理的工作，整個系統(tǒng)框圖如下：stm32f103cbt6usart stm32f103cbt6 圖2-4 超聲波多普勒流量計的整體結(jié)構(gòu)框圖由上圖2.3.1可知，此系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包含兩個大的模塊，第一個大的模塊是模擬系統(tǒng)部分，主要包含流量計的超聲波發(fā)射器和接收器、帶通濾波以及解調(diào)放大電路、低通濾波器和信號放大器。第二大模塊是數(shù)字電路系統(tǒng)模塊，這個模塊以stm32f103cbt6為核心部件，完成對信號的采樣、fft計算，以及a/d轉(zhuǎn)換等操作。外加lcd液晶顯示

23、器、usart接口等外圍電路。 整個系統(tǒng)的工作過程是：超聲波流量計通過一定的入射角度向被測流體發(fā)射超聲波信號，流量計的接收器將接收到的超聲波反射波信號轉(zhuǎn)換成為電信號，經(jīng)過窄帶濾波器濾波后再進行信號放大，完了再經(jīng)過解調(diào)電路解調(diào)出頻偏信號。這個信號再通過系統(tǒng)的低通濾波器濾除掉高頻噪聲，通過放大電路進行信號的放大后，送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(a/d)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣的數(shù)據(jù)在定時中斷服務(wù)程序中被送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。cpu完成對所收到的數(shù)字序列的處理，可以得到信號的頻偏值。再依據(jù)流量計儀表參數(shù)對流量、流速、累計流量等需要的數(shù)據(jù)量進行計算，然后這些計算量會被送到指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域，給lcd顯示、模擬量的輸出等使用。

24、 2.3.2 超聲波流量計信號處理部分的電路介紹超聲波流量計信號的處理是通過stm32f103cbt6芯片來對從超聲波接收器輸入的信號進行a/d轉(zhuǎn)換、fft以及采樣等的處理，最終得到多普勒頻移來計算被測流體的流速。 圖2-5 超聲波流量計信號處理的主要電路l stm32f103cbt6芯片主要是用來完成對信號的a/d轉(zhuǎn)換，fft運算，以及信號的采樣。下面介紹stm32f103cbt6芯片的信息： 圖2-6 stm32f103cbt6芯片封裝圖上圖是stm32f103cbt6芯片的一個封裝圖。它是st公司給予arm最新cortex-m3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器產(chǎn)品。內(nèi)置128k的flash、20k

25、的ram、12位的ad、4個16位定時器和3路usart通訊口等多種資源，時鐘頻率最高可達72mhz。它的內(nèi)核是arm32位cortex-m3 cpu，72mhz，90dmips，1.25dmipsmh,單周期的乘法和硬件除法，通用增強型，內(nèi)嵌中斷控制器有43個可以屏蔽的中斷通道。采用尾鏈技術(shù)的中斷處理（降至6個cpu周期）。此芯片主要是對于超聲波流量計接收器傳過來的信號進行a/d轉(zhuǎn)換及采樣、fft運算，以及通過接口把最終處理的信號傳送到led驅(qū)動裝置，使其最終顯示在液晶顯示器上面。l usart:(universalsynchronous/asynchronousreceiver/trans

26、mitter)通用同步/異步串行接收/發(fā)送器。usart是一個全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊，該接口是一個高度靈活的串行通信設(shè)備。 圖2-7 串口輸出圖u 主要特點：（1）全雙工操作（相互獨立的接收數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器）；（2）支持同步和異步操作；（3）同步操作時，可主機時鐘同步，也可從機時鐘同步；（4）獨立的高精度波特率發(fā)生器，不占用定時/計數(shù)器；（5）支持5、6、7、8和9位數(shù)據(jù)位，1或2位停止位的串行數(shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)；（6）由硬件支持的奇偶校驗位發(fā)生和檢驗；（7）數(shù)據(jù)溢出檢測；（8）幀錯誤檢測；（9）包括錯誤起使位的檢測噪聲濾波器和數(shù)字低通濾波器；（10）三個完全獨立的中斷，tx發(fā)送完

27、成、tx發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空、rx接收完成；（11）支持多機通信模式；（12）支持倍速異步通信模式。u 結(jié)構(gòu)組成： usart收發(fā)模塊一般分為三大部分：時鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器。控制寄存器為所有的模塊共享。時鐘發(fā)生器由同步邏輯電路（在同步從模式下由外部時鐘輸入驅(qū)動）和波特率發(fā)生器組成。發(fā)送時鐘引腳xck僅用于同步發(fā)送模式下，發(fā)送器部分由一個單獨的寫入緩沖器（發(fā)送udr）、一個串行移位寄存器、校驗位發(fā)生器和用于處理不同楨結(jié)構(gòu)的控制邏輯電路構(gòu)成。使用寫入緩沖器，實現(xiàn)了連續(xù)發(fā)送多幀數(shù)據(jù)無延時的通信。接收器是usart模塊最復(fù)雜的部分，最主要的是時鐘和數(shù)據(jù)接收單元。數(shù)據(jù)接收單元用作異步數(shù)據(jù)的接收。除

28、了接收單元，接收器還包括校驗位校驗器、控制邏輯、移位寄存器和兩級接收緩沖器（接收udr）。接收器支持與發(fā)送器相同的楨結(jié)構(gòu)，同時支持楨錯誤、數(shù)據(jù)溢出和校驗錯誤的檢測。 u 與uart兼容性avrusart和avruart兼容性usart在如下方面與avr uart完全兼容：（1）所有usart寄存器的位定義。 （2）波特率發(fā)生器。 （3）發(fā)送器操作。 （4）發(fā)送緩沖器的功能。（5）接收器操作。然而，接收器緩沖器有兩個方面的改進，在某些特殊情況下會影響兼容性：（1）增加了一個緩沖器。兩個緩沖器的操作好象是一個循環(huán)的fifo。因此對于每個接收到的數(shù)據(jù)只能讀一次！更重要的是錯誤標志fe和dor，以及第

29、9個數(shù)據(jù)位rxb8與數(shù)據(jù)一起存放于接收緩沖器。因此必須在讀取udr寄存器之前訪問狀態(tài)標志位。否則將丟失錯誤狀態(tài)。（2）接收移位寄存器可以作為第三級緩沖。在兩個緩沖器都沒有空的時候，數(shù)據(jù)可以保存于串行移位寄存器之中，直到檢測到新的起始位。從而增強了usart抵抗數(shù)據(jù)過速(dor)的能力。下面的控制位的名稱做了改動，但其功能和在寄存器中的位置并沒有改變：（1）chr9改為ucsz2。（2）or改為dor。u 時鐘產(chǎn)生邏輯為發(fā)送器和接收器產(chǎn)生基礎(chǔ)時鐘。usart支持4種模式的時鐘：正常的異步模式，倍速的異步模式，主機同步模式，以及從機同步模式。usart控制位umsel和狀態(tài)寄存器c(ucsrc)用

30、于選擇異步模式和同步模式。倍速模式(只適用于異步模式)受控于ucsra寄存器的u2x。使用同步模式(umsel=1)時，xck的數(shù)據(jù)方向寄存器(ddr_xck)決定時鐘源是由內(nèi)部產(chǎn)生(主機模式)還是由外部生產(chǎn)(從機模式)。僅在同步模式下xck有效。 片內(nèi)時鐘產(chǎn)生波特率發(fā)生器內(nèi)部時鐘用于異步模式與同步主機模式。usart的波特率寄存器ubrr和降序計數(shù)器相連接，一起構(gòu)成可編程的預(yù)分頻器或波特率發(fā)生器。降序計數(shù)器對系統(tǒng)時鐘計數(shù)，當其計數(shù)到零或ubrrl寄存器被寫時，會自動裝入ubrr寄存器的值。當計數(shù)到零時產(chǎn)生一個時鐘，該時鐘作為波特率發(fā)生器的輸出時鐘，輸出時鐘的頻率為fosc/(ubrr+1)。

31、發(fā)生器對波特率發(fā)生器的輸出時鐘進行2、8或16的分頻，具體情況取決于工作模式。波特率發(fā)生器的輸出被直接用于接收器與數(shù)據(jù)恢復(fù)單元。數(shù)據(jù)恢復(fù)單元使用了一個有2、8或16個狀態(tài)的狀態(tài)機，具體狀態(tài)數(shù)由umsel、u2x與ddr_xck位設(shè)定的工作模式?jīng)Q定。 3 超聲波流量計的信號處理3.1 超聲波信號處理模塊數(shù)字處理模塊是軟件系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)的處理方法的選擇，對系統(tǒng)的精度和效率有著直接的關(guān)系。在本系統(tǒng)中，首先對超聲波流量計接收到的信號進行濾波處理，對信號進行濾波不僅僅可以提高信號的信噪比，同時也提高了信號的fft精度。對信號進行濾波后緊接著對信號實現(xiàn)fft，得到信號的頻譜圖。從信號的頻譜圖上對信號

32、進行相應(yīng)的處理就可以得到信號相應(yīng)的頻偏值，最后求取所需要的各種數(shù)據(jù)量。3.2 信號處理模塊涉及到的理論知識3.2.1 快速傅里葉變換（fft）原理目前離散傅里葉變換（fft）方法被廣泛的應(yīng)用于離散信號的數(shù)字信號處理過程。快速傅里葉變換可以完成把離散時域信號到頻域信號的轉(zhuǎn)換。直接dft運算需要的操作約為n2次，其中的n表示采樣時間序列的長度。雖然傅里葉變換是數(shù)字信號處理（dsp）中進行信號分析時常采用的一種方法。但是如果只是采用常規(guī)的傅里葉變換，那么給算法的運算量是非常大的，就不會適合于需要告訴運行的嵌入式控制系統(tǒng)中。快速傅里葉變換（fft）是在60年代由tuckey和cooley提出的，這種算

33、法明顯的降低了運算量，因為這種算法只需要1/2nlog2n次乘法操作。這就成為了dsp的基本工具并且推動了dsp的迅速發(fā)展。fft隨之也成為了對數(shù)字器件與系統(tǒng)性能的評價標準之一。伴隨著fft技術(shù)的的廣泛應(yīng)用，后來的人們在其基礎(chǔ)上做了大量的工作來改善其性能。具體可以分為兩點，第一點是針對算法的改進；另外一點是關(guān)于硬件的改進。人們已經(jīng)研究出了在不增加存儲內(nèi)容的前提下提高其運算速度的算法。并且大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的開發(fā)者也在不斷的改善系統(tǒng)的性能，這就為fft的應(yīng)用提供了方便。ti公司的dsp芯片的發(fā)展就充分的體現(xiàn)了這種趨勢。這個系列的芯片為fft運算的混序操作提供了發(fā)序的尋址方式。在總線管理和結(jié)構(gòu)上也

34、為n值較大的fft運算提供了更大的容量和更快的吞吐速度。而且還提供了并行操作指令，這就為fft編程提供了方便，使實現(xiàn)速度更快。對于長度為n的有限長離散數(shù)字信號序列,0nn-1，它的離散譜可以通過離散傅里葉變換(dft)得到。dft的定義為: (式3.2.1) n=0,1,2,，n-1； k=0,1,2,，n-1 令,上面的式子可以簡寫成下面的形式： (式3.2.2) k=0,1,2,，n-1； 從中可以看出，蝶形因子具有下面的特性： 的周期性：； （式3.2.3） 的對稱性：； （式3.2.4） 從上述dft的定義可以看出，在是復(fù)數(shù)的情況下，直接計算n點dft需要次復(fù)數(shù)乘法運算和次復(fù)數(shù)加法運算

35、。所以對于一個數(shù)字比較大的n之來說，直接進行dft需要很大的計算量。快速傅里葉變換（fft）是離散傅里葉變換（dft）的一種快速算法。其基本思想是把原來長度為n點的序列分成兩個比較短的序列，這兩個序列的dft簡單的組合起來就得到原來沒有分的dft。如果n是偶數(shù)，那么原來的n點序列將被分成兩個大小為n/2點的序列，那么計算n點的dft就只需要大約n/2點的dft所要進行的乘法次數(shù)，乘數(shù)2代表必須完成兩個dft。此方法可以反復(fù)使用，如果n/2也為偶數(shù)，那么n/2點的dft計算也可以簡化為n/4點的dft，這就減少了一半的乘法運算。那么，定義兩個分別為的偶數(shù)項和奇數(shù)項的（n/2）點序列和。有： n=

36、0,1,2,，n/2-1 （式3.2.5） n=0,1,2,，n/2-1 （式3.2.6）那么的n點dft可以寫成： （式3.2.7）又因為： (式3.2.8)所以上時3.2.7可以變換為下式： （式3.2.9） 上式（3.2.9）中的和分別是和點的dft。下圖3.2用流程圖來表述兩個(n/2)點dft變換計算n點的dft的方法： 圖3-2 兩個（n/2）點dft變換計算n點dft流程圖 從上面的流程圖可以看出被分成兩個序列，它們的范圍分別是：和。對于后一序列，的表達式可以寫成： (式3.2.10)又因為： (式3.2.11) （式3.2.12）所以式（3.2.10）可以簡化成： （式3.2.

37、12） k=0,1,2,，（n/2)-1；pp+q 這樣就形成了一種類似于蝴蝶形狀狀的運算，稱之為蝶形運算。如下圖3.3所示： qp+q 圖3-3 蝶形運算圖看是否是把輸出的頻域序列x(k)不斷分級，還是輸入的時間序列x(n)不斷分級，計算fft通常有兩種方法：（1） 按照頻域抽取算法，在fft分級的過程中，每一級都要把輸出的頻域序列分割成較小的序列來進行處理。（2） 按照時間抽取算法，在fft分級過程中，每一級都要把輸入的時間序列分成較小的序列來處理。也就是說在每一級都要對輸入的序列進行抽取。這兩種類型的算法區(qū)別在于：首先，對于按照時間抽取算法，其輸入的是混序，但是輸出的是按照自然順序序列，

38、但是按照頻率抽取算法，其輸入的是順序的，輸出是混序的；其次差異在于按照頻率抽取算法中的復(fù)數(shù)的乘法是在加法之后，這就導(dǎo)致在編程的過程中要注意順序問題，應(yīng)該注意。 綜上所述，下面給出了8點dft蝶形信號流圖。如圖3.4所示，其逐級分解的框圖如圖3.5。通過圖3.5的結(jié)構(gòu)得到的算法就是快速傅里葉變換（fft）。 圖3-4 8點蝶形信號流圖 圖3-5 8點dft逐級分解的框圖 快速傅里葉變換（fft）譜分析技術(shù)的使用，推動了多普勒超聲波流量計測量方法的真正進步。使用fft法來分析發(fā)射波的波譜，就可以分辨出來哪一個頻率是由干擾噪聲所引起的，哪一個才是真正的由被測流體流速信號引起的，這就極大地增強了多普勒

39、超聲波流量計對各種頻率成分的分辨能力。3.2.2 低通濾波器數(shù)字濾波器的設(shè)計要經(jīng)過如下三個步驟： (1)確定指標在設(shè)計一個濾波器之前，必須首先根據(jù)工程實際的需要來確定濾波器的計數(shù)指標。在很多的實際應(yīng)用中，數(shù)字濾波器常常被用來實現(xiàn)選頻功能。所以，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應(yīng)。(2)模型逼近 一旦確定了技術(shù)指標,就可利用已學習過的基本原理和關(guān)系式,提出一個濾波器模型來逼近給定的指標體系。這是濾波器設(shè)計所要研究的主要問題。(3)實現(xiàn)性能分析和計算機仿真以上兩步的結(jié)果得到的濾波器，通常是以差分方程、系統(tǒng)函數(shù)或脈沖響應(yīng)描述的。根據(jù)這個描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗證設(shè)計結(jié)果是否滿足

40、指標要求或者利用計算機仿真實現(xiàn)設(shè)計的濾波器,再分析濾波結(jié)果來斷。想要提高快速傅里葉變換（fft）算法計算的精度，就要提高信號的信噪比，那么這就需要對信號進行再次濾波，本系統(tǒng)采用的是巴特沃斯低通數(shù)字濾波器。 巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種，特點是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（stephenbutterworth）在1930年發(fā)表在英國無線電工程期刊的一篇論文中提出的，可以構(gòu)成低通、高通、帶通和帶阻四種組態(tài)，是目前最為流行的一類數(shù)字濾波器,經(jīng)過離散化可以作為數(shù)字巴特沃思濾波器,較模擬濾波器具有精度高、穩(wěn)定、靈活、

41、不要求阻抗匹配等眾多優(yōu)點,因而在自動控制、語音、圖像、通信、雷達等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器。本系統(tǒng)用的是matlab工具箱函數(shù)來設(shè)計巴特沃斯低通濾波器。matlab信號處理工具箱函數(shù)buttap,buttord和butter是巴特沃斯濾波器設(shè)計函數(shù)，有以下五種調(diào)用函數(shù)：1) z, p, k=buttap(n)該格式用于計算n階巴特沃斯歸一化（3db截止頻率）模擬低通原型濾波器系統(tǒng)的零、極點以及增益因子。返回長度為n的列向量z和p，分別給出n個零點和極點的位置，k表示濾波器的增益。2） n，wc=buttord(wp, ws, rp, as) 該格式用于計

42、算巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)n和3db截止頻率wc。調(diào)用參數(shù)wp和ws分別為數(shù)字濾波器的通帶邊界頻率和阻帶邊界頻率的歸一化值，要求，1表示數(shù)字頻率（對應(yīng)模擬頻率，表示采樣頻率）。rp和as分別為通帶最大衰減和阻帶最小衰減（db)。當wswp時，為高通濾波器；當wp和ws為二元矢量時，為帶通或者帶阻濾波器，這時wc也是二元向量。n和wc作為butter函數(shù)的調(diào)用參數(shù)。 3） n, wc=buttord(wp, ws, rp, as, s) 該格式用于計算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)n和3db截止頻率wc。wp、ws和wc是實際模擬角頻率（rad/s）。 4） b, a=butter(n, wc，fty

43、pe）計算n階巴特沃斯數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子和分母多項式的系數(shù)向量b和a。調(diào)用參數(shù)n和wc分別是巴特沃斯數(shù)字濾波器的階數(shù)和3db截止頻率的歸一化值（關(guān)于歸一化），一般按照格式（2）來調(diào)用函數(shù)buttord計算n和wc。5） b,a=butter(n, wc, ftype,s) 計算巴特沃斯模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)的分子和分母多項式向量b和a。調(diào)用參數(shù)n和wc分別為巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù)和3db截止頻率（實際角頻率）。3.2.3 采樣頻率的選取模擬信號經(jīng)過（a/d）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程成為采樣。信號采樣后它的頻譜就會產(chǎn)生周期延拓，基本上每隔一個采樣頻率fs,就會出現(xiàn)一次周期延拓。為了保證采樣后信號的

44、頻率形狀不發(fā)生失真，所以采樣頻率必須大于信號中最高頻率的兩倍，稱之為采樣定理。時域的采樣定理從采樣信號恢復(fù)出原連續(xù)信號就需要滿足兩個條件： （1）一定要是帶限信號，它的頻譜函數(shù)在各個位置處為零；（對信號的要求，只有在帶限信號才能使用采樣定理。） （2）取樣頻率不能太低，必須滿足。假如采樣頻率大于或者等于，即，那么采樣的離散信號就能無失真的恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。一個信號的頻譜在區(qū)間（）以外為零的頻帶有限信號，可以唯一的通過在均勻間隔上的樣點值確定。根據(jù)時域與頻率的對稱性，可以由時域采樣定理直接退出頻域的采樣定理。綜上所述，采樣定理如下： （1）對于連續(xù)信號進行等間隔采樣形成采樣信號，采樣信號的頻

45、譜是被采樣連續(xù)信號的頻譜以采樣頻率為周期進行周期的延拓得到的； （2）如果連續(xù)信號是帶限信號，且采樣的角頻率大于等于2倍的最高截止頻率 ，那么采樣信號通過一個增益為t，截止頻率為的理想低通濾波器可以唯一的恢復(fù)出原來連續(xù)信號，否則就會造成采樣信號的頻譜混疊現(xiàn)象，就不能無失真的恢復(fù)出連續(xù)信號。 4 仿真實現(xiàn)4.1 仿真matlab軟件的介紹 matlab的名字來源于matrix laboratory,其最初的版本是clevemoler博士通過使用rortran語言開發(fā)的矩陣分析的軟件。是一種比較科學的計算軟件，是以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)的。matlab可以將高性能的數(shù)值計算和可視化結(jié)合在一起，同時提供

46、了大量的函數(shù)，因此被廣泛的應(yīng)用于控制系統(tǒng)、科學計算、信息處理等很多領(lǐng)域的分析、設(shè)計和仿真工作。而且使用matlab產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu)，能夠非常容易的對matlab的功能進行夸大，在不斷地神話對問題認識的同時，不斷地完善matlab以提高產(chǎn)品的自身競爭能力。matlab集數(shù)學計算、編程、結(jié)果可視化于一身，這就能夠方便的進行科學的計算和大量工程運算，matlab主要是由matlab主程序、simulink動態(tài)仿真和matlab內(nèi)置工具箱三部分組成。其中matlab主程序又包括matlab語言、工作環(huán)境、數(shù)學函數(shù)庫、句柄圖形以及應(yīng)用程序接口五部分；simulink主要用于動態(tài)系統(tǒng)的交互式系統(tǒng)，其允許用

47、戶在屏幕上通過繪制框圖來模擬一個系統(tǒng)，同時能夠動態(tài)的控制這個系統(tǒng)；工具箱實際上就是用matlab基本語句編寫成的各種子程序的集合和函數(shù)庫，用來實現(xiàn)某一類的算法或者解決某一方面的特定的問題，其是開放性的，可以使用同時也能根據(jù)自己的需求進行擴展。matlab主要被應(yīng)用于以下幾個方面：算法的開發(fā)、建模以及仿真、數(shù)學計算、數(shù)據(jù)的分析以及可視化、應(yīng)用開發(fā)、科學及工程制圖。matlab軟件明顯的特點是編程的效率比較高、計算能力比較強、使用簡便并且易于擴充。matlab中內(nèi)置了600多個數(shù)學、工程計算和統(tǒng)計函數(shù)。使用這些函數(shù)對問題進行分析和解答，不管是提出問題還是結(jié)果的表達都能采用大家習慣的數(shù)學描述方式，這

48、個特點使matlab成為了算法開發(fā)、數(shù)學分析以及應(yīng)用程序開發(fā)的良好環(huán)境。其強大的功能有：（1） 數(shù)學計算。通過使用以矩陣、向量作為基本的運算單元的matlab進行數(shù)字計算是加法算法開發(fā)的有效途徑，并且matlab提供的數(shù)學算法它凝聚了世界上很多科學家的辛勤的勞動，可以保證數(shù)學計算結(jié)果的精確。matlab數(shù)學計算包括：數(shù)據(jù)處理與基本統(tǒng)計、快速傅里葉變換（fft）、協(xié)方差與相關(guān)的分析、稀疏矩陣運算、線性代數(shù)和矩陣的分析與變換、三角以及其它初等函數(shù)，bessel、beta以及其它特殊的函數(shù)，微分方程與線性方程的求解，多維數(shù)組的支持。（2） 數(shù)據(jù)的可視化。matlab向用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)可視化功能函

49、數(shù)。包括：二維、三維繪圖，包括直線圖、封閉折線圖、網(wǎng)線圖、散點圖、極坐標圖、直方圖等多樣的數(shù)據(jù)可視化方法。交互的文本注釋編輯能力；提供文件i/o，支持多種的圖像文件格式。例如：jpeg、bmp、avi、tiff等；軟件支持的opengl渲染；多種光源的設(shè)置、照相機以及透視控制；能夠打印或?qū)С鰯?shù)據(jù)的圖形文件到其他的應(yīng)用程序中去，例如word and powerpoint，完成開發(fā)結(jié)果的共享。（3） 集成的算法開發(fā)編程語言和環(huán)境。matlab有一種簡單容易使用的算法開發(fā)語言m語言。其直接利用matlab提供的基本數(shù)學、圖形能力，來開發(fā)用戶需要的算法。基本上所有的matlab工具箱的函數(shù)都是通過使用

50、這個m語言開發(fā)的。可視化程序的編輯器/調(diào)試器；語法風格類似于c語言，易于掌握，具有jit加速器可以加快程序運行速度。多維向量以及用戶自定義的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)、數(shù)組、元胞數(shù)組等多種的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。具有靈活的開發(fā)性能，可以與c、c + 、java、fortran、com組件及excle集成使用。（4） 圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境guide。下拉和彈出式的菜單；應(yīng)用程序向?qū)Ш喕拈_發(fā)步驟；多界面的元素按鈕；檢查框；選項框；滑塊以及可編輯的文本框；利用調(diào)回函數(shù)響應(yīng)用戶的操作。（5） 包含：用c或fortranmex文件來集成已經(jīng)有了的c/rortran算法；調(diào)用matlab函數(shù)在單獨的c或fortranmex程序中；

51、使用java編程；可以提供com控制支持以及com服務(wù)；使用各種matlab以及其它格式的數(shù)據(jù)文件；可以創(chuàng)建既有圖形又有文本的文檔，包括了matlab命令、圖形，而且可以使用word、html來輸出。（6） 特殊應(yīng)用工具箱。matlab內(nèi)置的工具箱加強了對科學以及工程領(lǐng)域中特殊應(yīng)用的支持。matlab內(nèi)置工具箱完全是全用戶化的，具有很強的可擴展性。把一個或者幾個工具箱聯(lián)合起來使用，就能夠得到一個具有強大功能的計算組合包，可以滿足用戶的特殊需求。因此，matlab軟件廣泛的應(yīng)用于下面的領(lǐng)域：數(shù)學建模與分析、信號的處理、圖像處理與地理信息。 simulink是在matlab框圖的基礎(chǔ)上提供的設(shè)計環(huán)境。可以對很多種的動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真以及分析，建模的范圍比較廣，能夠?qū)θ我饽軌蛴脭?shù)學描述的系統(tǒng)來進行建模。simulink是建模、仿真以及分析各種系統(tǒng)的交互壞境，包含離散系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)以及混雜系統(tǒng)。也是一個通過鼠標拖放的方式建立所需系統(tǒng)的框圖模型的圖形交互平臺。其特點功能有以下幾點： （1）建模的工具。 simulink具有完整的功能模塊苦，可以用來建立單入單出，多入多出，離散/連續(xù)/混