1、 本文由liyuqia貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 基于 DSP 的雙頻超聲波流量計硬件電路設計 超聲就是指頻率高出可聽頻率極限(即在 20 kHz 以上的頻段)的彈性振動，這 種振動以波動形式在介質中的傳播過程就形成超聲波。 超聲波技術應用于流量測 量的原理是：由超聲換能器產生的超聲波以某一 角度入射到流體中，在流體中 傳播的超聲波就載有流體流速的信息， 利用接收到的超聲波信號就可以測量流體 的流速和流量。上世紀 70 年代以后，由于集成電路技 術的迅猛發(fā)展，高性能、 高穩(wěn)定性的鎖相技術的出現與應用，才使實用的超聲波流量計得以迅速

2、發(fā)展。超 聲波流量計結構簡單，壓力損失小，而且使用方便，因而得 到了廣泛的應用。 根據超聲波聲道結構類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計； 根據超聲波 流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流 量計和河流流量計；根據對 信號的檢測原理，超聲波流量計非接觸測量方法分為：傳播時差法、多普勒法、 波束偏移法及流動超聲法等不同類型，其中傳播時差法又 分為直接時差法、相 位差法和頻差法。 雙頻超聲波多普勒流量計能夠產生兩組異頻、相互獨立的超 聲波信號， 兩種頻率用于識別和排除一系列的錯誤信號， 他能有效去除噪聲信號， 并將準確識別出的多普 勒信號進行平方放大。 本文給出了一種雙頻超聲波流量計的硬件電

3、路設計方法。 2 總體的系統(tǒng)設計 整個系 統(tǒng)的硬件結構可以分為兩太模塊：超聲波發(fā)射、接收探頭及濾波放 大電路的設計和數字系統(tǒng)的設計，如圖 1 所示。發(fā)射探頭發(fā)射兩個己知的固定頻 率的獨立超聲波信 號，接收探頭負責接收含有流體的流速信息的超聲波。接收 到的超聲波分別被前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器及低通濾波器處理 獲得含有流體流速信息的 低頻模擬多普勒信號，再送到數字系統(tǒng)部分的 DSP(TMS320F2812) 的模數(AD)轉換器進行模數轉換。TMS320F2812 內部定 時中斷子程序進行數據采樣，采集的數據送人環(huán)形數據緩沖區(qū)內，然后 TMS320F2812 對采樣數據進行加窗處理、

4、FFT 變換求其功率譜、功率譜的延伸、 疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。單片機 C8051F236 通過 SPI 從 DSP 中讀出流速的數據，再根據輸入的儀表參數進行流量、累計流量等所需要的數據 量的計算，并通過液晶顯示器顯示。除了測量以外，還可以通過 鍵盤選擇執(zhí)行 安裝、測試、設置儀表和現場參數等多種操作。 系統(tǒng)總電路圖如圖 2 所示。 系統(tǒng)總共有 6 個模塊， 分別是電源模塊、 發(fā)射模塊(超 聲波產生和功率放大)、接收 模塊、DSP 模塊、擴展單元模塊和單片機模塊。 3 超聲波的產生與功率放大 多普勒超聲波測量中傳感器的激勵方式有單載頻脈沖激勵、連 續(xù)正弦波激 勵和偽隨機碼信號激勵

5、等，由于連續(xù)正弦信號的采集較為容易，也適于作頻譜分 析，因此選用這種方式。 超聲信號的頻移反映了流速 的信息，測準頻移是保證測量精度的關鍵，愈 少在頻譜中引入干擾分量愈好，因此我們需要源信號有較高的純度。一般的正弦 振蕩電路會有很多諧波分量，而且頻率 漂移較大，一旦調節(jié)好了頻率又不易修 改， 使系統(tǒng)適應不同頻率傳感器的靈活性減低， 但是 DDS 芯片可以解決這些問題。 DDS 技術是一種把 一系列數字量形式的信號通過 DAC 轉換成模擬量形式信 號的合成技術。目前使用最廣泛的一種 DDS 方式是利用高速存儲器作查尋表，然 后通過高速 DAC 產生已 經用數字形式存人的正弦波。 本系統(tǒng)選用的 D

6、DS 芯片是 AD 公司生產的 COMS 型 DDS 芯片 AD9850，該芯片 最高可支持 125 MHz 的時鐘頻率，32 位頻率調節(jié)字可用并行或串行方式裝入。 +3.3 V 或+5 V 供電，極低功耗，28 腳 SSOP 封裝。AD9850 有兩種裝載頻率調節(jié) 字的方式，無優(yōu)劣之分。AD9850 有 32 位調節(jié)字，分為 W0，W1，W2，W3，W4 五 個字節(jié)，每次只能寫入一個字節(jié)，當 W-CLK 腳變高時，寫入有效。FQ-UD 有效時， AD9850 讀取新的調節(jié)字，產生新 的頻率輸出。RESET 有效時，清除調節(jié)字寄存 器。 74HC574 是 8D 鎖存器，可將寫入的數據保存在輸

7、出端直到下次時鐘到來。 AD9850 的 W-CLK，FQ-UD 和 RESET 均通過 74HC574 連在 DSP 的 GPIOA 上，他們的 時序是通過寫入數據產生的。AD9850 的工作時序如圖 3 所示。 流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發(fā)射信號要有一定功率，因此功 率放大不可少。由于超聲波的頻 率較高(640 k 和 1.0 M)，進行功率放大時一般 的功率放大集成電路帶寬不夠，因此只好用功率晶體管搭放大電路。具體電路如 圖 4 所示。 該圖為推挽式放大電路， 為 NPN 管 (3DDSA)， 為 PNP 管(3CDSA)。 Q1 Q2 DDS-IN 接 DDS 的輸出，

8、變壓器的輸出接發(fā)送傳感器。 4 接收模塊 該模塊主要是將探頭接收到的信號進行調理， 得到含有流體流速信息的多普 勒頻 偏信號，供后續(xù)數字系統(tǒng)部分做進一步分析處理。接收探頭接收到的信號 分別通過中心頻率為 1 MHz 和 640 kHz 的窄帶帶通波器，濾去其中的低頻雜散噪 聲，放大以后送入解調器，輸出含有流速信息的低頻多普勒頻偏信號，然后送入 TMS320F2812 的 模數轉換器。具體電路如圖 5 所示。 TLE2072 是低噪聲高速 JFET 輸入運算放大器，他的單位增益帶寬可達 10 MHz， 能滿足信號放大帶寬的要求，電路中起到前置放大及阻抗變換的作用。MC1350 為可控增益選頻放大

9、器，中頻變壓器 T1(T2)諧振頻率為 640 kHz(1 MHz)，對信 號起帶通濾波的作用，輸出信號經 TLE2072 半波放大后，由 RC 濾波形成 MC1350 增益控制電壓，從而使輸人信號強度在較大范圍內變化 時得到一穩(wěn)定的輸出信 號，此電路可使輸入信號的波動范圍達 60 dB 時輸出保持穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定 工作。 接收信號放大電路輸出的信號相對于發(fā)射信號產生了頻移，此頻移在 0 3 kHz 范圍，反映流體的流速大小，由于此頻移相對于發(fā)射信號頻率較小，直接 進行頻率測量精度難以保證，所以采取混頻措施得到差頻信號。含有差頻信息的 高頻 信號通過 CD4053 模擬開關與發(fā)射信號的本振

10、方波(CP1 或 CP2)進行乘積運 算，經 TLE2072 阻抗變換后利用阻容濾波器進行低通濾波得到差頻信 號。 CD4053 是帶有邏輯電平轉換的 CMOS 模擬復用器解復用器。他是三個兩通 道的復用器，分別由數字控制輸入(A，B，C)和一 個固定輸入使能，每個輸入信 號選擇兩通道中的一個。他也可以用做解復用器，"CHANNEL INOUT"終端是輸 出，"COMMON OUTIN"終端是輸入。 5 DSP 系統(tǒng) TMS320F2812 數字信號處理器是 TI 公司最新推出的 32 位定點 DSP 控制器， 是目前控制領域最先進的處理器之一。其頻率高

11、達 150 MHz，大大提高了控制系 統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。因此本系統(tǒng)以 TMS320F2812 為核心，對采樣數據 進行加窗處理、FFT 變化求其功率譜、功率 譜的延伸、疊加等處理得到多普勒 頻偏值，求得流速。并將流速信息通過 SPI 傳送給單片機。 F2812 采用 3.3 V 和 1.8 V 雙電源供電，數字模擬地分離設計。DSP 和外圍 3.3 V 分開供電，LED1，LED2 和 LED3 可用來顯示電源供電情況。電源和地分模 擬和數字，用電感隔離。由 CPLD 提供各種控制信號，如讀、寫、復位等。 F2812 通過 SPISIMO，SPISOMI，SPICLK 和 SPIST

12、E 端口和單片機連接，來實現流速信息 的傳送。 6 電路板的設計 6.1 布局 對于主要模擬部分，在布局時得要遵守輸出模擬信號線最短輸出，輸入模擬 信號線最短輸入，模擬器件的模擬地以最短距離到地的原則。 在布線時，先布信號流的線，而后布其他信號線和電源，最后連接地線。 由于數字電路對信號抗干擾要求不高，作者在布局布線的時 候主要考慮以下幾 點： (1)信號線最短輸入、最短輸出，兩層的信號線采取交叉走線； (2)電源線到芯片要盡量短，并 要加粗； (3)高頻信號要盡量單獨走線。 (4)為了美觀，把貼片封裝的芯片盡量靠在一起，插針的盡量在一起。 6.2 電源 當系統(tǒng)中有數字電源和模擬電源時， 兩種

13、電源必須要分開， 一般有兩種方法： 第一是采用被動濾波電路，即在兩種電源之間自接加上電感 或者磁珠，這種方 法比較簡單；第二是從數字電源中利用電源模塊產生模擬電源，這樣也就是絕對 的分離了。本系統(tǒng)采取第一種方法。 6.3 地 系統(tǒng)中有數字地和模擬地，一般有兩種考慮方法： (1)采用一點相連； (2)采用電感或者磁珠相隔離。 在本系統(tǒng)中采用的是后者，分隔是通過一個 200 mH 的電感實現的。 7 結語 由于頻譜分析技術和雙頻法能大大提高超聲 波多普勒流量計的精度，本文綜合 兩種方法設計了超聲波多普勒流量計的硬件電路。以 DSP TMS320F2812 為核心對 兩路頻差信號分別進行采樣、加窗處

14、理、FFT 變換求功率譜和功率譜的延伸、疊 加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。 1本文由liyuqia貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 基于 DSP 的雙頻超聲波流量計硬件電路設計 超聲就是指頻率高出可聽頻率極限(即在 20 kHz 以上的頻段)的彈性振動，這 種振動以波動形式在介質中的傳播過程就形成超聲波。 超聲波技術應用于流量測 量的原理是：由超聲換能器產生的超聲波以某一 角度入射到流體中，在流體中 傳播的超聲波就載有流體流速的信息， 利用接收到的超聲波信號就可以測量流體 的流速和流量。上世紀 70 年代以后，由于集成電路技 術的

15、迅猛發(fā)展，高性能、 高穩(wěn)定性的鎖相技術的出現與應用，才使實用的超聲波流量計得以迅速發(fā)展。超 聲波流量計結構簡單，壓力損失小，而且使用方便，因而得 到了廣泛的應用。 根據超聲波聲道結構類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計； 根據超聲波 流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流 量計和河流流量計；根據對 信號的檢測原理，超聲波流量計非接觸測量方法分為：傳播時差法、多普勒法、 波束偏移法及流動超聲法等不同類型，其中傳播時差法又 分為直接時差法、相 位差法和頻差法。 雙頻超聲波多普勒流量計能夠產生兩組異頻、相互獨立的超 聲波信號， 兩種頻率用于識別和排除一系列的錯誤信號， 他能有效去除噪聲信號，

16、并將準確識別出的多普 勒信號進行平方放大。 本文給出了一種雙頻超聲波流量計的硬件電路設計方法。 2 總體的系統(tǒng)設計 整個系 統(tǒng)的硬件結構可以分為兩太模塊：超聲波發(fā)射、接收探頭及濾波放 大電路的設計和數字系統(tǒng)的設計，如圖 1 所示。發(fā)射探頭發(fā)射兩個己知的固定頻 率的獨立超聲波信 號，接收探頭負責接收含有流體的流速信息的超聲波。接收 到的超聲波分別被前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器及低通濾波器處理 獲得含有流體流速信息的 低頻模擬多普勒信號，再送到數字系統(tǒng)部分的 DSP(TMS320F2812) 的模數(AD)轉換器進行模數轉換。TMS320F2812 內部定 時中斷子程序進行數據采樣，采集

17、的數據送人環(huán)形數據緩沖區(qū)內，然后 TMS320F2812 對采樣數據進行加窗處理、FFT 變換求其功率譜、功率譜的延伸、 疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。單片機 C8051F236 通過 SPI 從 DSP 中讀出流速的數據，再根據輸入的儀表參數進行流量、累計流量等所需要的數據 量的計算，并通過液晶顯示器顯示。除了測量以外，還可以通過 鍵盤選擇執(zhí)行 安裝、測試、設置儀表和現場參數等多種操作。 系統(tǒng)總電路圖如圖 2 所示。 系統(tǒng)總共有 6 個模塊， 分別是電源模塊、 發(fā)射模塊(超 聲波產生和功率放大)、接收 模塊、DSP 模塊、擴展單元模塊和單片機模塊。 3 超聲波的產生與功率放大 多普勒

18、超聲波測量中傳感器的激勵方式有單載頻脈沖激勵、連 續(xù)正弦波激 勵和偽隨機碼信號激勵等，由于連續(xù)正弦信號的采集較為容易，也適于作頻譜分 析，因此選用這種方式。 超聲信號的頻移反映了流速 的信息，測準頻移是保證測量精度的關鍵，愈 少在頻譜中引入干擾分量愈好，因此我們需要源信號有較高的純度。一般的正弦 振蕩電路會有很多諧波分量，而且頻率 漂移較大，一旦調節(jié)好了頻率又不易修 改， 使系統(tǒng)適應不同頻率傳感器的靈活性減低， 但是 DDS 芯片可以解決這些問題。 DDS 技術是一種把 一系列數字量形式的信號通過 DAC 轉換成模擬量形式信 號的合成技術。目前使用最廣泛的一種 DDS 方式是利用高速存儲器作查

19、尋表，然 后通過高速 DAC 產生已 經用數字形式存人的正弦波。 本系統(tǒng)選用的 DDS 芯片是 AD 公司生產的 COMS 型 DDS 芯片 AD9850，該芯片 最高可支持 125 MHz 的時鐘頻率，32 位頻率調節(jié)字可用并行或串行方式裝入。 +3.3 V 或+5 V 供電，極低功耗，28 腳 SSOP 封裝。AD9850 有兩種裝載頻率調節(jié) 字的方式，無優(yōu)劣之分。AD9850 有 32 位調節(jié)字，分為 W0，W1，W2，W3，W4 五 個字節(jié)，每次只能寫入一個字節(jié)，當 W-CLK 腳變高時，寫入有效。FQ-UD 有效時， AD9850 讀取新的調節(jié)字，產生新 的頻率輸出。RESET 有效

20、時，清除調節(jié)字寄存 器。 74HC574 是 8D 鎖存器，可將寫入的數據保存在輸出端直到下次時鐘到來。 AD9850 的 W-CLK，FQ-UD 和 RESET 均通過 74HC574 連在 DSP 的 GPIOA 上，他們的 時序是通過寫入數據產生的。AD9850 的工作時序如圖 3 所示。 流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發(fā)射信號要有一定功率，因此功 率放大不可少。由于超聲波的頻 率較高(640 k 和 1.0 M)，進行功率放大時一般 的功率放大集成電路帶寬不夠，因此只好用功率晶體管搭放大電路。具體電路如 圖 4 所示。 該圖為推挽式放大電路， 為 NPN 管 (3DDSA)

21、， 為 PNP 管(3CDSA)。 Q1 Q2 DDS-IN 接 DDS 的輸出，變壓器的輸出接發(fā)送傳感器。 4 接收模塊 該模塊主要是將探頭接收到的信號進行調理， 得到含有流體流速信息的多普 勒頻 偏信號，供后續(xù)數字系統(tǒng)部分做進一步分析處理。接收探頭接收到的信號 分別通過中心頻率為 1 MHz 和 640 kHz 的窄帶帶通波器，濾去其中的低頻雜散噪 聲，放大以后送入解調器，輸出含有流速信息的低頻多普勒頻偏信號，然后送入 TMS320F2812 的 模數轉換器。具體電路如圖 5 所示。 TLE2072 是低噪聲高速 JFET 輸入運算放大器，他的單位增益帶寬可達 10 MHz， 能滿足信號放

22、大帶寬的要求，電路中起到前置放大及阻抗變換的作用。MC1350 為可控增益選頻放大器，中頻變壓器 T1(T2)諧振頻率為 640 kHz(1 MHz)，對信 號起帶通濾波的作用，輸出信號經 TLE2072 半波放大后，由 RC 濾波形成 MC1350 增益控制電壓，從而使輸人信號強度在較大范圍內變化 時得到一穩(wěn)定的輸出信 號，此電路可使輸入信號的波動范圍達 60 dB 時輸出保持穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定 工作。 接收信號放大電路輸出的信號相對于發(fā)射信號產生了頻移，此頻移在 0 3 kHz 范圍，反映流體的流速大小，由于此頻移相對于發(fā)射信號頻率較小，直接 進行頻率測量精度難以保證，所以采取混頻措施得

23、到差頻信號。含有差頻信息的 高頻 信號通過 CD4053 模擬開關與發(fā)射信號的本振方波(CP1 或 CP2)進行乘積運 算，經 TLE2072 阻抗變換后利用阻容濾波器進行低通濾波得到差頻信 號。 CD4053 是帶有邏輯電平轉換的 CMOS 模擬復用器解復用器。他是三個兩通 道的復用器，分別由數字控制輸入(A，B，C)和一 個固定輸入使能，每個輸入信 號選擇兩通道中的一個。他也可以用做解復用器，"CHANNEL INOUT"終端是輸 出，"COMMON OUTIN"終端是輸入。 5 DSP 系統(tǒng) TMS320F2812 數字信號處理器是 TI 公司最新推出的 32 位定點 DSP 控制器， 是目前控制領域最先進的處理器之一。其頻率高達 150 MHz，大大提高了控制系 統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。因此本系統(tǒng)以 TMS320F2812 為核心，對采樣數據 進行加窗處理、FFT 變化求其功率譜、功率 譜的延伸、疊加等處理得到多普勒 頻偏值，求得流速。并將流速信息通過 SPI 傳送給單片機。 F2812 采用 3.3 V 和 1.8 V