1 理論分析
超聲波在懸浮液中傳播時,與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減,其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減,接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減,最后到達接收端。各種衰減的機理是很復(fù)雜的,但都是由懸濁粒子所引起,并與懸濁粒子的數(shù)目成比例,故在一定條件下衰減是和濃度成比例的,測知懸浮液的聲衰減系數(shù),就能求出濃度。設(shè)液體中有懸浮粒子時的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E。,液體中沒有懸濁粒子時的衰減率和接收電壓分別為a0和E0,發(fā)射、接收端之間的距離為L,發(fā)射電壓為Er,則:
根據(jù)上述兩個公式,懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)/L求得。
由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減,聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減,該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后,即可從測量電壓得到濃度值。
2 硬件設(shè)計
如圖1所示,整個系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心,采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串,經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動超聲波換能器,超聲波經(jīng)過懸濁液到達接收換能器,利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號進行對數(shù)放大,最后由微控制器對數(shù)據(jù)進行處理得出濃度值。系統(tǒng)還包括鍵盤、顯示、參數(shù)存儲、開關(guān)量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等部分。
2.1 主控芯片電路
本系統(tǒng)以美國Silab的高速混合信號ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計在超聲波發(fā)射和接收的時序上需要精確的控制,這不僅需要處理器的速度快,而且需要多個定時器;由接收單元返回的是低于2.5 V的電壓信號,需要經(jīng)過精確的A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給CPU處理。C8051F021的特點如下;
①高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達25 MIPS)。
②12位的片上SAR ADC,可編程轉(zhuǎn)換速率,最大100 kbps,可編程放大器增益。
③4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,64 KB Flash存儲器;可以在系統(tǒng)編程。
④5個通用16位計數(shù)器、定時器陣列,硬件SMBus、SPI及2個UART串口。
⑤功耗低(10 mA@20 MHz),多種節(jié)電休眠和停機方式。
2.2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串
直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進行頻率合成,不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位,還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器。AD9833是可編程的,通過高速串口外圍接口(SPI),只需要一個外部時鐘去產(chǎn)生簡單正弦波就可工作。AD9833可以在基于25 MHz的時鐘下產(chǎn)生0 Hz~12.5 MHz的波形。
超聲波發(fā)射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時鐘來源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI總線CLK、DATA、CS與微處理器的I/O口通過一片74HC244相連接。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器,用于增強信號帶負載能力。通過微處理的控制,AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波。AD9833的輸出與微控制器的選通信號EN在與非門的作用下,在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串,這個脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對超聲波換能器進行驅(qū)動。
2.3 超聲回波接收單元的對數(shù)放大器
在信號處理領(lǐng)域中,一些信號往往具有很寬的動態(tài)范圍。比如在雷達、聲納等系統(tǒng)中,需要處理的信號動態(tài)范圍可達120 dB以上;超聲波回波接收器前端的電壓也可以從“μV”級到“V”級。寬動態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計帶來很多問題。
在實際應(yīng)用中,一般會對所要處理的信號進行非線性壓縮。應(yīng)用最多的就是對數(shù)放大器。它使輸出信號和輸入信號的包絡(luò)成對數(shù)比例。它對信號動態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號的電平來控制增益,其增益與信號的大小成反比,在通信、雷達、超聲、電子對抗中有著廣泛的應(yīng)用。
如圖3所示,該方案采用單端輸入,有對數(shù)零點和斜率調(diào)節(jié)電路,將對數(shù)零點設(shè)在-84 dBm,斜率定為大約20 mV/dB。對數(shù)放大器后加一級緩沖(AD8031),主要作用有二:一是使接收模塊最終輸出是低阻抗的,提高抗干擾能力;二是通過這一級的電壓增益將對數(shù)斜率恢復(fù)到25 mV/dB 。設(shè)計的對數(shù)放大器信號輸入范圍定為-72 dBm(在50 Ω源阻抗時,-72 dBm相當(dāng)于振幅為±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅為±1 V的正弦波),相應(yīng)的對數(shù)輸出電壓為0.3~2.35 V,對數(shù)動態(tài)范圍82 dB 。該電路做成模塊形式,封裝在屏蔽罩中。所有引線(地線和輸出信號線除外)均通過穿心電容引出,穿心電容的外極接地,以提高屏蔽效果。
3 軟件設(shè)計
超聲波濃度計軟件由信號處理程序、界面程序、控制信號輸出程序、通信程序四部分組成,軟件總流程如圖4所示。信號處理程序?qū)崿F(xiàn)DDS控制、超聲波發(fā)射、回波信號A/D采集、信號綜合處理等功能,是軟件程序的重點。界面程序包括界面顯示、參數(shù)設(shè)置、鍵盤處理等功能,實現(xiàn)與用戶良好的溝通。控制信號輸出程序?qū)崿F(xiàn)了電流信號、繼電器信號、開關(guān)量的輸出,完成了工業(yè)現(xiàn)場控制的需要。通信程序按一定的協(xié)議送出儀表存儲的單次A/D值和綜合處理的顯示值,供儀器的性能校驗使用。
軟件程序的核心由超聲波發(fā)射(包含DDS脈沖合成)、超聲波回波A/D采集程序、信號濾波程序、濃度計算程序構(gòu)成。
3.1 超聲波發(fā)射程序、回波A/D采集程序
本系統(tǒng)選用的DDS是SPI總線的,在串口時鐘SCLK的作用下,數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設(shè)備上。FSYNC引腳是使能引腳,電平觸發(fā)方式,低電平有效。進行串行數(shù)據(jù)傳輸時,F(xiàn)SYNC引腳必須置低,要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時間的最小值。FSYNC置低后,在16個SCLK的下降沿數(shù)據(jù)被送到DDS的輸入移位寄存器,在第16個SCLK的下降沿FSYNC可以被置高,但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的數(shù)據(jù)保持時間的最小和最大值。當(dāng)然,也可以在FSYNC為低電平的時候,連續(xù)加載多個16位數(shù)據(jù),僅在最后一個數(shù)據(jù)的第16個SCLK的下降沿時將FSYNC置高。最后要注意的是,寫數(shù)據(jù)時SCLK時鐘為高低電平脈沖,但是,在FSYNC剛開始變?yōu)榈蜁r(即將開始寫數(shù)據(jù)時),SCLK必須為高電平。
通過微控制器的硬件SPI(使用微控制器的3個端口)可以控制DDS輸出0 Hz~12.5 MHz的方波。另外使用一個端口和DDS的輸出共同作為與非門的輸入,這樣就可以實現(xiàn)脈沖串的時長控制,開啟脈沖串輸出的同時對時長計數(shù),依據(jù)超聲波在礦漿中的傳送速度和發(fā)射接收傳感器的間距就可以判斷何時接收超聲波回波。利用片內(nèi)A/D采集超聲波回波,便可以對A/D采集到的數(shù)字信號進行處理。
3.2 信號濾波程序
常用的軟件濾波方法很多,包括限幅濾波法、中位值濾波法、算數(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣,采集到的信號沒經(jīng)過處理往往不能直接用,這樣就需要對采集到的A/D值進行濾波處理。由于現(xiàn)場的跳變是隨機的,所以不能用常規(guī)的濾波程序,需要用到限幅濾波法和消抖濾波法的綜合方法——限幅消抖濾波法。
限幅濾波法是根據(jù)經(jīng)驗判斷,確定兩次采樣允許的最大偏差值(設(shè)為A)。每次檢測到新值時判斷:如果本次值與上次值之差小于等于A,則本次值有效;如果本次值與上次值之差大于A,則本次值無效,放棄本次值,繼續(xù)下一次A/D采樣。
消抖濾波法是設(shè)置一個濾波計數(shù)器,將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較:如果采樣值等于當(dāng)前有效值,則計數(shù)器清零;如果采樣值大于或小于當(dāng)前有效值,則計數(shù)器加1,并判斷計數(shù)器是否大于等于上限N(溢出)。如果計數(shù)器溢出,則將本次值替換當(dāng)前有效值,并清零計數(shù)器。限幅消抖濾波程序能隨著現(xiàn)場的跳變做出相應(yīng)的改變,使信號處理更合理準(zhǔn)確。
3.3 濃度計算程序
濃度計算程序中包含濃度曲線擬合和溫度補償兩部分。
曲線擬合是用連續(xù)曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系的一種數(shù)據(jù)處理方法。濃度曲線擬合經(jīng)過多次的試驗校正,采用了2條一次曲線和1條二次曲線,確保濃度的最大程度擬合。同時由于現(xiàn)場不同環(huán)境的需要,設(shè)置了一些擬合參數(shù),以便于隨時調(diào)整。
溫度變化給超聲波傳感器實際測量帶來誤差,表現(xiàn)在微控制器對超聲波回波A/D采集上產(chǎn)生非線性變化。為了解決這個問題,必須進行溫度補償,找出它們之間的關(guān)系,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)用擬合法求出各溫度時的傳感器靜態(tài)輸出特性的擬合多項式,將各個擬合參數(shù)b0,b1,b2,…,bk寫入程序,對微控制器片上A/D采集到的超聲波回波數(shù)據(jù)進行溫度補償,即由輸入溫度和A/D值查找和計算相應(yīng)的補償后的正確值,確保濃度數(shù)據(jù)的正確性。
結(jié) 語
本文討論了超聲波濃度計的實現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù),發(fā)射電路采用DDS,接收電路采用對數(shù)放大器,經(jīng)工程實踐證明,這些方法都是可行的。但由于自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境干擾,該產(chǎn)品的精度還有待提高。