一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)及其簡(jiǎn)化算法

流體流量計(jì)的用途十分廣泛，在工業(yè)上，如石油、化工、水電等部門，流量計(jì)已經(jīng)成為對(duì)液體流量檢測(cè)必不可少的設(shè)備。超聲波流量測(cè)量技術(shù)是一種利用超聲波信號(hào)在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來(lái)測(cè)量流體流量的測(cè)量技術(shù)，作為一種新型的非接觸式流量計(jì)，它具有安裝簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)，時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量流量是目前廣泛應(yīng)用的一種方法。近幾年來(lái)，隨著FPGA和DSP的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的改進(jìn)使產(chǎn)品的測(cè)量精度得到了不斷提高。時(shí)差式超聲波流量計(jì)需要采用兩個(gè)超聲波探頭來(lái)進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收，通過(guò)測(cè)量超聲波自傳感器沿順、逆流方向傳播時(shí)的時(shí)間差計(jì)算流體流動(dòng)速度，由于該時(shí)間差很小，往往達(dá)到納秒量級(jí)甚至更低，測(cè)量超聲波傳播時(shí)間的精度是流量計(jì)測(cè)量精度的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)研究的問(wèn)題。針對(duì)上面的要求，在此設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和DSP的高精度超聲波流量計(jì)系統(tǒng)，利用FPGA和DSP分別實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)序控制和快速的數(shù)字信號(hào)處理，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。為提高測(cè)量精度，該系統(tǒng)在信號(hào)處理上主要采用插值和相關(guān)法，由于檢測(cè)和處理超聲波信號(hào)的運(yùn)算量大，對(duì)系統(tǒng)硬件要求很高，該系統(tǒng)結(jié)合滑動(dòng)窗口對(duì)相關(guān)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
    系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，其是由FPGA，DSP，MCU、切換電路、A／D轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制、外部RAM和LCD顯示等幾部分構(gòu)成的。DSP為數(shù)字處理核心，用于FIR濾波、相關(guān)運(yùn)算等大量數(shù)據(jù)處理，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序由FPGA控制，確保了時(shí)序的準(zhǔn)確性。

    超聲波換能器A，B在FPGA的控制下，輪流工作在發(fā)射和接收狀態(tài)．用以測(cè)量順流、逆流時(shí)超聲波傳播的時(shí)間差，其諧振頻率為1 MHz。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)選頻放大濾除了部分干擾信號(hào)，再由自動(dòng)增益控制AGC放大后送往A／D轉(zhuǎn)換器，以每次25 ns的轉(zhuǎn)換速度實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)到外部RAM中，整個(gè)過(guò)程都在FPGA的控制下進(jìn)行，確保了時(shí)序的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步提高運(yùn)行的速度，DSP首先將外部RAM中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到內(nèi)部RAM中，再進(jìn)行55階FIR濾波，經(jīng)過(guò)FIR濾波后的信號(hào)，其采樣速率較低，測(cè)量精度不夠高，為了提高精度，這里進(jìn)行了插值運(yùn)算，插值后的兩組信號(hào)再經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算處理，便得出流體順流和逆流的時(shí)間差，從而求出流體的流速。

2 滑動(dòng)窗口接收技術(shù)
    滑動(dòng)窗口是在接收信號(hào)到達(dá)的前后才有效的一個(gè)時(shí)間窗口，窗口之外的信號(hào)一概不予處理，這樣可以減小噪聲的干擾并降低運(yùn)算量。為保證檢測(cè)信號(hào)的有效性，必須先去掉接收端的干擾，采用窗口和脈寬檢測(cè)是兩個(gè)行之有效的方法。測(cè)量窗口的初始位置是根據(jù)人機(jī)對(duì)話輸入的參數(shù)設(shè)置的，并通過(guò)有效信號(hào)的檢測(cè)位置不斷調(diào)整窗口到合適的位置。窗口的設(shè)置限定了信號(hào)的接收范圍，在一定程度上消除了噪聲的干擾，同時(shí)也減少了要處理的信號(hào)樣本數(shù)，降低了運(yùn)算量。
    滑動(dòng)窗口的設(shè)置方法為：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)人機(jī)對(duì)話輸入的參數(shù)(管徑、壁厚及流體)，計(jì)算出信號(hào)自發(fā)射探頭到接收探頭所需傳播時(shí)間的近似值，根據(jù)該近似值控制數(shù)據(jù)采樣的開始時(shí)間，每組數(shù)據(jù)采集15000個(gè)點(diǎn)，由于采集的數(shù)據(jù)足夠多，完全可以保證有用數(shù)據(jù)能夠被采集到。經(jīng)過(guò)AGC電路的調(diào)整，當(dāng)采集到的信號(hào)幅度滿足要求時(shí)便對(duì)它們分別進(jìn)行FIR濾波，再根據(jù)幅值找出有用信號(hào)的最大值點(diǎn)并進(jìn)行信號(hào)有效性判斷，信號(hào)確定為有效后再進(jìn)行滑動(dòng)窗口調(diào)整，將有用信號(hào)移動(dòng)到有效窗口。由于換能器探頭的諧振頻率為1 MHz，采樣頻率為40 MHz，探頭發(fā)射信號(hào)為5個(gè)周期，考慮到探頭的余波，為了更好地采集接收信號(hào)，窗口寬度設(shè)定為800個(gè)信號(hào)點(diǎn)，即20個(gè)信號(hào)周期。圖2所示為窗口調(diào)整前部分內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，從上面可以看到兩組信號(hào)，前者幅度小，是超聲波沿管壁直接傳遞而形成的，其傳播速度快，傳播時(shí)間短，后者是超聲波沿正常路徑傳輸?shù)慕Y(jié)果，幅度較大，也是需要的有用數(shù)據(jù)。圖3是窗口調(diào)整后內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，可以看到，有效數(shù)據(jù)已被移動(dòng)到最左側(cè)的有效窗口中，后面的插值及相關(guān)運(yùn)算都是只對(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行。

3 插值及相關(guān)算法的簡(jiǎn)化
    在超聲波發(fā)生電路中，由同一觸發(fā)脈沖觸發(fā)2個(gè)相同的換能器產(chǎn)生超聲波，測(cè)量中2路采集信號(hào)具有很大的相似性，因此能對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。在超聲波流量計(jì)中，對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的要求很高，為了提高分辨率，可以采取一般的采樣方法，然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理中常用的插值算法，由軟件提高系統(tǒng)的采樣頻率，從而提高時(shí)間的分辨率。

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    換能器的諧振頻率為1 MHz，采樣頻率為40 MHz，采樣的時(shí)間分辨率為25 ns，對(duì)于超聲波流量計(jì)，這樣的分辨率是不夠的，還必須提高信號(hào)的采樣頻率，即進(jìn)行插值處理。如果采取先補(bǔ)“O”再濾波的方法，必須增加濾波器的階數(shù)，同時(shí)由于插值后樣本增加，濾波運(yùn)算所需要的時(shí)間會(huì)大大增加。因此該系統(tǒng)采用線性插值的方法，在相鄰2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間插人19個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)與插入前的相鄰點(diǎn)在同一直線上，這樣時(shí)間分辨率可以達(dá)到1．25 ns。該系統(tǒng)時(shí)間差的測(cè)量是通過(guò)比較兩組超聲波信號(hào)的皮爾遜積差相關(guān)系數(shù)的值來(lái)確定的，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法如下:設(shè)xi和yi分別代表兩組信號(hào)的采樣值，i=1，2，…，n。n為采樣數(shù)量，設(shè)x，y分別為兩組采樣信號(hào)的平均值有，

r稱為相關(guān)系數(shù)，其公式為：

    相關(guān)系數(shù)r的重要特征為：0<| r |<1，r為正值即正相關(guān)，r為負(fù)值即負(fù)相關(guān)。系統(tǒng)通過(guò)不斷改變兩組采樣信號(hào)的相位關(guān)系，同時(shí)計(jì)算出相關(guān)系數(shù)，當(dāng)相關(guān)系數(shù)最大時(shí)兩組采樣信號(hào)之間的相位差即為兩組信號(hào)的時(shí)間差值。
    因有效窗口兩端數(shù)據(jù)的變化很小(如圖3所示)，在小范圍內(nèi)改變兩組數(shù)據(jù)的相位關(guān)系后，可以認(rèn)為相關(guān)系數(shù)公式中的分母項(xiàng)的值是不變的，其不隨兩組采樣信號(hào)的移相變化而變化。因此，在判斷相關(guān)系數(shù)最大值時(shí)，只需計(jì)算相關(guān)系數(shù)公式中的分子式項(xiàng)n∑xiyi。一(∑xi)(∑yi)的值，然后判斷它的最大值即可，這樣可以大大地減少系統(tǒng)的運(yùn)算量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)的速度。

4 相關(guān)算法及其簡(jiǎn)化算法的仿真與比較
    為了檢驗(yàn)相關(guān)算法簡(jiǎn)化后對(duì)結(jié)果帶來(lái)的影響，把采集到窗口中的兩組數(shù)據(jù)經(jīng)濾波與插值后，通過(guò)Matlab分別對(duì)完整的相關(guān)算法及簡(jiǎn)化算法進(jìn)行仿真分析，仿真波形如圖4所示。

    其中上部為簡(jiǎn)化算法的仿真結(jié)果，下部為完整相關(guān)算法的仿真結(jié)果。圖5為一部分仿真數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，完整相關(guān)算法的相關(guān)系數(shù)據(jù)介于+1～-1之間，最大值(接近于1)出現(xiàn)在5001的位置。相比之下，簡(jiǎn)化算法的值大若干數(shù)量級(jí)，這是簡(jiǎn)化算法略去分母的結(jié)果，但這對(duì)計(jì)算沒(méi)有影響，只要得到最大值出現(xiàn)的時(shí)間，重要的是簡(jiǎn)化算法的最大值也出現(xiàn)在5001的位置，并且其波形與完整的相關(guān)算法幾乎一樣。由此可見，相關(guān)算法的簡(jiǎn)化并沒(méi)有對(duì)這里的計(jì)算帶來(lái)誤差。
    為進(jìn)一步證實(shí)系統(tǒng)的可用性，將該系統(tǒng)與寶麗聲DCT7088超聲波流量計(jì)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，被測(cè)管道為外徑為45 mm的鋼管，壁厚3．5 mm，管道中的水由循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變頻器控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)得到不同的流速，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，二者測(cè)量結(jié)果已經(jīng)十分逼近。

5 結(jié) 語(yǔ)
    這里以FPGA，DSP和MCU作為核心器件設(shè)計(jì)了一種時(shí)差式超聲波流量計(jì)，結(jié)合自動(dòng)延遲窗口技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了用于計(jì)算時(shí)間差的相關(guān)算法，提高了系統(tǒng)的性能。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及計(jì)算機(jī)仿真，表明該系統(tǒng)方案切實(shí)可行。