基于ARM處理器的多普勒法超聲波流量計(jì)

邱軍

摘? 要：多普勒法超聲波流量計(jì)是一種智能化的工業(yè)在線檢測(cè)儀表，利用非接觸式超聲波多普勒檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)，具有直觀、穩(wěn)定、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)基于飛思卡爾K60系列的ARM處理器，利用超聲多普勒原理實(shí)現(xiàn)流量檢測(cè)，利用Labview對(duì)軟件算法結(jié)果進(jìn)行捕獲分析，證明了本設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：ARM處理器;多普勒原理;DDS;FFT;CZT

超聲波流量計(jì)較傳統(tǒng)流量計(jì)有著不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，即安裝簡(jiǎn)單、非接觸測(cè)量、無壓力損失、無流體擾動(dòng)影響、適用于多種管徑、幾乎不需要維護(hù)等。本設(shè)計(jì)應(yīng)用ARM處理器實(shí)現(xiàn)超聲多普勒法對(duì)介質(zhì)流量的檢測(cè)。

1.多普勒法超聲波流量計(jì)原理

多普勒法超聲波流量計(jì)利用聲學(xué)多普勒原理，通過檢測(cè)散射體產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而得出流體的流速與流量值。其適用于檢測(cè)含有懸浮顆粒、氣泡等具有反射能力的兩項(xiàng)流場(chǎng)合，這也是其它流量計(jì)難以解決的。

當(dāng)流體中含有懸浮粒子，一束頻率為 的連續(xù)超聲波沿著與流速成 角方向傳播時(shí)，懸浮粒子散射的超聲頻率 與 之間服從多普勒關(guān)系，頻移 ，于是流速 ，式中 為被測(cè)介質(zhì)的聲速，若已知管道截面積為 ，則流量 。

2.硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)分為三個(gè)部分：主控部分、信號(hào)處理部分及外設(shè)部分。

2.1 主控部分

本設(shè)計(jì)主控部分選用基于Cortex-M4內(nèi)核的ARM處理器MK60FX512，它的AD采集器將接收電路回傳的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過FIR濾波、FFT及CZT變換后，計(jì)算出多普勒頻移，進(jìn)而求得流速、流量信息。

2.2 信號(hào)處理部分

2.2.1 信號(hào)發(fā)射部分

多普勒信號(hào)發(fā)射由K60控制DDS芯片產(chǎn)生固定頻率的方波或者正弦波，來驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)射超聲波信號(hào)。DDS芯片選用TI公司生產(chǎn)的低功耗LVCMOS時(shí)鐘芯片CDCE913，其應(yīng)用電路如圖1所示，S0為片選信號(hào)，S1為數(shù)據(jù)輸入，S2為時(shí)鐘輸入，Y1、Y2、Y3為頻率輸出。

2.2.2 信號(hào)接收部分

超聲波信號(hào)在經(jīng)過管壁和被測(cè)介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。本設(shè)計(jì)選用的超聲波換能器頻率為0.5～1MHz，產(chǎn)生的頻移在0～3KHz范圍內(nèi)，使用帶通濾波器將這個(gè)范圍的頻移信號(hào)選出，再通過與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行混頻處理后，用低通濾波器選出有用的頻移信號(hào)，供給主控ARM處理器的AD采集器。

2.3 外設(shè)部分

外設(shè)部分主要用于流速及流量顯示、485/232通信、4-20mA輸出、人機(jī)交互等功能。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行編寫，設(shè)計(jì)了FIR濾波、FFT及CZT等數(shù)據(jù)處理算法，并利用NI公司推出的labview軟件對(duì)算法結(jié)果進(jìn)行采集，以驗(yàn)證其正確性。軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖2示。

4.捕獲分析

利用MK60FX512的AD采集器，采集1MHz頻率的信號(hào)，經(jīng)過軟件算法處理后，輸出相應(yīng)的頻率，然后用labview軟件捕獲以上兩個(gè)頻率信號(hào)，如圖4所示。算法處理后的頻率波形，與原始信號(hào)的頻率波形是相符合的。

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以ARM處理器為核心的多普勒原理超聲波流量計(jì)，完成了整體的硬件和軟件設(shè)計(jì)。由于MK60FX512自帶DSP單元，其既能進(jìn)行系統(tǒng)控制與處理，又能精確、快速的計(jì)算流速、流量等數(shù)據(jù)，節(jié)省系統(tǒng)成本的同時(shí)又提高了系統(tǒng)可靠性。

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