超聲波流量計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　1.引言</b></p><p>　　研究利用超聲波測(cè)量流體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了。1928年，法國(guó)人0.Rutten研制成功了世界上第一臺(tái)超聲流量計(jì)。但為了使超聲波流量計(jì)有一定的精度，時(shí)差法超聲波流量計(jì)要求對(duì)時(shí)間的測(cè)量至少有10mS，這在當(dāng)時(shí)是很難做到的。1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法的MAXSON流量計(jì)在美國(guó)研制成功，用于航空燃料油流量的測(cè)量。50年代末期，超聲

2、波流量計(jì)由理論研究階段進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用時(shí)期。但由于電子線路太復(fù)雜而未占有牢固的地位[1]。</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)的70年代以后，由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度的時(shí)間測(cè)量成為一件輕而易舉的事，再加上高性能、工作非常穩(wěn)定的鎖相技術(shù)(PLL)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得超聲波流量計(jì)的可靠性得到了初步的保證，同時(shí)為了消除聲速變化對(duì)測(cè)量精度的影響，出現(xiàn)了頻差法超聲流量計(jì)。鎖相頻差法測(cè)量周期短，響應(yīng)速度快，而且?guī)缀跬耆?/p>

3、了聲速對(duì)測(cè)量精度的影響，因而這種方法成為測(cè)量大管徑大流量超聲流量計(jì)的主要方案，缺點(diǎn)是測(cè)量小管徑小流量時(shí)精度得不到保證。同一時(shí)期，前蘇聯(lián)科技工作者對(duì)管道內(nèi)流體的流速分布規(guī)律作了大量深入細(xì)致的研究，指出管道內(nèi)流體流動(dòng)存在兩種狀態(tài)：層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)，并給出了層流狀態(tài)下的理論計(jì)算公式，為超聲波流量計(jì)進(jìn)一步提高測(cè)量精度打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。至此，超聲波流量計(jì)的研究和應(yīng)用才蓬勃發(fā)展起來(lái)，超聲流量計(jì)的種類也越來(lái)越多，相繼出現(xiàn)了波束偏移法、多普勒法、

4、相關(guān)法及噪聲法等。其中波束偏移法是利用超聲波在流體中傳播時(shí)因流體流動(dòng)產(chǎn)生的波束的偏移量的大小來(lái)測(cè)量流量，這種方法靈敏度低，只能用來(lái)測(cè)量大管徑大流量;多普勒法利用不純凈流體中散射體的多普勒頻移來(lái)測(cè)量流量，特別適用于不純凈流體的流量測(cè)量；相關(guān)法利用相關(guān)技術(shù)</p><p>　　到了80年代中后期，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使超聲流量計(jì)向高性能、智能化的方向發(fā)展。由于使用了單片機(jī)作中央處理單元，系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)

5、據(jù)處理、進(jìn)一步提高了超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，而且還能設(shè)計(jì)出友好的人機(jī)界面，使系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)檢錯(cuò)排錯(cuò)功能以及其他一些輔助功能，大大方便了用戶的操作和使用。單片機(jī)在超聲流量計(jì)中的應(yīng)用，是超聲流量計(jì)開始真正進(jìn)入工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。</p><p><b>　　2 課題研究背景</b></p><p>　　2.1 超聲波流量計(jì)的現(xiàn)狀</p><p>

6、;　　近10年來(lái)，基于高速數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)與微處理器技術(shù)的進(jìn)步，基于新型探頭材料與工藝的研究，基于聲道配置及流動(dòng)力學(xué)的研究，超聲流量測(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，顯示了它強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成了迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，其潛在的巨大的生命力是顯而易見的。</p><p>　　超聲流量測(cè)量技術(shù)的基本原理是利用超聲波在流.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。超聲波流量計(jì)一般.由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三

7、部分組成。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，將其發(fā)射并穿過(guò)被測(cè)流體，接收換能器接收到超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)，供顯示和積算，這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)顯示。</p><p>　　在國(guó)外，以美國(guó)Controlotron公司和Ploysonics公司為代表的產(chǎn)品較多的采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如“同步調(diào)制”和FFT技術(shù)，他們廣泛的采用以DSP為核心的數(shù)字處理電路，從而能夠更快實(shí)時(shí)的處理超聲信號(hào)，同

8、時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的算法，如Ploysonics公司的DDF3088型是該公司的新一代全數(shù)字化便攜式多普勒流量計(jì)，它采用了數(shù)字濾波和數(shù)字頻譜分析技術(shù)，能自動(dòng)識(shí)別多普勒信號(hào)與噪聲信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，采用了高分別率的液晶顯示，可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多普勒分析。在測(cè)量方法方面有的利用改進(jìn)的時(shí)差法，用以消除速度受溫度的影響，還有將時(shí)差法與多普勒法的組合，如Controlotron公司研制的480型超聲流量計(jì)，這樣使得產(chǎn)品的實(shí)用范圍更廣。但由于國(guó)外的

9、產(chǎn)品的價(jià)格比較高（每臺(tái)約為5～10萬(wàn)元左右），所以限制了在國(guó)內(nèi)的大量使用[2]。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)的廠家生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比較便宜，但總體性能差，主要用于測(cè)量比較容易的大管徑管道中流體的測(cè)量。他們多采用的方法是時(shí)差法，以單片機(jī)為系統(tǒng)核心進(jìn)行信號(hào)處理。但由于受單片機(jī)速度的限制，所以只能進(jìn)行一些比較簡(jiǎn)單的算法，如通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)流速的計(jì)算。同時(shí)由于一般的時(shí)差法受溫度的影響比較大，所以在精度上面就不會(huì)

10、很高。如南京亞楠公司生產(chǎn)的ZLC系列流量計(jì)是國(guó)內(nèi)率先采用多脈沖發(fā)射和接收寬帶技術(shù)，并帶有微機(jī)控制的新型超聲波時(shí)差式流量計(jì)。近幾年來(lái)由于DSP和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，以及以基于DSP為核心的數(shù)字信號(hào)處理電路技術(shù)日益成熟和廣泛使用，使得可以采用以DSP為處理核心的超聲波流量計(jì)來(lái)廣泛取代國(guó)內(nèi)的以單片機(jī)為核心的超聲波流量計(jì)，從而可利用數(shù)字信號(hào)處理的一些技術(shù)來(lái)改善產(chǎn)品的測(cè)量精度，如FFT、數(shù)字濾波、插值運(yùn)算、相關(guān)運(yùn)算，從而來(lái)提高系統(tǒng)測(cè)量的精

11、度。通過(guò)這些改進(jìn)使國(guó)內(nèi)流量計(jì)的性能已達(dá)到國(guó)外的水平，從而能更好的為國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。</p><p>　　2.2 超聲波流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　超聲波流量計(jì)正在快速發(fā)展成為流量測(cè)量領(lǐng)域，尤其是計(jì)量碳?xì)浠衔锏氖走x。ARC這份名為《世界超聲波流量計(jì)前景展望》的主要作者、自動(dòng)化分析師Allen Avery表示：“盡管超聲波流量測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)十年了，其應(yīng)用范圍卻非常小。而隨著用

12、戶逐漸認(rèn)識(shí)到超聲波流量計(jì)的眾多優(yōu)點(diǎn)，包括高精確度、無(wú)阻礙測(cè)量以及較低的總體擁有成本等，這一情況將逐漸改觀?！?</p><p>　　在石油和天然氣領(lǐng)域快速普及 最近幾年超聲波流量計(jì)市場(chǎng)的一切增長(zhǎng)，幾乎都是由于這種產(chǎn)品在石油和天然氣領(lǐng)域銷量的增加而帶來(lái)的。超聲波流量計(jì)在這一領(lǐng)域的銷量比起以前將近翻了一倍。由于AGA9監(jiān)護(hù)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的推廣，天然氣的監(jiān)護(hù)運(yùn)輸市場(chǎng)已經(jīng)基本成形。在2003年到2005年間，監(jiān)護(hù)運(yùn)輸量增加了三

13、倍多，而這一領(lǐng)域占超聲波流量計(jì)銷售的5%。只有液體碳?xì)浠衔锉O(jiān)護(hù)運(yùn)輸?shù)腁PI和OIML標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)得到推廣，超聲波流量計(jì)才能在這個(gè)領(lǐng)域普及。</p><p>　　超聲波流量計(jì)具有高精確度和低總體擁有成本 不論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上看，超聲波測(cè)量?jī)x器都是流量測(cè)量的理想選擇。通過(guò)多光束和數(shù)字信號(hào)處理，超聲波測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)量精確度。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒(méi)有移動(dòng)的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會(huì)阻擋

14、或者減慢管道中氣體或者液體的流動(dòng)。它能夠準(zhǔn)確地測(cè)量液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需像機(jī)械型技術(shù)那樣得到驗(yàn)證。高靈敏度使其可以檢測(cè)到管道中的任何泄漏，并可以測(cè)量和補(bǔ)充各種會(huì)影響監(jiān)護(hù)運(yùn)輸領(lǐng)域中的測(cè)量準(zhǔn)確度的變量。 亞洲和中東市場(chǎng)增長(zhǎng)最大 亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計(jì)的增長(zhǎng)將會(huì)是最大的。中國(guó)和印度將會(huì)在基礎(chǔ)設(shè)施和新工廠上大舉投資。中國(guó)能源缺乏，為了尋找推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的能源，將會(huì)對(duì)其石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管

15、道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產(chǎn)中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計(jì)供應(yīng)商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個(gè)大型發(fā)電及海水淡化廠上進(jìn)行投資。相比之下，北美市場(chǎng)的增長(zhǎng)則顯得相對(duì)平淡，但由于這一地區(qū)在石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)自動(dòng)化上的投資，北美市場(chǎng)將仍然具有可觀的增長(zhǎng)。</p><p>　　2.3 超聲波流量計(jì)的市場(chǎng)前景</p><p>　　隨著石油和天然氣工業(yè)的強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)，以及行業(yè)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

16、技術(shù)的逐步接受，超聲波流量計(jì)的全球市場(chǎng)總額將在今后5年內(nèi)以9.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng)。ARC Advisory Group最近的一份報(bào)告指出，2005年該市場(chǎng)總值為2.75億美元，到2010年將超過(guò)4.34億美元。 </p><p>　　超聲波流量計(jì)正在快速發(fā)展成為流量測(cè)量領(lǐng)域，尤其是計(jì)量碳?xì)浠衔锏氖走x。ARC這份名為《世界超聲波流量計(jì)前景展望》的主要作者、自動(dòng)化分析師Allen Avery表示：“

17、盡管超聲波流量測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)十年了，其應(yīng)用范圍卻非常小。而隨著用戶逐漸認(rèn)識(shí)到超聲波流量計(jì)的眾多優(yōu)點(diǎn)，包括高精確度、無(wú)阻礙測(cè)量以及較低的總體擁有成本等，這一情況將逐漸改觀?！?</p><p>　　石油和天然氣領(lǐng)域快速普及，最近幾年超聲波流量計(jì)市場(chǎng)的一切增長(zhǎng)，幾乎都是由于這種產(chǎn)品在石油和天然氣領(lǐng)域銷量的增加而帶來(lái)的,超聲波流量計(jì)在這一領(lǐng)域的銷量比起以前將近翻了一倍。由于AGA9監(jiān)護(hù)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的推廣，天然氣的監(jiān)

18、護(hù)運(yùn)輸市場(chǎng)已經(jīng)基本成形。在2003年到2005年間，監(jiān)護(hù)運(yùn)輸量增加了三倍多，而這一領(lǐng)域占超聲波流量計(jì)銷售的5%。只有液體碳?xì)浠衔锉O(jiān)護(hù)運(yùn)輸?shù)腁PI和OIML標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)得到推廣，超聲波流量計(jì)才能在這個(gè)領(lǐng)域普及。 </p><p>　　超聲波流量計(jì)具有高精確度和低總體擁有成本 ，不論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上看，超聲波測(cè)量?jī)x器都是流量測(cè)量的理想選擇。通過(guò)多光束和數(shù)字信號(hào)處理，超聲波測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)量精確度。與傳統(tǒng)

19、的渦輪式儀表不同，它沒(méi)有移動(dòng)的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會(huì)阻擋或者減慢管道中氣體或者液體的流動(dòng)。它能夠準(zhǔn)確地測(cè)量液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需像機(jī)械型技術(shù)那樣得到驗(yàn)證。高靈敏度使其可以檢測(cè)到管道中的任何泄漏，并可以測(cè)量和補(bǔ)充各種會(huì)影響監(jiān)護(hù)運(yùn)輸領(lǐng)域中的測(cè)量準(zhǔn)確度的變量。 </p><p>　　亞洲和中東市場(chǎng)增長(zhǎng)最大 ，亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計(jì)的增長(zhǎng)將會(huì)是最大的。中國(guó)和印度將會(huì)在基礎(chǔ)設(shè)施和新工廠上大舉投資

20、。中國(guó)能源缺乏，為了尋找推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的能源，將會(huì)對(duì)其石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產(chǎn)中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計(jì)供應(yīng)商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個(gè)大型發(fā)電及海水淡化廠上進(jìn)行投資。相比之下，北美市場(chǎng)的增長(zhǎng)則顯得相對(duì)平淡，但由于這一地區(qū)在石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施及工業(yè)自動(dòng)化上的投資，北美市場(chǎng)將仍然具有可觀的增長(zhǎng)。</p><p>　　3.超

21、聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)方案及分析</p><p>　　3.1超聲流量計(jì)的分類</p><p>　　超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測(cè)量主要依據(jù)是：當(dāng)超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就會(huì)載有流體流速的信息。超聲波流量計(jì)對(duì)信號(hào)的發(fā)生、傳播及檢測(cè)有著各種不同的設(shè)置方法，從而構(gòu)成了不同原理的超聲流量計(jì)，其大致可分為傳播速度差法（包括：時(shí)差法、相位差法、頻差法），多普勒法，相關(guān)法等等。</p>&

22、lt;p><b>　　3.2傳播速度差法</b></p><p>　　傳播速度差法是根據(jù)超聲波在流動(dòng)的流體中，順流及逆流傳播時(shí)的速度之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系來(lái)求流速或流量的方法。按其所測(cè)的物理量的不同，傳播速度差法又可分為(直接)時(shí)差法、相位差法和頻差法三種。時(shí)差法就是直接測(cè)量超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差，它適用于大、中口徑管道及明渠流量的測(cè)量，但時(shí)差法流量計(jì)受溫度的影響較大，流體

23、溫度變化對(duì)這種系統(tǒng)測(cè)量精確度的影響是不能忽視的，實(shí)驗(yàn)表明，在使用在機(jī)玻璃聲楔的條件下，流體溫度每變化10℃，就會(huì)給測(cè)量增加1%左右的誤差，并且聲速的溫度系數(shù)不是常數(shù);另外，當(dāng)流體的組成或密度變化時(shí)，也將引起聲速的變化，從而影響測(cè)量精度。其發(fā)展方向是提高計(jì)時(shí)精度和設(shè)法降低溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。頻差法是通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)兩組閉路循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)頻率之差來(lái)測(cè)得流量。頻差法精度高、受溫度影響較小，但受環(huán)境影響較大，工作不穩(wěn)定。相位差法通過(guò)把時(shí)間

24、差轉(zhuǎn)換為相位差，避免了測(cè)量微小的時(shí)間差，可提高測(cè)量的精度，但受溫度的影響依然很大。</p><p><b>　　3.3多普勒法</b></p><p>　　多普勒法利用的是聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測(cè)量不均勻流體中散射體的超聲波多普勒頻移來(lái)確定流體的流量。這一技術(shù)已在醫(yī)療儀器上得到了重要的應(yīng)用，多普勒流速計(jì)現(xiàn)在已成非觀血的、無(wú)侵襲的臨床測(cè)量血流的重要手段。在工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域中，

25、多普勒流量計(jì)可以用來(lái)測(cè)量含泥沙的河水、污水等含有較大顆粒的流體流量。但是，多普勒流量計(jì)多數(shù)情況下測(cè)量精度不高。其工作原理是流體管道內(nèi)任何流動(dòng)的液體都存在不連續(xù)的擾動(dòng)，諸類不連續(xù)的擾動(dòng)可以是懸浮的固體顆粒，氣泡或由于流體擾動(dòng)而引起的界面，這種擾動(dòng)使反射的超聲波產(chǎn)生頻移，頻移是流速的線性函數(shù)。通過(guò)測(cè)量頻移，即可測(cè)量管道內(nèi)流速（或流量）。</p><p>　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，多普勒超聲波流量計(jì)的發(fā)展不僅可測(cè)量帶懸浮顆粒

26、及氣泡的污濁液體，也可測(cè)量純凈流體。大洋伯斯特DS多普勒流量計(jì)就具備這種特點(diǎn)。</p><p><b>　　3.4相關(guān)法</b></p><p>　　相關(guān)法利用流體內(nèi)部自然產(chǎn)生的隨機(jī)流動(dòng)噪聲現(xiàn)象，將流體的流速測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為流體通過(guò)相距一定距離的兩截面的時(shí)間間隔的測(cè)量問(wèn)題，運(yùn)用相關(guān)測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)流體流速的在線測(cè)量。根據(jù)測(cè)量原理，流速的測(cè)量精度主要取決于渡越時(shí)間和兩個(gè)平行

27、的超聲波波束之間距離的測(cè)量精度。由于是測(cè)量?jī)蓚€(gè)固定波束之間的渡越時(shí)間，因此，測(cè)量結(jié)果不受流體中聲速變化和流體性質(zhì)的影響，但流體的流場(chǎng)分布影響流速的測(cè)量精度。由于超聲波互相關(guān)流量計(jì)的這些特點(diǎn)，其應(yīng)用前景非?？春?，一些發(fā)達(dá)國(guó)家在這一領(lǐng)域加大投資，尤其是德國(guó)和英國(guó)，在此領(lǐng)域進(jìn)行了較全面的研究工作，其中德國(guó)科學(xué)研究院1998年批準(zhǔn)資助兩個(gè)大學(xué)8個(gè)研究所在此領(lǐng)域開展研究工作。</p><p>　　4 時(shí)差法超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)

28、</p><p>　　4.1時(shí)差法測(cè)量原理及主要特點(diǎn)</p><p>　　本論文研究的是基于時(shí)差法的超聲波液體流量計(jì)，其管段內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖1所示，換能器1，2相對(duì)于管道軸線的安裝角是，管徑為，兩個(gè)換能器之間的距離為，流體流動(dòng)方向如圖所示：</p><p>　　圖1 時(shí)差法測(cè)量流量原理圖</p><p>　　當(dāng)流體以速度流動(dòng)時(shí)，超聲波的實(shí)

29、際傳播速度是聲速和流體在聲道方向上的速度分量的疊加，即：</p><p>　　超聲波信號(hào)在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間分別為：</p><p>　　t順 =t2→1 == （4.1）</p><p>　　t逆 =t1→2 == （4.2）</p><p>　　式中：為一次裝置管內(nèi)徑，為兩個(gè)

30、換能器之間的距離，為超聲波在靜止介質(zhì)中的傳播速度，故：</p><p>　　△t = t順 — t逆 = （4.3）</p><p>　　一般情況下，聲波在液體中的傳播速度在1000m/s以上，而多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中的流速遠(yuǎn)小于聲速，即 ，所以時(shí)間差可以近似簡(jiǎn)化為：</p><p>　　△t = t順 — t逆 =

31、 （4.4）</p><p><b>　　即：</b></p><p><b>　　（4.5）</b></p><p><b>　　體積流量表達(dá)式：</b></p><p><b>　?。?.6）</b>&

32、lt;/p><p>　　式中：為管道的橫截面積，為流體在管道內(nèi)的流動(dòng)速度。</p><p>　　由上式可以看出，由于一次裝置內(nèi)徑，換能器與軸線夾角可以通過(guò)實(shí)際情況測(cè)量得到，所以當(dāng)聲速一定時(shí)，只要測(cè)的時(shí)間差，就可以按式子（4.5）求得流速u，進(jìn)而由式子（4.6）求得流體的體積流量[15]。</p><p>　　時(shí)差法測(cè)量流量具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><

33、;p>　　a) 由于時(shí)差法超聲波流量計(jì)采用了精密的時(shí)差法檢測(cè)，并有信號(hào)的自動(dòng)跟蹤，溫度的自動(dòng)補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)的技術(shù)，因此它具有運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)量準(zhǔn)確可靠，儀表的運(yùn)算和顯示精度較高的特點(diǎn)。</p><p>　　b) 對(duì)被測(cè)介質(zhì)來(lái)說(shuō)，超聲波流量計(jì)屬于非接觸測(cè)量，在安裝過(guò)程中不損壞管路，可以滿足工廠工藝生產(chǎn)用水不斷流的要求，安裝極為方便。</p><p>　　c) 在測(cè)量時(shí)，管道中沒(méi)有節(jié)流器件，流體

34、不存在壓力損失，非常有利于節(jié)約能源。</p><p>　　d) 電子線路的集成度高，幾乎不需要維護(hù)與修理，編程靈活簡(jiǎn)單，用戶輸入的數(shù)據(jù)為常用的原始數(shù)據(jù)，不需要經(jīng)過(guò)人工的計(jì)算，省時(shí)省力。</p><p>　　基于相關(guān)分析的時(shí)延估計(jì)方法是一種提出較早的時(shí)延估計(jì)方法, 該算法原理簡(jiǎn)單、 容易理解、 研究充分,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值.數(shù)字信號(hào)處理器DSP[2] 在數(shù)字濾波, 快速卷積,相關(guān)以及快速

35、傅里葉變換等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì), 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、 通信信號(hào)處理、 語(yǔ)音信號(hào)處理、 儀器設(shè)備、 數(shù)字圖像處理以及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。為此, 本文研究了利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP 實(shí)現(xiàn)基于相關(guān)分析的時(shí)延估計(jì)方法。為了提高測(cè)量低速液體的精度及抗干擾能力，可以結(jié)合FFT算法對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理再用相關(guān)法處理[18]。</p><p>　　鑒于DSP處理器在信號(hào)處理方面高速的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)應(yīng)采用以DSP為數(shù)據(jù)處理的核

36、心。</p><p>　　為了進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，即需要的是一組數(shù)據(jù)，所以在發(fā)射電路方面就不能發(fā)射單脈沖，而是采用多脈沖，或者調(diào)制波方案。同樣對(duì)接收信號(hào)的檢測(cè)就不能通過(guò)單點(diǎn)的判斷，而是首先通過(guò)ADC將信號(hào)進(jìn)行采樣，再利用數(shù)字信號(hào)處理的一些方法將流速計(jì)算出[6]。</p><p>　　在信號(hào)處理方面，由于順流、逆流兩次發(fā)射的信號(hào)相同，通過(guò)的介質(zhì)相同，所以接收到的兩組信號(hào)在時(shí)間域上只是一個(gè)

37、簡(jiǎn)單的時(shí)間延遲和一些噪聲，這樣我們可以采用相關(guān)法超聲流量計(jì)的思想，通過(guò)對(duì)兩組信號(hào)的相關(guān)處理來(lái)計(jì)算出，從而計(jì)算出流速v。出，從而計(jì)算出流速v。</p><p>　　4.2激勵(lì)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)及頻譜的MATLAB仿真</p><p>　　合理選擇激勵(lì)信號(hào)有助于穩(wěn)定可靠地估計(jì)TOF。圖2是63位幅度為1、周期為127的PRBS信號(hào)及其自相關(guān)函數(shù)、PRBS調(diào)制信號(hào)及其頻譜。載波頻率為1MHz，每位

38、PRBS包含8個(gè)載波周期，驅(qū)動(dòng)信號(hào)幀長(zhǎng)約為0.5ms。可以看出，PRBS自相關(guān)函數(shù)主瓣幅度很高，寬度為0.016ms[19]。圖3是一幀0.05ms的LFM信號(hào)、自相關(guān)函數(shù)及其頻譜。信號(hào)頻率從0.83MHz 線性增加到1.2MHz, 中心頻率為1MHz。圖4是與圖3相對(duì)應(yīng)的DRLFM信號(hào)及其相關(guān)函數(shù)與頻譜，采樣頻率為20Msps。從圖3(b)及圖4(b)可以看出，相關(guān)函數(shù)的主瓣很窄，第一副瓣高度約為主瓣高度的46%，而其寬度卻比PRBS

39、調(diào)制信號(hào)窄得多，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幀長(zhǎng)也比PRBS調(diào)制信號(hào)短得多。從頻譜圖上看，LFM信號(hào)帶寬略寬于PRBS調(diào)制信號(hào)，但仍在其帶寬內(nèi)，可以高效率傳輸。由于LFM及DRLFM是連續(xù)漸變信號(hào)，起振與拖尾現(xiàn)象[16]的影響不大。</p><p>　　圖2 單位PRBS的自相關(guān)函數(shù)及其調(diào)制信號(hào)頻譜, PRBS周期為127，載波頻率是1MHz (a) 63位PRBS； (b)PRBS自相關(guān)函數(shù)；(c) PRBS調(diào)制信號(hào)；(d)P

40、RBS調(diào)制信號(hào)的頻譜</p><p>　　圖3 LFM的自相關(guān)函數(shù)及其頻譜 (a)LFM信號(hào)；(b)自相關(guān)函數(shù)；(c) LFM的Fourier變換幅度</p><p>　　圖4 DRLFM的自相關(guān)函數(shù)及其Fourier變換模</p><p>　　4.3時(shí)差算法的具體實(shí)現(xiàn) </p><p>　　4.3.1系統(tǒng)的硬件方案</p>

41、<p>　　圖5 系統(tǒng)硬件方案</p><p>　　前面已經(jīng)簡(jiǎn)單地給出了系統(tǒng)方案，這里再詳細(xì)地給出系統(tǒng)的硬件方案，如圖所示，系統(tǒng)分成三個(gè)部分：以模擬電路為主的前端電路，以DSP為核心的信號(hào)處理電路，以MCU為核心的后端服務(wù)電路。</p><p>　　下面將詳細(xì)的介紹各部分的硬件組成和功能。</p><p>　　4.3.2切換單元電路設(shè)計(jì)</p&g

42、t;<p>　　這一部分的作用是用來(lái)切換兩個(gè)探頭和發(fā)射、接收電路之間的連接的。作為對(duì)模擬信號(hào)的切換，可以有以下三個(gè)方案可以選擇。</p><p>　?。?）用繼電器進(jìn)行切換。當(dāng)信號(hào)接通后，由于繼電器實(shí)際上就是導(dǎo)線，所以不存在信號(hào)失真的現(xiàn)象。但繼電器的開關(guān)頻率有限，而且有一定的總開關(guān)次數(shù)限制，一般在100萬(wàn)次。</p><p>　?。?）采用模擬開關(guān)。起初作者采用了這種方案，模

43、擬開關(guān)開關(guān)頻率高， CMOS模擬開關(guān)不行，CMOS開關(guān)頻率在1MHz，不適用于中心頻率為1MHz的超聲波電路。在實(shí)用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，由于切換的雙方是接收到的微弱的超聲信號(hào)和用于發(fā)射的高壓信號(hào)，難以找到既能夠承受高壓又能使得傳輸?shù)奈⑷跣盘?hào)失真較小的芯片，所以最終放棄了此方案。</p><p>　?。?）采用分立元器件，利用二極管的開關(guān)特性來(lái)控制開關(guān)。這種方法能夠有很高的開關(guān)頻率，能承受高壓，但作者在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)信號(hào)

44、失真太大，估計(jì)跟發(fā)射信號(hào)的功率有關(guān)。鑒于以上原因，作者暫時(shí)選用了繼電器方案，這樣可以簡(jiǎn)化項(xiàng)目的難度，而且控制繼電器開關(guān)所需要的12V電平，發(fā)射電路中的CD4504正好能夠提供。</p><p>　　4.3.3放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)中接收到的超聲波信號(hào)有以下特點(diǎn)：</p><p>　　從超聲探頭接收到的信號(hào)的幅值的范圍大概為0.1mV～10mV，而一般

45、ADC需要采樣的信號(hào)的最大幅值為5V，所以得要放大54dB～94dB，即放大電路的增益為74dB±20dB；</p><p>　　接收到的超聲信號(hào)是一個(gè)以2.5 MHz為中心的窄帶信號(hào)；由于后續(xù)信號(hào)處理采用的是相關(guān)算法，所以對(duì)放大電路的抗干擾要求不高；</p><p>　　鑒于以上特點(diǎn)，作者提出了一種可控諧振三級(jí)放大電路的方案。其中前兩節(jié)是以MAX435/436為核心的固定諧振放

46、大電路，第三級(jí)是以AD603為核心的可程控增益放大電路?？紤]ADC603，可以實(shí)現(xiàn)±20dB的變換。這樣MAX435、MAX436兩級(jí)得要放大74dB，每一級(jí)需要37dB即可。如果信號(hào)的范圍不在0.1mv～10mv之間，則需要通過(guò)手工調(diào)節(jié)可變電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　由于超聲是一個(gè)窄帶信號(hào)，且由圖4.5看出在諧振頻率時(shí)，基本滿足每一級(jí)37dB的要求，即使實(shí)際中不滿足，可以通過(guò)調(diào)節(jié)RSET或者RL

47、來(lái)達(dá)到目的。所以利用MAX435/436諧振放大器的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的前兩級(jí)的固定增益放大的方案是可行的。</p><p>　　采用MAX435/436構(gòu)成放大電路的原理圖。為了防止過(guò)壓，在輸入端應(yīng)該加一對(duì)二極管用以電路的保護(hù)。該電路能很好的對(duì)1 MHz的窄帶信號(hào)進(jìn)行諧振放大作用。</p><p>　　圖6 放大電路原理圖</p><p>　　4.3.4采樣電

48、路設(shè)計(jì)</p><p>　　考慮到采樣頻率等因素，采用TLC876(ADC器件,采樣頻率fs=20Msps/12bit)的高速信號(hào)采集電路，用于對(duì)超聲信號(hào)的回波進(jìn)行采集。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的采樣頻率為1MHz，綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的成本和精度要求，作出的設(shè)計(jì)圖如下：</p><p>　　圖7 TLC876的應(yīng)用</p><p>　

49、　4.3.5 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　DSP5416具有先進(jìn)的多總線 結(jié) 構(gòu)具有三個(gè) 只讀 的 16 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和 內(nèi)存總線的一個(gè)程序 。40 位算術(shù)邏輯單元（ ALU ） ，包括 一個(gè) 40 位 圓柱形 移位器和兩個(gè)獨(dú)立的蓄電池。17-17 位并行乘法器耦合到一個(gè)40位非流水線單周期的累加器中。比較、選擇和儲(chǔ)存單位是為了加法/比較選擇的維特比運(yùn)算。指數(shù)編碼器計(jì)算的是一個(gè)周期內(nèi)指數(shù)為一個(gè)40位累

50、加器的值。 兩個(gè)地址發(fā)生器和八個(gè)輔助寄存器以及兩個(gè)輔助算術(shù)寄存器單位。數(shù)據(jù)總線具有一個(gè)所有總線的特征。擴(kuò)展尋址模式為8M的16位最大外部尋址程序空間。128K的16位片內(nèi)RAM組成8塊8K的16位上ChipDual 接入程序 / 數(shù)據(jù)RAM，8塊8K的16位上Chipsingle 接入程序RAM。16K 16位片上ROM的內(nèi)存為了記憶程序，還具有增強(qiáng)外部并行接口 。</p><p>　　圖8 DSP最小系統(tǒng)原理

51、圖</p><p>　　4.3.6可編程邏輯器件方案</p><p>　　FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）與CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）都是可編程邏輯器件，作者根據(jù)現(xiàn)有條件選用了CPLD。CPLD在系統(tǒng)中的作用：</p><p>　?。?）為DSP以及單片機(jī)的譯碼，以實(shí)現(xiàn)DSP、單片機(jī)系統(tǒng)的完整性；</p><p>　?。?）為串行接口的DAC

52、提供并串轉(zhuǎn)換功能，使得DAC直接映射成DSP、MCU的一個(gè)寄存器，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)對(duì)DAC控制；</p><p>　　（3）為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)全局控制器，這樣使整個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)的運(yùn)行，同時(shí)使得DSP能專一處理流速的計(jì)算。</p><p>　　圖9 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)采集部分原理圖</p><p>　　4. 超聲流量計(jì)軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)</p><p&g

53、t;　　4.1 CCS軟件的使用</p><p>　　CCS是TI公司開發(fā)的一個(gè)集編輯、編譯、調(diào)試等功能為一體的DSP開發(fā)工具。</p><p>　　在CCS中，源代碼的書寫有一定的格式。每一行代碼分為三個(gè)區(qū)：標(biāo)號(hào)區(qū)、指令區(qū)和注釋區(qū)。標(biāo)號(hào)區(qū)必須頂格寫，主要是定義變量、常量、程序標(biāo)簽名稱。指令區(qū)位于標(biāo)號(hào)區(qū)之后，以空格或TAB隔開。如果沒(méi)有標(biāo)號(hào)，也必須在指令前加上空格或TAB，不能頂格。注釋區(qū)

54、在標(biāo)號(hào)區(qū)之后，以分好開始。注釋區(qū)前面可以沒(méi)有標(biāo)號(hào)區(qū)或指令區(qū)。另外還有專門的注釋行，以*打頭，必須頂格開始。一般區(qū)分大小寫，除非加編譯參數(shù)忽略大小寫。</p><p>　　一個(gè)完整的DSP程序至少包含三個(gè)部分：程序代碼、中斷向量表、鏈接配置文件。鏈接配置文件確定了程序鏈接成最終可執(zhí)行代碼時(shí)的選項(xiàng)，其中有很多條目，實(shí)現(xiàn)不同方面的功能，其中最常用的是，存儲(chǔ)器的分配，指定程序入口。</p><p>

55、;　　打開CCS并建立一個(gè)新的空工程，輸入源代碼文件以及鏈接配置文件，并將這些文件加入到工程中。選擇ProjectOptions來(lái)對(duì)工程進(jìn)行設(shè)置。輸入程序后，選擇ProjectBuild來(lái)編譯生成的工程；修改程序中的錯(cuò)誤，直到編譯成功。編譯成功后，我們可以選擇Debugrun運(yùn)行程序，觀察運(yùn)行的結(jié)果。</p><p>　　4.2基于DSP軟件的相關(guān)器設(shè)計(jì)</p><p>　　從相關(guān)法測(cè)量原

56、理可知，相關(guān)法測(cè)量流量的精度取決于相關(guān)器測(cè)量時(shí)延的精度，亦即取決于相關(guān)函數(shù)峰值點(diǎn)位置的測(cè)量精度，而與相關(guān)函數(shù)絕對(duì)值的大小無(wú)關(guān)。因此，應(yīng)用相關(guān)法測(cè)量流速的關(guān)鍵問(wèn)題之一是研制或配備時(shí)延分辨率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低的數(shù)字式相關(guān)儀。</p><p>　　如果從上、下游傳感器獲得的流動(dòng)噪聲信號(hào)和可以分別看作是來(lái)自個(gè)態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程和的兩個(gè)樣本函數(shù)，則它們的互相關(guān)函數(shù)為:</p><p>　　從理淪

57、上說(shuō)，隨機(jī)流動(dòng)噪聲信號(hào)和之間的互相關(guān)函數(shù)應(yīng)在無(wú)限大的時(shí)間平均下求得。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，為了滿足實(shí)時(shí)性的要求，上、下游流動(dòng)噪聲信號(hào)和之間的互相關(guān)函數(shù)的運(yùn)算只允許在有限的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行。從上式可以看出，在數(shù)字式相關(guān)器中為完成延時(shí)值為:的互相關(guān)函數(shù)次乘法和次加法運(yùn)算。如果希望得到個(gè)不同延時(shí)值下的互相關(guān)函數(shù)，就需完成次加法和次乘法計(jì)算。因此，為了增加相關(guān)函數(shù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性，對(duì)數(shù)字相關(guān)器中乘法和加法運(yùn)算速度的要求是相當(dāng)高的。</p>

58、<p>　　4.2.1直接幅值相關(guān)法</p><p>　　將上游傳感器測(cè)得的信號(hào)和下游傳感器測(cè)得的信號(hào)做互相關(guān)運(yùn)算，得到的互相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為：</p><p>　　其中，為測(cè)量時(shí)間，為時(shí)延值。計(jì)算互相關(guān)函數(shù)就是在不同時(shí)延值下比較這兩個(gè)信號(hào)的波形相似程度，得到互相關(guān)函數(shù)的圖形，該圖形的峰值位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間位移就是隨機(jī)信號(hào)在兩個(gè)傳感器之間的距中的傳遞時(shí)間，即渡越時(shí)間?？紤]到進(jìn)行相

59、關(guān)運(yùn)算和處理的都是數(shù)字電路，所以當(dāng)算法采用直接幅值相關(guān)法，應(yīng)將上面的公式離散化，得：</p><p>　　其中，，且，是采樣間隔，其值為采樣時(shí)間除以采樣點(diǎn)數(shù)。</p><p>　　使用直接幅值相關(guān)法，完成一次相關(guān)運(yùn)算的計(jì)算量是非常大的，可以用下述方法來(lái)估計(jì)。以數(shù)字相關(guān)器為例，為了完成某一固定下的相關(guān)函數(shù)估計(jì)值的計(jì)算，需要進(jìn)行次乘法和次加法。如果希望得到個(gè)不同延時(shí)值下的互相關(guān)函數(shù)，就需要完成

60、次乘法和次加法計(jì)算。這對(duì)硬件的要求非常得高，如果要保證測(cè)量精度，則要犧牲相關(guān)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。故放棄。</p><p>　　4.2.2傅里葉變換法</p><p>　　從以上敘述可以看出，傳統(tǒng)相關(guān)器的設(shè)計(jì)是基于時(shí)域的計(jì)算方法，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般采用極性相關(guān)，為了減小量化誤差，一般需要較長(zhǎng)的積分時(shí)間，而且在量化的同時(shí)也丟失了流動(dòng)信號(hào)中包含的與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的信息。本系統(tǒng)嘗試采用DSP及FFT，在頻

61、域內(nèi)構(gòu)造相關(guān)器，以此為基礎(chǔ)構(gòu)造實(shí)時(shí)流量測(cè)量系統(tǒng)。</p><p>　　傅里葉變換是將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域的一種變換形式，是信號(hào)處理領(lǐng)域中的一個(gè)重要的分析工具。DFT離散傅立葉變換是連續(xù)傅里葉變換在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)，完成離散時(shí)域信號(hào)到頻域的轉(zhuǎn)換。在震動(dòng)、聲學(xué)、圖像信息處理、衛(wèi)星攝影分析等時(shí)域頻域轉(zhuǎn)換和隨機(jī)過(guò)程的數(shù)字信號(hào)處理中，傅里葉變換占有非常重要的地位。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為數(shù)字化分析開辟了廣闊的前景，快速傅里葉變

62、換（FFT）已成為數(shù)字信號(hào)處理和線性系統(tǒng)分析的有力工具。</p><p>　　設(shè)、及分別是、及的傅立葉變換，且是、的互相關(guān)函數(shù)，根據(jù)時(shí)域相關(guān)定理，則有: </p><p>　　再通過(guò)傅立葉逆變換即可直接求得時(shí)域的相關(guān)函數(shù)。雖然傅立葉變換比較復(fù)雜，但現(xiàn)在已經(jīng)有高速DSP和成熟的FFT算法，而兩個(gè)頻譜的相乘只不過(guò)是一次多相式乘法。這樣利用快速傅立葉變換和DSP的高速運(yùn)算能力，即可構(gòu)成實(shí)時(shí)性很好

63、的相關(guān)流量器。相關(guān)算法流程圖如下：</p><p>　　圖10 相關(guān)算法流程圖</p><p>　　用FFT法進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算步驟如下：</p><p>　　(1) 用補(bǔ)零值點(diǎn)的方法避免混疊失真，使和具有相同的列長(zhǎng)。，且（為正整數(shù)），</p><p><b>　　(2) 求點(diǎn)FFT</b></p><p&

64、gt;<b>　　(3) 求乘積</b></p><p>　　(4) 求的IFFT</p><p><b>　　，</b></p><p>　　即可以利用求的IFFT后，取共軛再乘以得到。</p><p>　　由于,是實(shí)序列，所以求得為</p><p><b>　　

65、，</b></p><p>　　若直接幅值相關(guān)法的計(jì)算復(fù)雜度為O (N2)，而改進(jìn)后的FFT算法程序的計(jì)算復(fù)雜度為，將大大地提高運(yùn)算的速度。最后仿真結(jié)果最大值在n=51,與設(shè)計(jì)的n=50相差無(wú)幾，仿真成功。</p><p>　　圖11 FFT變換仿真圖 圖12 相關(guān)運(yùn)算仿真圖</p><p><b&

66、gt;　　附件（程序）</b></p><p>　　/***********************************************************************</p><p>　　** 超聲波流量計(jì)DSP編程 </p><p>　　作者：徐宋靜 時(shí)間：2011.3.10</p><p>

67、;　　***********************************************************************/</p><p>　　#include "stdio.h"</p><p>　　#include "math.h"</p><p>　　unsigned ioport port8

68、003;/* AD 采集端口 */</p><p>　　void kfft(pr,pi,n,k,fr,fi,l,il)</p><p>　　int n,k,l,il;</p><p>　　double pr[],pi[],fr[],fi[];</p><p><b>　　{</b></p><p

69、>　　int it,m,is,i,j,nv,l0;</p><p>　　double p,q,s,vr,vi,poddr,poddi;</p><p>　　for (it=0; it<=n-1; it++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　m=it; is=0;</p>

70、<p>　　for (i=0; i<=k-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　j=m/2; is=2*is+(m-2*j); m=j;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　fr[it]=pr[is]; fi[it]=

71、pi[is];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　pr[0]=1.0; pi[0]=0.0;</p><p>　　p=6.283185306/(1.0*n);</p><p>　　pr[1]=cos(p); pi[1]=-sin(p);</p><p>　　if (l!=

72、0) pi[1]=-pi[1];</p><p>　　for (i=2; i<=n-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　p=pr[i-1]*pr[1]; q=pi[i-1]*pi[1];</p><p>　　s=(pr[i-1]+pi[i-1])*(pr[1]+pi[1]);

73、</p><p>　　pr[i]=p-q; pi[i]=s-p-q;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　for (it=0; it<=n-2; it=it+2)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　vr=fr[it];

74、vi=fi[it];</p><p>　　fr[it]=vr+fr[it+1]; fi[it]=vi+fi[it+1];</p><p>　　fr[it+1]=vr-fr[it+1]; fi[it+1]=vi-fi[it+1];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　m=n/2; nv=2;<

75、/p><p>　　for (l0=k-2; l0>=0; l0--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　m=m/2; nv=2*nv;</p><p>　　for (it=0; it<=(m-1)*nv; it=it+nv)</p><p>　　for (j=0;

76、 j<=(nv/2)-1; j++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　p=pr[m*j]*fr[it+j+nv/2];</p><p>　　q=pi[m*j]*fi[it+j+nv/2];</p><p>　　s=pr[m*j]+pi[m*j];</p><p>

77、　　s=s*(fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2]);</p><p>　　poddr=p-q; poddi=s-p-q;</p><p>　　fr[it+j+nv/2]=fr[it+j]-poddr;</p><p>　　fi[it+j+nv/2]=fi[it+j]-poddi;</p><p>　　fr[it+j]=fr

78、[it+j]+poddr;</p><p>　　fi[it+j]=fi[it+j]+poddi;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　if (l!=0)</b></p><p>　　

79、for (i=0; i<=n-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　fr[i]=fr[i]/(1.0*n);</p><p>　　fi[i]=fi[i]/(1.0*n);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　

80、if (il!=0)</p><p>　　for (i=0; i<=n-1; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　pr[i]=sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);</p><p>　　if (fabs(fr[i])<0.000001*fabs(fi[i

81、]))</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if ((fi[i]*fr[i])>0) pi[i]=90.0;</p><p>　　else pi[i]=-90.0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　e

82、lse</b></p><p>　　pi[i]=atan(fi[i]/fr[i])*360.0/6.283185306;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main(void)</p><p&

83、gt;<b>　　{</b></p><p>　　int i,n,k=0;</p><p>　　double x[128],pr[128],pi[128],fr[128],fi[128],mo[128];</p><p>　　int xm,zm;</p><p>　　int *px = (int*)0x4000;

84、</p><p>　　int *pz = (int*)0x4080;</p><p><b>　　n=128</b></p><p><b>　　for (;;)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　px = (int*

85、)0x4000;</p><p>　　/* 在這里采集數(shù)據(jù)到0x4000 */</p><p><b>　　#if 0</b></p><p>　　for( i = 0; i < 128; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　*px++

86、 = port8003;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　#endif</b></p><p>　　px = (int*)0x4000;</p><p>　　for (i=0; i<=n-1; i++)</p><p><b&g

87、t;　　{</b></p><p><b>　　xm=*px;</b></p><p>　　x[i]=xm/32768.0;</p><p>　　pr[i]=x[i];</p><p><b>　　pi[i]=0;</b></p><p><b>　　p

88、x++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　kfft(pr,pi,128,7,fr,fi,0,1);</p><p>　　pz = (int*)0x4080;</p><p>　　for (i=0;i<=n-1;i++)</p><p><

89、b>　　{</b></p><p>　　mo[i] = sqrt(fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]);</p><p>　　zm = (int)(mo[i]*1000.0);</p><p><b>　　*pz = zm;</b></p><p><b>　　pz++;</

90、b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　k++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　IFFT只要先將FFT變換得到的X(k)取共軛，就可以直接利用FFT子程序，F(xiàn)FT運(yùn)算和IFFT運(yùn)算可以共用一個(gè)子程序。

91、</p><p>　　其中inv就為正變換和逆變換標(biāo)志，0為正變換，1為逆變換</p><p>　　void fft(float *xr,float *xi,int n,int inv)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　int i,j,a,b,k,m;</p><p>

92、　　int ep,arg,mt,s0,s1;</p><p>　　float sign,pr,pi,ph;</p><p>　　float *s,*c;</p><p>　　c=(float *)calloc(n,sizeof(float));</p><p>　　if(c==NULL) exit(1);</p><p&g

93、t;　　s=(float *)calloc(n,sizeof(float));</p><p>　　if(s==NULL) exit(1);</p><p><b>　　j=0;</b></p><p>　　if(inv==0)</p><p><b>　　{</b></p><

94、p><b>　　sign=1.0;</b></p><p>　　for(i=0;i<n;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　xr[i]=xr[i]/n;</p><p>　　xi[i]=xi[i]/n;</p><p><b

95、>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else sign=-1.0;</p><p>　　for(i=0;i<n-1;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　if(

96、i<j)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　tra(&xr[i],&xr[j]);//交換數(shù)值</p><p>　　tra(&xi[i],&xi[j]);</p><p><b>　　}</b></p>

97、<p><b>　　k=n/2;</b></p><p>　　while(k<=j)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　j=j-k;</b></p><p><b>　　k=n/2;</b></p&

98、gt;<p><b>　　}</b></p><p><b>　　j=j+k;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　ep=0;</b></p><p><b>　　i=n;</b>

99、</p><p>　　while(i!=1)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　ep=ep+1;</b></p><p><b>　　i=i/2;</b></p><p><b>　　}</b>&l

100、t;/p><p>　　ph=2*M_PI/n;</p><p>　　for(i=0;i<n;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　s[i]=sign*sin(ph*i);</p><p>　　c[i]=cos(ph*i);</p><p>

101、<b>　　}</b></p><p><b>　　a=2;</b></p><p><b>　　b=1;</b></p><p>　　for(mt=1;mt<=ep;mt++)</p><p><b>　　{</b></p><

102、p><b>　　s0=n/a;</b></p><p><b>　　s1=0;</b></p><p>　　for(k=0;k<b;k++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　i=k;</b></p>

103、;<p>　　while(i<n)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　arg=i+b;</b></p><p><b>　　if(k==0)</b></p><p><b>　　{</b></p&

104、gt;<p>　　pr=xr[arg];</p><p>　　pi=xi[arg];</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　pr=x

105、r[arg]*c[s1]-xi[arg]*s[s1];</p><p>　　pi=xr[arg]*s[s1]+xi[arg]*c[s1];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　xr[arg]=xr[i]-pr;</p><p>　　xi[arg]=xi[i]-pi;</p><

106、p>　　xr[i]=xr[i]+pr;</p><p>　　xi[i]=xi[i]+pi;</p><p><b>　　i=i+a;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　s1=s1+s0;</b></p><p&

107、gt;<b>　　}</b></p><p><b>　　a=2*a;</b></p><p><b>　　b=b*2;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　free(c);</b></p

108、><p><b>　　free(s);</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文詳細(xì)介紹了超聲波流量計(jì)研究發(fā)展的現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)以及市場(chǎng)前景，通過(guò)這樣詳細(xì)的介紹也進(jìn)一步引出了畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的研究意義。詳細(xì)探索了

109、超聲波流量計(jì)的方案設(shè)計(jì)，知道了檢測(cè)方案大致可分為傳播速度差法（包括：時(shí)差法、相位差法、頻差法），多普勒法，相關(guān)法等。通過(guò)超聲波流量計(jì)檢測(cè)方法對(duì)比，最終，確定采用基于時(shí)差法方案的超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)。然后，詳細(xì)時(shí)差法測(cè)量原理及主要特點(diǎn)，分析了時(shí)差法計(jì)算流量的公式表達(dá)。</p><p>　　文中通過(guò)Matlab軟件對(duì)激勵(lì)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)及頻譜進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)仿真圖形，可以直觀的觀察到信號(hào)波形，減少了軟件實(shí)現(xiàn)的難度。文

110、章中作者采用DSP進(jìn)行相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)，畫出了流程圖，給出了系統(tǒng)整體電路硬件設(shè)計(jì)方案，基于此，并進(jìn)行了DSP的編程設(shè)計(jì)。基本上完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。但是由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)DSP硬件電路的聯(lián)調(diào)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)是在**老師的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的，他對(duì)本次設(shè)計(jì)的構(gòu)思、框架和理論運(yùn)用給予了許多深入精

111、心的指導(dǎo)，使得設(shè)計(jì)及論文得以順利完成。在論文撰寫過(guò)程中，他提供了許多寶貴的思路和建議，結(jié)合工作體會(huì)和經(jīng)歷，提出了很多有價(jià)值的觀點(diǎn)，為完成本次設(shè)計(jì)和論文給予了極大的幫助。在此，獻(xiàn)上我最誠(chéng)摯的感謝！設(shè)計(jì)的另一重要環(huán)節(jié)是程序的編寫。和我同組的同學(xué)負(fù)責(zé)軟件的編寫，他花了大量的時(shí)間查閱資料，請(qǐng)教老師和同學(xué)。一遍一遍的在仿真軟件上模擬仿真，最后終于順利編寫出了整個(gè)的軟件程序。該程序基本上滿足了設(shè)計(jì)之初的設(shè)想要求。在這里我要感謝他。</p>

112、;<p>　　通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我受益非淺。畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科四年學(xué)習(xí)的大綜合；是一場(chǎng)綜合的考試；是一次社會(huì)實(shí)踐。設(shè)計(jì)所涉及到的東西，是前所未有的。要求知識(shí)的綜合性較高，各方面都要用到一點(diǎn)，但是我們的知識(shí)是不能達(dá)到這樣的要求的，我們?cè)诶щy面前沒(méi)有低頭，通過(guò)各方面的渠道來(lái)彌補(bǔ)，這恰恰就是我們?cè)谄綍r(shí)里沒(méi)有注意到的自學(xué)能力。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了自學(xué)能力，為以后的繼續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。同時(shí)這次設(shè)計(jì)是一個(gè)小型的社會(huì)團(tuán)體，在這個(gè)小社會(huì)中如何相處

113、等都是一個(gè)鍛煉。</p><p>　　再次感謝所有支持和幫助過(guò)我的領(lǐng)導(dǎo)、老師和同學(xué)們！</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1.蘇彥勛，李金海.流量計(jì)量.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1991</p><p>　　2.TexasInstrumentsIneorporated.TMssZove5

114、5x系列DsP的ePu與外設(shè).清華大學(xué)</p><p><b>　　出版社.2005</b></p><p>　　3.梁國(guó)偉等，流量測(cè)量技術(shù)及儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.6</p><p>　　4.劉欣榮.流量計(jì)(第二版).水利電力出版社，1990</p><p>　　5.段鳳增，信號(hào)檢測(cè)理論(第二版)，哈爾濱工業(yè)大

115、學(xué)出版社，2001.12</p><p>　　6.楊小牛等，軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，2001.1</p><p>　　7.L.Prandltetc.流體力學(xué)概論.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，1999</p><p>　　8.顧金海，葉學(xué)干.水聲學(xué)基礎(chǔ).國(guó)防工業(yè)出版社，1993</p><p>　　9.宋萬(wàn)杰，羅豐.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用

116、.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2000</p><p>　　10．田暉.管外夾裝式超聲波流量計(jì)測(cè)量方法的研究，北京:北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論</p><p><b>　　文.2000</b></p><p>　　11.張俊.基于DSP的超聲波流量計(jì)，南京:南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005</p><p>　　12.

117、陳寧.超聲波時(shí)差流量測(cè)量及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的新方法.天津:天津大學(xué)碩士學(xué)位論</p><p><b>　　文.1999</b></p><p>　　13.Yao Zhenjing, Meng Qinghao, Li Genwang, et al.. Non-crosstalk real-time ultrasonic range system with optimized

118、 chaotic pulse position-width modulation excitation. in Ultrasonics Symposium, 2008. IUS 2008. IEEE. 2008.</p><p>　　14.Fortuna, L., M. Frasca, and A. Rizzo. Chaotic Pulse Position Modulation to Improve the