杨萍(1979-)，女，讲师，（陕西科技大学电信学院，陕西  西安  710021）主要从事数字信号处理的教学与科研工作。

    受陕西科技大学自然科学基金项目资助。

摘要：本文首先介绍了相关检测的原理和超声波相关流量计的工作过程，在此基础上给出了以DSP芯片TMS320VC5402为核心的测量系统硬件框图，并详尽的分析了各部分的功能和所使用的芯片，尤其是使用了新的DDS芯片AD9850生成正弦波。最后，还给出了系统程序的主流程图。通过仿真实验，证明此方案是有效、可行的。

关键词：超声波流量计；DSP；DDS；相关；噪声

Abstract: Both the principle of correlative measurement and work process of ultrasonic correlative flow-meter are introduced in this paper. Hardware design diagram with the core of DSP chip TMS320VC5402 is proposed on the basis of this principle. Functions of all parts and chips used are analyzed in detail. Especially, in our design, new DDS chip AD9850 is used to produce the sine wave. Finally, we give the flowchart of this system. The simulation experiments prove the effectiveness and feasibility of this method.

Key words:  ultrasonic flowmeter；DSP；DDS；correlation；noise

    工业生产和科学实验都离不开对工质数量的了解或对各种物质（原料）配比的控制。为了保证产品质量、进行经济核算，对单位时间内物料的输送量（流量）或某段时间内物料的总输送量要精确计量和控制，并要求能及时地发出反映流量大小的信号。流量测量，不管是以计量为目的，还是用于过程控制，几乎涉及所有的领域。相关流量测量技术是以随机过程的相关理论为基础的一种流动参数检测技术。它在解决两相(气/液、气/固和液/固等)流体以及多相(多组份)流体的流动参数测量问题上具有巨大的潜力。

    超声波技术应用于流量测量主要是依据超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就载有流体流速的信息,利用接收到的超声波信号就可以测量流体的流速和流量。

    2.1自相关函数及其工程应用

    自相关函数用来度量同一个随机过程前后的相关性。假设一个样本记录x(t)来自各态历经平稳随机过程，则其自相关函数是样本x(t)与此样本记录在作时移后的信号x(t+)作乘积后再作积分平均运算，即
   

    以有限长样本作其估计。自相关函数分析主要用来检测混淆在随机信号中的确定性信号，这是因为周期信号或任何确定性信号在所有时差值上都有自相关函数值，而随机信号当足够大以后其自相关函数趋于零（假定随机信号均值为零）。

    2.2 自相关检测原理

    自相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关函数Rxx()运算，达到去除噪声的一种技术，其中是所研究两点间的时间间隔，即两信号间的时延。

图1 自相关检测框图

    设混有随机噪声的信号

                     

    由(1)式可知fi(t)的自相关函数为：

故 

    由于信号与噪声是互不相关的随机过程，如果设信号或噪声的平均值为零（至少噪声的平均值为零），那么(3)式中的R_sn()及R_ns()都为零。虽然从理论上讲，噪声前后可以认为是互不相关的。而实际上，对于时间间隔不大的两点仍有可能是相关的。测量系统中发射的超声波是频率为1MHz左右的正弦波：

              

    可求得它的相关函数

                             

图2 正弦波与噪声之和的自相关函数

    显而易见，随着的增加，噪声成分R_nn()很快地衰减，而信号成分R_ss()仍然保持着周期性变化，从而实现周期信号的检测。

    流体在封闭管道内流动时，其内部存在着与流体流动状况有关的随机流动噪声，并具有一定的统计特性。通常在信号检测系统中，噪声是一种须加以抑制的干扰信号，然而在相关测量系统中，这种流动噪声可以利用某种传感器检测出来，通过适当的信号处理后，从中提取出含有流体信息的有用流动噪声。由于随机流动噪声对超声波有调制作用，故可通过超声相关方案检出流动噪声信号，从而可知流动状况的信息。流量计工作原理如图3所示。

图3 相关流量计的工作原理图

    如图3所示，在沿管道轴线相距L的截面A和B处安装两个超声换能器（上游换能器和下游换能器）。工作时上游换能器向被测流体发射一定幅度的能量束，当被测流体在管道内流动时，流动噪声调制上游传感器发出的能量束，下游换能器检测到引起调制作用的随机信号，再通过信号转换电路，就可以从下游接收换能器提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号x_(t+)。由相关理论可求得此信号在被测流体中的传播时间 （即流体的流动时间）。因此信号在该系统中的传播速度v可以按下式计算：

    通常，v称为相关速度；L为上、下游传感器的距离。在理想流动状况下，也就是管道截面上各点处流体的流速相等时被测流体的体积平均流速 可以用相关速度v来表示，则流量Q的计算公式为：

    式中：D──管道内径

    K──流速分布补偿系数

　　根据相关流量的测量原理，设计系统的硬件电路框图如图4所示。

图4 系统硬件框图

    由于本设计对精度和测量速度都有较高的要求，所以必须选择位数高而且运算速度快的处理器。近年来随着微电子学、数字信号处理的发展，数字信号处理器(DSP)获得了飞速的发展，使得在频域进行相关运算成为可能。同时将流动信号变换到频域并利用各种信号分析方法可能会得到一些与流动状态有关的信息，从而可进一步改进与完善相关测量技术。本系统选择TI公司的TMS320VC5402DSP芯片，主频可高达100MHz。

    测量过程中超声波信号反映了流速的信息，愈少在频谱中引入干扰分量愈好，所以采用DDS技术。 DDS(Direct Digital Synthesis)即直接数字频率合成技术，是一种应用数字技术来实现产生信号波形的方法。DDS技术将先进的数字处理理论与方法引入到信号合成领域，它建立在采样定理的基础上，首先对需要产生的信号波形进行采样和量化，然后存入存储器作为待产生信号波形的数据表。在输出信号波形时，从数据表中依次读出数据，产生数字化的信号，这个信号再通过DAC转换成所需的模拟信号波形。

    和其他DDS产品相比，AD公司生产的CMOS型DDS芯片AD9850有着功能强大、价格低廉等优点，特别适宜正弦波形的合成。对AD9850的控制主要是输出频率、相位和低功耗状态控制。AD9850有40位调节字，即W0、W1、W2、W3、W4五个字节。这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD9850，图5是控制字并行输入的控制时序图，在并行装入方式中，通过8位数据总线D0 ... D7将数据输入到寄存器，在重复5次之后再在FQ_UD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率/相位数据寄存器(更新DDS输出频率和相位)，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。接着在W_CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿后，W_CLK的边沿就不再起作用，直到复位信号或FQ_UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。其中W1-W4是32位频率控制字， W0的第3-7位是相位调节，第2位是休眠选择（1是休眠，0是工作），最低两位是并行或串行选择（10，01都是并行）。AD9850计算频率调节字的公式为：

                                      

    其中 是输出频率，X为调节字，CLKIN为AD9850工作频率。

图5  AD9850的并行工作时序图

    本设计中要求产生频率为1MHz的正弦波，即 =1MHz，并且实际电路中CLKIN=50MHz，根据（8）式，可得X=51EB851h。我们无须相位调节，则W0=01h，W1=05h，W2=1Eh，W3=B8h，W4=51h。

    另一个主要的问题是对产生的正弦波和接收的信号进行采样。由于产生的正弦波频率为1MHz，根据香农定理可知，采样频率必须大于2MHz才能保证信号的不失真。我们选用BB公司的ADS803芯片，12位、5MHz、并行高速A/D转换器，其具有高噪信比、低失真度、低功耗、输入范围变化灵活和输入溢出报警等优点。ADS803内部集成有宽带线性采样保持器，其保证了奈奎斯特频率下芯片的优良性能。

    系统程序流程如图6所示，其中包括DSP初始化模块，DDS芯片生成正弦波模块，A/D转换模块，DSP相关算法模块，数据存取模块，键盘显示模块等。

图6 系统程序主流程图

    系统采用DSP作为处理器，并结合DSP的高速处理能力及频域内的快速算法，从而保证了相关运算的实时性。通过仿真实验，证明此方案是有效、可行的。

 

    [1]张雄伟等．DSP芯片的原理与开发应用[M]．北京：电子工业出版社，2002.

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    [3]廖文杰等．一种USB 接口的数据采集系统设计[J]．自动化博览，2005,8:47-8.

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    [5]刘 宇． 数字信号处理技术在多普勒流量计中的应用研究[J]．西安理工大学硕士论文，2001,3:31-41.

    [6]范云霄，刘 桦．测试技术与信号处理[M]．北京：中国计量出版社，2002.

其他作者：

    武  欣，杨良煜（西安科技大学电控学院，陕西  西安 710054）