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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 多普勒超声波流量计的设计翟金龙* （太原理工大学测控技术研究所，太原 030024）摘要：设计了一种基于超声波多普勒效应，采用 DSP 和 AVR 为系统核心的流量计。DSP 的运用使复杂的流速运算在较短的时间内完成；AVR 的运用不但减轻了 DSP 的负担，而且使系统变得更加灵活。设计中驱动超声波换能器的正弦波信号使用 DDS 电路来产生，增加了基础信号的精度和稳定性。关键词：多普勒效应；DSP；DDS 中图分类号：TP212.1 The Design of Ultrasonic Flowmeter based on Doppler Effect Method ZHAI Jinlong 030024) (Measuring and controlling Technology institute, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Abstract: The flowmeter which is based on ultrasonic Doppler effect and using DSP and AVR as system core was designed. The apply of DSP make the complex operation of flow velocity in a relatively short period of time to finish; the use of AVR not only reduced the burden of DSP, but make the system become more flexible. In the design, DDS circuit produce Sine wave signal which Drives ultrasonic transducer, thus it increases accuracy and stability of the basic signal. Key words: Doppler effect; DSP; DDS 0 引言流量测量在工业生产，节能，环境监测和保护，科学实验和过程控制中都是十分重要的。随着工业生产和科学研究的发展，流量测量技术发展十分迅速，新型流量测量仪表不断涌现。超声波在流动的流体中传播时，就载上流体流速的信息。因此，通过接受到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量，这就是超声波流量计的测量原理。使用超声波流量计，不需要在流体中安装测量元件，所以不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行，因而是一种理想的节能型流量计。超声波流量计根据检测的方式，可以分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。多普勒超声波流量计除具有一般超声波仪器的特点外，还有诸多优点，例如对流速变化响应快，对流体的压力、粘度、温度、密度和导电率等因素不敏感，没有零点漂移问题，测量条件不变时仪表重复性好，价格比较便宜等。本文给出了一种多普勒流量计的设计方法。 1 多普勒流量计的测量原理 1.1 工作原理多普勒超声波流量计的测量原理是基于物理学声、光的多普勒效应。当声源（发射器）和观察者（接收器）所感受到的声频率不同于声源所发出的频率，即声音的频率因相对运动作者简介：翟金龙（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：新型传感器. E-mail: 284243058@qq.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 而发生了变化，这个频率的变化（多普勒频移）正比于两者之间的相对速度，这就是多普勒效应。若把发射的超声波入射到流动的物体中，被随流体一起运动的颗粒反射到接收器，接收到的反射声波与发射声波之间产生频率差（多普勒频移），这个频差正比于流体速度，因此测量频差即可求得流速，将测得的平均流速乘以相应的流通截面积即可求得容积流量。利用多普勒效应测量的必要条件是：被测流体中必须有足够的具有反射本领的颗粒，才能得到一定强度的信号使仪表正常工作。因此，多普勒超声波流量计只有当被测流体中存在一定数量的悬浮颗粒、气泡或有反射本领的其他粒子时才能工作。多普流量计适用于测量两相流的场合，这正是其他流量计难以解决的。 1.2 流量方程发射换能器 θ u 反射物接受换能器图 1 多普勒效应示意图如图 1-1，当多普勒超声波流量计的发射换能器以一定的角度θ向流体发射频率为 f 1 的连续超声波时，流体中的悬浮颗粒体将声波发射到接收换能器，因为悬浮颗粒随着流体在流动，所以反射的超声波将产生多普勒频移 fΔ 。设频移后接收换能器收到的超声波频率为 f 2 ，超声波在被测流体中的传播速度（传声速度）为 c，颗粒反射体以与被测流体相同的流速μ运动，收、发两超声波束与流体相间的夹角均为θ，则根据多普勒效应，多普勒频移 fΔ 用下式表示： fΔ = f 2 ― f 1 = θμcos 2 c f 1 （1）由式（1）可知，多普勒频移 fΔ 与发射频率 f 1 及流体流速μ成正比，与介质的传声速度 c 成反比。当发射频率 f 1 与声速 c 恒定时，多普勒频移 fΔ 正比于流速μ，即测量 fΔ 可反映流速μ。流速μ与 fΔ 的关系由式（1）可得 μ = c f Δ θcos 2 1 f 容积流量 Q 与多普勒频移 fΔ 的关系式为（2） - 2 -

中国科技论文在线 Q =μS = Sc Δ 2 1 θcos f f 式中 S——管道流通截面积 http://www.paper.edu.cn （3）式（3）为多普勒流量计的理论方程式。由此式可知，当仪表结构及测量条件确定后，频移与容积流量成正比，测量频移可反映流体流量[1]。 2 硬件设计 2.1 系统硬件总体设计系统硬件主要分为三个模块，分别是发射模块，接收采样模块，处理与控制模块。 AVR mega16 键盘液晶 DSP TMS320F281 2 DDS 低通滤波器混频器功率放大带通滤波器发射接收信号放大图 2 多普勒流量计系统硬件框图 2.2 各个模块的设计 2.2.1 发射模块主要由 DDS 电路、功率放大电路与超声波换能器组成。 DDS 电路用来产生驱动超声波换能器的正弦波信号。DDS，就是直接数字式合成器，使用 DDS 可以产生较高纯度的源信号，克服了使用一般的正弦波产生的各种缺点。DDS 一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外， DDS 的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率，能够进行快速地信号交换。DDS 在现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN 系统、雷达、卫星通信等领域都得到广泛应用。DDS 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形[2]。本文选用的 DDS 芯片是 AD 公司的 COMS 型 DDS 芯片 AD9850。该芯片最高支持 125MHz 的时钟频率，32 位频率调节字可用并行或者串行方式装入。+3.3V 或者+5V 供电，功耗极低。 AD9850 与 DSP 的连接原理图如图 3。最后 AD9850 的输出有 OUT1 和 OUT2，OUT1 送入功率放大器用来驱动超声波换能器，OUT2 与带通滤波器出来的信号一起送入混频器进行混频。由于超声波在流体中传播，而流体中有较高的颗粒含量，造成超声波的衰减较大，所以信号的功率放大是十分必要的。超声波换能器用的是定做的，频率为 1MHz。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1 11 CLK0 U2 OE CLK 2 3 4 5 6 7 8 9 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 19 18 17 16 15 14 13 12 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 SN74HCT574N 1 11 CLK1 U3 OE CLK 2 3 4 5 6 7 8 9 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 19 18 17 16 15 14 13 12 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 SN74HCT574N GPIOA0 R/W GPIOA1 4 3 2 1 28 27 26 25 7 8 22 U4 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 DACBL VINP VINN QOUTB QOUT IOUT W_CLK IOUTB FQ_UD RESET RSET CLKIN AD9850 17 16 15 14 13 21 20 12 OUT1 OUT2 R1 R2 25Ω 3.9K 9 CLKIN GPIOA0 R/W U5 A_2 A_3 A_7402 U6 A_2 GPIOA1 A_3 A_7402 A_1 CLK0 A_1 CLK1 U1A GPIOB0 GPIOB1 GPIOB2 GPIOB3 GPIOB4 GPIOB5 GPIOB6 GPIOB7 GPIOA0 45 46 47 48 49 50 53 55 92 R/W 51 93 57 59 60 GPIOA1 GPIOB8 GPIOB9 GPIOB10 TMS320F2812 图 3 AD9850 与 TMS320F2812 的连接原理图 2.2.2 接收采样模块主要由超声波换能器、信号放大电路、带通滤波器、混频器、低通滤波器组成。通常接收到的超声波信号是非常小的，而一般需要采样的信号的幅值是 5V，所以必须对它进行放大。带通滤波器的作用是以 1MHz 为中心频率，保留 1MHz 左右的频率信号，尽可能减弱干扰信号[3]。混频器的作用是降低信号频率，仅保留了发射的超声波与接收的超声波的频率差，这样不但降低了采集较高的频率的成本，不必使用很快的 A/D 来进行数模转换，而且减小了采集到的数据的误差。信号最后再通过低通滤波器，减弱混频产生的高频干扰。 2.2.3 处理与控制模块主要由 DSP(TMS320F2812)、AVR(mega16)、液晶、键盘组成。 DSP 在整个处理与控制模块中起到了关键的作用。它是系统的核心，流速的计算也是它来进行的。DSP 芯片的优点就是具有强大的运算能力，能在较短的时间里完成复杂的算法。TMS320F2812 是 TI 公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的 32 位定点 DSP 芯片，最高可在 150MHz 主频下工作。它片内集成众多资源：存储资源 Flash、RAM；标准通信接口，如串行通信接口（SCI）、串行外设接口（SPI）、增强型 eCAN 总线接口，方便与外设之间进行通信[4]。在 TMS320F2812 内部还集成了一个 12 位的 ADC 转换模块，最高采样速率达 12.5Msps；TMS320F2812 片上还包括事件管理器（EV）、定时器、看门狗以及大量的用户可开发利用的 GPIO 口等资源[5]。从低通滤波器出来的信号进入到 DSP 芯片 TMS320F2812 的模/数转换器（ADC）进行模数转换，TMS320F2812 内部定时中断子程序进行数据采样，采集的数据送入环形数据缓冲区内，然后 TMS320F2812 对采样数据进行 FFT 变换求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速[6]。AVR 通过 SPI 从 DSP 中读取流速数据，再根据用键 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 盘设置的参数进而求得流量，然后在液晶里显示出来。 3 软件设计软件设计主要采用 C 语言进行编写，再设计 DSP 的 FFT 算法时，可以使用汇编语言和 C 语言进行混合编写。DSP 的编程工具为 TI 公司推出的 CodeComposerStudio（CCS），该工具提供的实时分析和数据可视化功能把传统的 DSP 调试技术向前提高了一大步，大大降低了 DSP 系统的开发难度。软件设计的总体思想是：DSP 的作用主要是控制 DDS 芯片，然后发射超声波，对采集回来的数据进行模数转换，计算频移从而计算流速。AVR 的作用主要是从 DSP 读出流速，然后计算流量。计算流量所需的管道流通截面积是可以改变的，可以根据实际情况用键盘进行变动。软件设计的主程序流程图如图 3-1。 AVR 上电 DSP 上电 AVR main()入口初始化等待 DSP 流速计算完毕计算流量显示流量 DSP 的 Bootloader DSP main()入口发射超声波启动 A/D，计算流速停止发射超声波通知 AVR 流速计算完毕图 4 软件设计总主程序流程图 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 4 结论本文设计了以 DSP 为核心的多普勒流量计，完成了整体的硬件设计和软件设计。用 DSP 来进行流速计算，保证了计算的精度和速度；使用 AVR 来辅助 DSP 进行控制与处理，一方面分担了 DSP 的工作，加快了数据处理速度，另一方面使流通截面积可以变动，使多普勒流量计变的更加灵活，用于各种不同的管道时更容易设置。由于水平的限制，本文的系统方案还需要完善和改进，特别是要在流体测量温度对测量的影响和流体动力学[7]两个方面进行分析，这对于提高多普勒流量计的精度是十分重要和必要的。另外，加入另一个频率的超声波收发处理模块，组成双频超声波多普勒流量计，也能很好的提高精度。 [参考文献] (References) [1] 刘欣荣.流量计[M]，水利水电出版社，1990.3. [2] 刘宇.数字信号处理技术在多普勒流量计中的应用研究[D].西安理工大学硕士论文，2001. [3] 赵光宙，舒勤.信号分析与处理[M]，机械工业出版社，2001.8. [4] 苏奎峰，吕强，耿庆峰，等. TMS320F2812 原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005.4. [5] 孙丽明.TMS320F2812 原理及其 C 语言程序开发[M].北京：清华大学出版社，2008.12. [6] 赵红怡.DSP 技术与应用实例[M].电子工业出版社，2003. [7] 林建忠，阮晓东，陈邦国，等.流体力学[M]. 北京：清华大学出版社，2005.9. - 6 -

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