基于DSP的双频超声波流量计硬件电路设计

　　1　引　言

　　超声就是指频率高出可听频率极限(即在20 kHz以上的频段)的弹性振动,这种振动以波动形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波技术应用于流量测量的原理是:由超声换能器产生的超声波以某一角度入射到流体中,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。上世纪70年代以后,由于集成电路技术的迅猛发展,高性能、高稳定性的锁相技术的出现与应用,才使实用的超声波流量计得以迅速发展。超声波流量计结构简单,压力损失小,而且使用方便,因而得到了广泛的应用。

　　根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计;根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计;根据对信号的检测原理,超声波流量计非接触测量方法分为:传播时差法、多普勒法、波束偏移法及流动超声法等不同类型,其中传播时差法又分为直接时差法、相位差法和频差法。

　　双频超声波多普勒流量计能够产生两组异频、相互独立的超声波信号,两种频率用于识别和排除一系列的错误信号,他能有效去除噪声信号,并将准确识别出的多普勒信号进行平方放大。

　　本文给出了一种双频超声波流量计的硬件电路设计方法。

　　2　总体的系统设计

　　整个系统的硬件结构可以分为两大模块:超声波发射、接收探头及滤波放大电路的设计和数字系统的设计,如图1所示。发射探头发射两个己知的固定频率的独立超声波信号,接收探头负责接收含有流体的流速信息的超声波。接收到的超声波分别被前置放大电路、带通滤波器放大器、混频器及低通滤波器处理获得含有流体流速信息的低频模拟多普勒信号,再送到数字系统部分的DSP(TMS320F2812)的模/数(A/D)转换器

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对采样数据进行加窗处理、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。单片机C8051F236通过SPI从DSP中读出流速的数据,再根据输入的仪表参数进行流量、累计流量等所需要的数据量的计算,并通过液晶显示器显示。除了测量以外,还可以通过键盘选择执行安装、测试、设置仪表和现场参数等多种操作。

　　系统总电路图如图2所示。系统总共有6个模块,分别是电源模块、发射模块(超声波产生和功率放大)、接收模块、DSP模块、扩展单元模块和单片机模块。

　　3　超声波的产生与功率放大