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太模块：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，采集的数据送人环形数据缓冲区内，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。

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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。

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3超声波的产生与功率放大
　　多普勒超声波测量中传感器的激励方式有单载频脉冲激励、连续正弦波激励和伪随机码信号激励等，由于连续正弦信号的采集较为容易，也适于作频谱分析，因此选用这种方式。
　　超声信号的频移反映了流速的信息，测准频移是保证测量精度的关键，愈少在频谱中引入干扰分量愈好，因此我们需要源信号有较高的纯度。一般的正弦振荡电路会有很多谐波分量，而且频率漂移较大，一旦调节好了频率又不易修改，使系统适应不同频率传感器的灵活性减低，但是DDS芯片可以解决这些问题。
　　DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式信号的合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC产生已经用数字形式存人的正弦波。
　　本系统选用的DDS芯片是AD公司生产的COMS型DDS芯片AD9850，该芯片最高可支持125 MHz的时钟频率，32位频率调节字可用并行或串行方式装入。+3.3 V或+5 V供电，极低功耗，28脚SSOP封装。AD9850有两种装载频率调节字的方式，无优劣之分。AD9850有32位调节字，分为 W0，W1，W2，W3，W4五个字节，每次只能写入一个字节，当W-CLK脚变高时，写入有效。FQ-UD有效时，AD9850读取新的调节字，产生新的频率输出。RESET有效时，清除调节字寄存器。
　　74HC574是8D锁存器，可将写入的数据保存在输出端直到下次时钟到来。AD9850的W-CLK，FQ-UD和RESET均通过74HC574连在DSP的GPIOA上，他们的时序是通过写入数据产生的。AD9850的工作时序如图3所示。

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　流体中有较高的颗粒含量，超声波的衰减较大，发射信号要有一定功率，因此功率放大不可少。由于超声波的频率较高(640 k和1.0 M)，进行功率放大时一般的功率放大集成电路带宽不够，因此只好用功率晶体管搭放大电路。具体电路如图4所示。该图为推挽式放大电路，Q1为NPN管 (3DDSA)，Q2为PNP管(3CDSA)。DDS-IN接DDS的输出，变压器的输出接发送传感器。

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　4接收模块
　　该模块主要是将探头接收到的信号进行调理，得到含有流体流速信息的多普勒频偏信号，供后续数字系统部分做进一步分析处理。接收探头接收到的信号分别通过中心频率为1 MHz和640 kHz的窄带带通波器，滤去其中的低频杂散噪声，放大以后送入解调器，输出含有流速信息的低频多普勒频偏信号，然后送入TMS320F2812的模／数转换器。具体电路如图5所示。

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　TLE2072是低噪声高速JFET输入运算放大器，他的单位增益带宽可达10 MHz，能满足信号放大带宽的要求，电路中起到前置放大及阻抗变换的作用。MC1350为可控增益选频放大器，中频变压器T1(T2)谐振频率为640 kHz(1 MHz)，对信号起带通滤波的作用，输出信号经TLE2072半波放大后，由RC滤波形成MC1350增益控制电压，从而使输人信号强度在较大范围内变化时得到一稳定的输出信号，此电路可使输入信号的波动范围达60 dB时输出保持稳定，保证系统的稳定工作。
　　接收信号放大电路输出的信号相对于发射信号产生了频移，此频移在0～3 kHz范围，反映流体的流速大小，由于此频移相对于发射信号频率较小，直接进行频率测量精度难以保证，所以采取混频措施得到差频信号。含有差频信息的高频信号通过CD4053模拟开关与发射信号的本振方波(CP1或CP2)进行乘积运算，经TLE2072阻抗变换后利用阻容滤波器进行低通滤波得到差频信号。
　　CD4053是带有逻辑电平转换的CMOS模拟复用器／解复用器。他是三个两通道的复用器，分别由数字控制输入(A，B，C)和一个固定输入使能，每个输入信号选择两通道中的一个。他也可以用做解复用器，"CHANNEL IN／OUT"终端是输出，"COMMON OUT／IN"终端是输入。
　　5 DSP系统
　　TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达150 MHz，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。因此本系统以TMS320F2812为核心，对采样数据进行加窗处理、FFT变化求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。并将流速信息通过SPI传送给单片机。
　　F2812 采用3.3 V和1.8 V双电源供电，数字模拟地分离设计。DSP和外围3.3 V分开供电，LED1，LED2和LED3可用来显示电源供电情况。电源和地分模拟和数字，用电感隔离。由CPLD提供各种控制信号，如读、写、复位等。 F2812通过SPISIMO，SPISOMI，SPICLK和SPISTE端口和单片机连接，来实现流速信息的传送。
　　6电路板的设计
　　6.1 布局
　　对于主要模拟部分，在布局时得要遵守输出模拟信号线最短输出，输入模拟信号线最短输入，模拟器件的模拟地以最短距离到地的原则。
　　在布线时，先布信号流的线，而后布其他信号线和电源，最后连接地线。
　　由于数字电路对信号抗干扰要求不高，作者在布局布线的时候主要考虑以下几点：
　　(1)信号线最短输入、最短输出，两层的信号线采取交叉走线；
　　(2)电源线到芯片要尽量短，并要加粗；
　　(3)高频信号要尽量单独走线。
　　(4)为了美观，把贴片封装的芯片尽量靠在一起，插针的尽量在一起。
　　6.2 电源
　　当系统中有数字电源和模拟电源时，两种电源必须要分开，一般有两种方法：第一是采用被动滤波电路，即在两种电源之间自接加上电感或者磁珠，这种方法比较简单；第二是从数字电源中利用电源模块产生模拟电源，这样也就是绝对的分离了。本系统采取第一种方法。
　　6.3 地
　　系统中有数字地和模拟地，一般有两种考虑方法：
　　(1)采用一点相连；
　　(2)采用电感或者磁珠相隔离。
　　在本系统中采用的是后者，分隔是通过一个200 mH的电感实现的。
　　7 结语
　　由于频谱分析技术和双频法能大大提高超声波多普勒流量计的精度，本文综合两种方法设计了超声波多普勒流量计的硬件电路。以DSP TMS320F2812为核心对两路频差信号分别进行采样、加窗处理、FFT变换求功率谱和功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。