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。

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。