一種時(shí)差式超聲波流量計及其簡(jiǎn)化算法

    流體流量計的用途十分廣泛，在工業(yè)上，如石油、化工、水電等部門(mén)，流量計已經(jīng)成為對液體流量檢測必不可少的設備。超聲波流量測量技術(shù)是一種利用超聲波信號在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來(lái)測量流體流量的測量技術(shù)，作為一種新型的非接觸式流量計，它具有安裝簡(jiǎn)單、使用方便、測量范圍寬等特點(diǎn)，時(shí)差法超聲波流量計測量流量是目前廣泛應用的一種方法。近幾年來(lái)，隨著(zhù)FPGA和DSP的發(fā)展和廣泛應用，數字信號處理技術(shù)的改進(jìn)使產(chǎn)品的測量精度得到了不斷提高。

    時(shí)差式超聲波流量計需要采用兩個(gè)超聲波探頭來(lái)進(jìn)行信號的發(fā)送和接收，通過(guò)測量超聲波自傳感器沿順、逆流方向傳播時(shí)的時(shí)間差計算流體流動(dòng)速度[1]，由于該時(shí)間差很小，往往達到納秒量級甚至更低，測量超聲波傳播時(shí)間的精度是流量計測量精度的關(guān)鍵，也是設計人員重點(diǎn)研究的問(wèn)題[2]。針對上面的要求，在此設計了一種基于FPGA和DSP的高精度超聲波流量計系統，利用FPGA和DSP分別實(shí)現精確的時(shí)序控制和快速的數字信號處理[3，4]，從而提高系統的響應速度、準確度和穩定性。為提高測量精度，該系統在信號處理上主要采用插值和相關(guān)法，由于檢測和處理超聲波信號的運算量大，對系統硬件要求很高，該系統結合滑動(dòng)窗口對相關(guān)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，提高了系統的性能。

    1　系統結構和工作原理

    系統的硬件組成結構如圖1所示，其是由FPGA，DSP，MCU、切換電路、A/D轉換、自動(dòng)增益控制、外部RAM和LCD顯示等幾部分構成的。DSP為數字處理核心，用于FIR濾波、相關(guān)運算等大量數據處理[5]，整個(gè)系統的時(shí)序由FPGA控制，確保了時(shí)序的準確性[6]。

圖1　系統的硬件結構框圖

    超聲波換能器A，B在FPGA的控制下，輪流工作在發(fā)射和接收狀態(tài)，用以測量順流、逆流時(shí)超聲波傳播的時(shí)間差，其諧振頻率為1MHz。接收信號經(jīng)過(guò)選頻放大濾除了部分干擾信號，再由自動(dòng)增益控制AGC放大后送往A/D轉換器，以每次25ns的轉換速度實(shí)現A/D轉換，并存儲到外部RAM中，整個(gè)過(guò)程都在FPGA的控制下進(jìn)行，確保了時(shí)序的準確性。為了進(jìn)一步提高運行的速度，DSP首先將外部RAM中的數據轉存到內部RAM中，再進(jìn)行55階FIR濾波，經(jīng)過(guò)FIR濾波后的信號，其采樣速率較低，測量精度不夠高，為了提高精度，這里進(jìn)行了插值運算，插值后的兩組信號再經(jīng)過(guò)相關(guān)運算處理[7]，便得出流體順流和逆流的時(shí)間差，從而求出流體的流速[8，9]。

    2　滑動(dòng)窗口接收技術(shù)

    滑動(dòng)窗口是在接收信號到達的前后才有效的一個(gè)時(shí)間窗口，窗口之外的信號一概不予處理，這樣可以減小噪聲的干擾并降低運算量。為保證檢測信號的有效性，必須先去掉接收端的干擾，采用窗口和脈寬檢測是兩個(gè)行之有效的方法。測量窗口的初始位置是根據人機對話(huà)輸入的參數設置的，并通過(guò)有效信號的檢測位置不斷調整窗口到合適的位置。窗口的設置限定了信號的接收范圍，在一定程度上消除了噪聲的干擾，同時(shí)也減少了要處理的信號樣本數，降低了運算量。

    滑動(dòng)窗口的設置方法為：?jiǎn)纹瑱C根據人機對話(huà)輸入的參數（管徑、壁厚及流體），計算出信號自發(fā)射探頭到接收探頭所需傳播時(shí)間的近似值，根據該近似值控制數據采樣的開(kāi)始時(shí)間，每組數據采集15000個(gè)點(diǎn)，由于采集的數據足夠多，完全可以保證有用數據能夠被采集到。經(jīng)過(guò)AGC電路的調整，當采集到的信號幅度滿(mǎn)足要求時(shí)便對它們分別進(jìn)行FIR濾波，再根據幅值找出有用信號的最大值點(diǎn)并進(jìn)行信號有效性判斷，信號確定為有效后再進(jìn)行滑動(dòng)窗口調整，將有用信號移動(dòng)到有效窗口。由于換能器探頭的諧振頻率為1MHz，采樣頻率為40MHz，探頭發(fā)射信號為5個(gè)周期，考慮到探頭的余波，為了更好地采集接收信號，窗口寬度設定為800個(gè)信號點(diǎn)，即20個(gè)信號周期。圖2所示為窗口調整前部分內存中的數據，從上面可以看到兩組信號，前者幅度小，是超聲波沿管壁直接傳遞而形成的，其傳播速度快，傳播時(shí)間短，后者是超聲波沿正常路徑傳輸的結果，幅度較大，也是需要的有用數據。圖3是窗口調整后內存中的數據，可以看到，有效數據已被移動(dòng)到最左側的有效窗口中，后面的插值及相關(guān)運算都是只對該段數據進(jìn)行。

    3　插值及相關(guān)算法的簡(jiǎn)化

    在超聲波發(fā)生電路中，由同一觸發(fā)脈沖觸發(fā)2個(gè)相同的換能器產(chǎn)生超聲波，測量中2路采集信號具有很大的相似性，因此能對信號進(jìn)行相關(guān)處理。在超聲波流量計中，對時(shí)間測量精度的要求很高，為了提高分辨率，可以采取一般的采樣方法，然后通過(guò)數字信號處理中常用的插值算法，由軟件提高系統的采樣頻率，從而提高時(shí)間的分辨率。

圖2　窗口調整前部分內存中的數據

圖3　有效數據被移動(dòng)到左側

    換能器的諧振頻率為1MHz，采樣頻率為40MHz，采樣的時(shí)間分辨率為25ns，對于超聲波流量計，這樣的分辨率是不夠的，還必須提高信號的采樣頻率，即進(jìn)行插值處理。如果采取先補“0”再濾波的方法，必須增加濾波器的階數，同時(shí)由于插值后樣本增加，濾波運算所需要的時(shí)間會(huì )大大增加。因此該系統采用線(xiàn)性插值的方法，在相鄰2個(gè)數據點(diǎn)之間插入19個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)與插入前的相鄰點(diǎn)在同一直線(xiàn)上，這樣時(shí)間分辨率可以達到1.25ns。該系統時(shí)間差的測量是通過(guò)比較兩組超聲波信號的皮爾遜積差相關(guān)系數的值來(lái)確定的，相關(guān)系數的計算方法如下[10]：設xi和yi分別代表兩組信號的采樣值，i=1，2，⋯，n。n為采樣數量，設分別為兩組采樣信號的平均值有，

    σx，σy分別為2組采樣信號的均方差有：

r稱(chēng)為相關(guān)系數，其公式為：

上式經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后得到公式：

　　相關(guān)系數r的重要特征為：0<|r|<1，r為正值即正相關(guān)，r為負值即負相關(guān)。系統通過(guò)不斷改變兩組采樣信號的相位關(guān)系，同時(shí)計算出相關(guān)系數，當相關(guān)系數最大時(shí)兩組采樣信號之間的相位差即為兩組信號的時(shí)間差值。

    因有效窗口兩端數據的變化很�。ㄈ鐖D3所示），在小范圍內改變兩組數據的相位關(guān)系后，可以認為相關(guān)系數公式中的分母項的值是不變的，其不隨兩組采樣信號的移相變化而變化。因此，在判斷相關(guān)系數最大值時(shí)，只需計算相關(guān)系數公式中的分子式項的值，然后判斷它的最大值即可，這樣可以大大地減少系統的運算量，提高系統的反應的速度。

    4　相關(guān)算法及其簡(jiǎn)化算法的仿真與比較

    為了檢驗相關(guān)算法簡(jiǎn)化后對結果帶來(lái)的影響，把采集到窗口中的兩組數據經(jīng)濾波與插值后，通過(guò)Matlab分別對完整的相關(guān)算法及簡(jiǎn)化算法進(jìn)行仿真分析[11]，仿真波形如圖4所示。

    其中上部為簡(jiǎn)化算法的仿真結果，下部為完整相關(guān)算法的仿真結果。圖5為一部分仿真數據。從圖中可以看出，完整相關(guān)算法的相關(guān)系數據介于+1～-1之間，最大值（接近于1）出現在5001的位置。相比之下，簡(jiǎn)化算法的值大若干數量級，這是簡(jiǎn)化算法略去分母的結果，但這對計算沒(méi)有影響，只要得到最大值出現的時(shí)間，重要的是簡(jiǎn)化算法的最大值也出現在5001的位置，并且其波形與完整的相關(guān)算法幾乎一樣。由此可見(jiàn)，相關(guān)算法的簡(jiǎn)化并沒(méi)有對這里的計算帶來(lái)誤差。為進(jìn)一步證實(shí)系統的可用性，將該系統與寶麗聲DCT7088超聲波流量計進(jìn)行了對比測量，被測管道為外徑為45mm的鋼管，壁厚3.5mm，管道中的水由循環(huán)泵驅動(dòng)，通過(guò)變頻器控制循環(huán)泵的轉速來(lái)得到不同的流速，測量結果如圖6所示，二者測量結果已經(jīng)十分逼近。

圖5　相關(guān)算法及其簡(jiǎn)化算法的部分仿真數據

圖6　實(shí)測流量對比曲線(xiàn)

    5 結語(yǔ)

    這里以FPGA，DSP和MCU作為核心器件設計了一種時(shí)差式超聲波流量計，結合自動(dòng)延遲窗口技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了用于計算時(shí)間差的相關(guān)算法，提高了系統的性能。通過(guò)對系統實(shí)驗測試及計算機仿真，表明該系統方案切實(shí)可行。