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楊萍(1979-)，女，講師，（陜西科技大學電信學院，陜西 西安 710021）主要從事數字信號處理的教學與科研工作。基金項目：
受陜西省教育廳專項科研計劃項目資助。
受陜西科技大學自然科學基金項目資助。
摘要：本文首先介紹了相關檢測的原理和超聲波相關流量計的工作過程，在此基礎上給出了以DSP芯片TMS320VC5402為核心的測量系統硬件框圖，并詳盡的分析了各部分的功能和所使用的芯片，尤其是使用了新的DDS芯片AD9850生成正弦波。最后，還給出了系統程序的主流程圖。通過仿真實驗，證明此方案是有效、可行的。
關鍵詞：超聲波流量計；DSP；DDS；相關；噪聲
關鍵詞：超聲波流量計；DSP；DDS；相關；噪聲
Abstract: Both the principle of correlative measurement and work process of ultrasonic correlative flow-meter are introduced in this paper. Hardware design diagram with the core of DSP chip TMS320VC5402 is proposed on the basis of this principle. Functions of all parts and chips used are analyzed in detail. Especially, in our design, new DDS chip AD9850 is used to produce the sine wave. Finally, we give the flowchart of this system. The simulation experiments prove the effectiveness and feasibility of this method.
Key words: ultrasonic flowmeter；DSP；DDS；correlation；noise
1 引言
工業生產和科學實驗都離不開對工質數量的了解或對各種物質（原料）配比的控制。為了保證產品質量、進行經濟核算，對單位時間內物料的輸送量（流量）或某段時間內物料的總輸送量要精確計量和控制，并要求能及時地發出反映流量大小的信號。流量測量，不管是以計量為目的，還是用于過程控制，幾乎涉及所有的領域。相關流量測量技術是以隨機過程的相關理論為基礎的一種流動參數檢測技術。它在解決兩相(氣/液、氣/固和液/固等)流體以及多相(多組份)流體的流動參數測量問題上具有巨大的潛力。
2 超聲波相關流量測量的工作原理
超聲波技術應用于流量測量主要是依據超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息,利用接收到的超聲波信號就可以測量流體的流速和流量。
2.1自相關函數及其工程應用
自相關函數用來度量同一個隨機過程前后的相關性。假設一個樣本記錄x(t)來自各態歷經平穩隨機過程，則其自相關函數
是樣本x(t)與此樣本記錄在作時移
后的信號x(t+)作乘積后再作積分平均運算，即
以有限長樣本作其估計。自相關函數分析主要用來檢測混淆在隨機信號中的確定性信號，這是因為周期信號或任何確定性信號在所有時差值
上都有自相關函數值，而隨機信號當足夠大以后其自相關函數趨于零（假定隨機信號均值為零）。2.2 自相關檢測原理
自相關檢測技術是應用信號周期性和噪聲隨機性的特點，通過自相關函數Rxx(
)運算，達到去除噪聲的一種技術，其中是所研究兩點間的時間間隔，即兩信號間的時延。
圖1 自相關檢測框圖
設混有隨機噪聲的信號
由(1)式可知fi(t)的自相關函數為：
故
由于信號與噪聲是互不相關的隨機過程，如果設信號或噪聲的平均值為零（至少噪聲的平均值為零），那么(3)式中的Rsn(
)及Rns()都為零。雖然從理論上講，噪聲前后可以認為是互不相關的。而實際上，對于時間間隔不大的兩點仍有可能是相關的。測量系統中發射的超聲波是頻率為1MHz左右的正弦波：
可求得它的相關函數
圖2 正弦波與噪聲之和的自相關函數
顯而易見，隨著
的增加，噪聲成分Rnn()很快地衰減，而信號成分Rss()仍然保持著周期性變化，從而實現周期信號的檢測。2.3 流量的相關檢測
流體在封閉管道內流動時，其內部存在著與流體流動狀況有關的隨機流動噪聲，并具有一定的統計特性。通常在信號檢測系統中，噪聲是一種須加以抑制的干擾信號，然而在相關測量系統中，這種流動噪聲可以利用某種傳感器檢測出來，通過適當的信號處理后，從中提取出含有流體信息的有用流動噪聲。由于隨機流動噪聲對超聲波有調制作用，故可通過超聲相關方案檢出流動噪聲信號，從而可知流動狀況的信息。流量計工作原理如圖3所示。
圖3 相關流量計的工作原理圖
如圖3所示，在沿管道軸線相距L的截面A和B處安裝兩個超聲換能器（上游換能器和下游換能器）。工作時上游換能器向被測流體發射一定幅度的能量束，當被測流體在管道內流動時，流動噪聲調制上游傳感器發出的能量束，下游換能器檢測到引起調制作用的隨機信號，再通過信號轉換電路，就可以從下游接收換能器提取出與被測流體流動狀況有關的流動噪聲信號x(t+
)。由相關理論可求得此信號在被測流體中的傳播時間 （即流體的流動時間）。因此信號在該系統中的傳播速度v可以按下式計算：
通常，v稱為相關速度；L為上、下游傳感器的距離。在理想流動狀況下，也就是管道截面上各點處流體的流速相等時被測流體的體積平均流速 可以用相關速度v來表示，則流量Q的計算公式為：
式中：D──管道內徑
K──流速分布補償系數
3 超聲波相關流量測量系統組成
3.1 系統硬件組成
根據相關流量的測量原理，設計系統的硬件電路框圖如圖4所示。
圖4 系統硬件框圖
由于本設計對精度和測量速度都有較高的要求，所以必須選擇位數高而且運算速度快的處理器。近年來隨著微電子學、數字信號處理的發展，數字信號處理器(DSP)獲得了飛速的發展，使得在頻域進行相關運算成為可能。同時將流動信號變換到頻域并利用各種信號分析方法可能會得到一些與流動狀態有關的信息，從而可進一步改進與完善相關測量技術。本系統選擇TI公司的TMS320VC5402DSP芯片，主頻可高達100MHz。
測量過程中超聲波信號反映了流速的信息，愈少在頻譜中引入干擾分量愈好，所以采用DDS技術。 DDS(Direct Digital Synthesis)即直接數字頻率合成技術，是一種應用數字技術來實現產生信號波形的方法。DDS技術將先進的數字處理理論與方法引入到信號合成領域，它建立在采樣定理的基礎上，首先對需要產生的信號波形進行采樣和量化，然后存入存儲器作為待產生信號波形的數據表。在輸出信號波形時，從數據表中依次讀出數據，產生數字化的信號，這個信號再通過DAC轉換成所需的模擬信號波形。
和其他DDS產品相比，AD公司生產的CMOS型DDS芯片AD9850有著功能強大、價格低廉等優點，特別適宜正弦波形的合成。對AD9850的控制主要是輸出頻率、相位和低功耗狀態控制。AD9850有40位調節字，即W0、W1、W2、W3、W4五個字節。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850，圖5是控制字并行輸入的控制時序圖，在并行裝入方式中，通過8位數據總線D0 ... D7將數據輸入到寄存器，在重復5次之后再在FQ_UD上升沿把40位數據從輸入寄存器裝入到頻率/相位數據寄存器(更新DDS輸出頻率和相位)，同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器。接著在W_CLK的上升沿裝入8位數據，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續5個W_CLK上升沿后，W_CLK的邊沿就不再起作用，直到復位信號或FQ_UD上升沿把地址指針復位到第一個寄存器。其中W1-W4是32位頻率控制字， W0的第3-7位是相位調節，第2位是休眠選擇（1是休眠，0是工作），最低兩位是并行或串行選擇（10，01都是并行）。AD9850計算頻率調節字的公式為：
其中 是輸出頻率，X為調節字，CLKIN為AD9850工作頻率。
圖5 AD9850的并行工作時序圖
本設計中要求產生頻率為1MHz的正弦波，即 =1MHz，并且實際電路中CLKIN=50MHz，根據（8）式，可得X=51EB851h。我們無須相位調節，則W0=01h，W1=05h，W2=1Eh，W3=B8h，W4=51h。
另一個主要的問題是對產生的正弦波和接收的信號進行采樣。由于產生的正弦波頻率為1MHz，根據香農定理可知，采樣頻率必須大于2MHz才能保證信號的不失真。我們選用BB公司的ADS803芯片，12位、5MHz、并行高速A/D轉換器，其具有高噪信比、低失真度、低功耗、輸入范圍變化靈活和輸入溢出報警等優點。ADS803內部集成有寬帶線性采樣保持器，其保證了奈奎斯特頻率下芯片的優良性能。
3.2系統的軟件設計
系統程序流程如圖6所示，其中包括DSP初始化模塊，DDS芯片生成正弦波模塊，A/D轉換模塊，DSP相關算法模塊，數據存取模塊，鍵盤顯示模塊等。
圖6 系統程序主流程圖
4結束語
系統采用DSP作為處理器，并結合DSP的高速處理能力及頻域內的快速算法，從而保證了相關運算的實時性。通過仿真實驗，證明此方案是有效、可行的。
參考文獻：
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其他作者：
武 欣，楊良煜（西安科技大學電控學院，陜西 西安 710054）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號