DSP在声呐流量计中的应用

李云龙

摘 要：基于DSP芯片TMS320F28335设计实现了一种声呐流量计，其具有精度高、适应性好、操作方便和成本低廉等特点。整个系统以稳定、实用、可靠为设计目标。在保证实现基本功能的基础上，充分优化硬件电路和软件架构。本系统充分利用了DSP的高速处理信号的特性，在提高测量精度的同时，还简化了硬件电路设计，从而降低了系统的生产成本。

关键词：TMS320F28335；声呐；流量计

中图分类号：TP216 文献标志码：A

0 引言

流量是工业生产过程中的重要参数，流量测量数据是企业进行生产自动化控制、进行经济核算的重要依据。随着工业检测领域对流量检测仪表的性能要求越来越高，现有的常规流量计，如基于差压式、容积式、涡街式、电磁式、超声时差法和多普勒频移法原理的流量仪表，由于在不同程度上受限于流体的物理性质、流体流动的特性、安装工艺条件、维护需求及经济性等原因，不能完全适用复杂的管道流体应用环境。随着声呐检测技术的发展，研发高可靠性、高精确性的声呐在线流量计，成为市场的迫切需求。声呐流量计采用非接触式测量，其流量测量准确度几乎不受测量介质的压力、浓密度、温度等参数的影响，同时该测量方式可解决其他流量仪表所难以测量的易结垢、非导电性、强腐蚀、易燃易爆及介放射性介质的流量测量问题。

本文详细介绍了声呐流量计的工作原理和产品设计，在借鉴吸收国外声呐测量技术的基础上设计了基于TMS320F28335单片机的流量检测仪表。声呐流量计是目前最先进的流量检查技术，目前国际上只有美国一家公司拥有基于此原理的产品。在产品设计中高度重视系统的稳定性，在软件设计时，采用温度补偿、傅里叶变换等方法修正测量精度。

1 工作原理

由模拟计算及实验所测信号可以发现，单纯从时域的湍流脉动信号难以得到与流速相关的信息。傅里叶变换可以很方便地得到各个通道信号的频域信息，但是由于空间只有8个传感器得到的8个信号数据，难以通过二维傅里叶变换同时得到时间和空间的频率信息。通过应用阵列信号处理领域的多重信号分类算法（Multiple Signal Classfication，MUSIC算法）破解了该难题，通过应用该算法对8路阵列信号数据进行数据处理，得到了波数-频率域的对流脊曲线，进而得到了对应的流速。详细介绍如下。

根据MUSIC算法基本原理，信号协方差矩阵为：

（1）

将Rxx进行特征值分解，得Rxx=[U]∑[U]H，其中矩阵∑为特征值对角阵，矩阵[U]为特征向量矩阵，包括信号特征向量矩阵[Us]和噪声特征向量矩阵[UN]。故有空间谱函

（2）

计算空间谱随波数k的变化情况， 对所选频率范围内进行相同的算法处理，可以得到对应不同频率的PMUSIC的值。湍流脉动的能量是对应特定空间波数和时间频率的函数。能量的集中区域为一屋脊状结构，称为对流脊，它代表了湍流脉动信号的空间和时间频率特征。湍流的脉动流速与管中平均流速大致接近（大约为平均流速的90%左右，与流速、管径等参数有关），该流速与空间频率时间频率之间存在如下关系：

（3）

由此公式可知，能量集中的对流脊区域进行识别，得到其斜率，即可得到湍流的脉动流速，经过进一步的校准，就可以得到管中流速。

2 产品设计

2.1 主控系统

主控系统分为模拟和数字两个部分：模拟部分包括前置放大电路、信号采集电路（包括对数放大电路、滤波电路、AD转换电路、DA转换电路等）；数字部分包括TMS320F28335主控系统、人机界面、继电器输出和控制输出电路等。在硬件设计过程中充分考虑成本和性能两个方面，力求性能稳定，结构简单，功能完善，存在扩展功能。

2.2 传感器前置放大系统

根据PVDF压电薄膜的电荷等效模型设计了前置放大电路，其包括前级信号采集设计、滤波器设计以及整体电路设计，以下做具体说明：

前级信号采集电路有远大于PVDF薄膜的输入阻抗，使得PVDF产生的电荷尽可能多地积累在电容上，有效减少了电荷泄漏，而输入的电阻很大，电容的放电时间常数很大，这样可以提高电路的低频测量能力和信号幅度，减少负载效应。

滤波器的幅频特性与阶数有关，阶数越多特性越好，同时电路的复杂程度也越高。本设计采用有源巴特沃斯低通滤波器加无源低通滤波器的设计，使得通带内的增益稳定，不会出现在截止频率附近的增益隆起现象。

2.3 信号处理主控系统

信号处理主控系统具有信号调理、信号采集、信号处理和结果输出等功能。信号调理单元以可变增益放大器组合为核心，前段设计有抗混叠滤波器；信号采集单元须完成8路音频模拟信号采集。由FPGA控制协同8路传感器信号的同步采集，实现快速的实时性要求，因为工艺管道中流体流速很快；信号处理单元采用DSP阵列算法对采集到数据进行处理，通过专有编制的流量算法模型实现流量结果输出；以太网通信、键盘显示控制、模拟/数字信号输出（Modbus/RTU RS-485/232通信）等辅助功能外围单元设计以单片机为核心来完成。

3 仪表测试及数据分析

声呐流量计采用标准表法确定检测精度，测量系统主要由水池、水泵、电磁流量计、声呐流量计、温度传感器、压力传感器、阀门及管道等组成，通过调节水泵和速度调节阀控制流量的大小，在循环系统中安装的电磁式流量计用于标定声呐流量计。实验要求在1.0m/s～4.0m/s的流速变化范围内进行对比测试。测量范围内每变化0.5m/s选择1个流量标定点，标准表（电磁流量计）与被测表（声呐流量计）的累积流量值由水流量控制系统实时记录，通过对比分析计算得到测量精度。

水流量控制系统采集多个流速点，累积后得到流量值，确定的8个测试流速点分别是：1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，3.5m/s，4.0m/s，4.5m/s，标定实验要求对各流速点进行往复5次的重复测试实验。流量从1.0m/s～4.5m/s范围内，声呐流量计的平均误差小于0.13%，由此可以反映出两种流量计的波动趋势相近，声呐流量计能够准确反映流量变化情况，满足工艺现场自动控制要求。

结语

本設计采用TMS320F28335作为系统的主控芯片，由于它具有高速信号处理能力，测量的实时性得到了有效的保证。声呐流量计除了具有流量计算功能模块之外，还设计相关的功能模块：显示模块、存储模块、人机界面模块、电源模块等。现场应用表明：其安全可靠，体积小，操作维护方便，成本低廉，具有广阔的应用前景。

参考文献

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