《基于ARM处理器的多普勒法超声波流量计》
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摘 要：多普勒法超声波流量计是一种智能化的工业在线检测仪表,利用非接触式超声波多普勒检测方法实现流量检测,具有直观、稳定、可靠、适应性强等优点,近年来得到了广泛的应用.本设计基于飞思卡尔K60系列的ARM处理器,利用超声多普勒原理实现流量检测,利用Labview对软件算法结果进行捕获分析,证明了本设计的可行性.
关键词：ARM处理器;多普勒原理;DDS;FFT;CZT
超声波流量计较传统流量计有着不可比拟的优点,即安装简单、非接触测量、无压力损失、无流体扰动影响、适用于多种管径、几乎不需要维护等.本设计应用ARM处理器实现超声多普勒法对介质流量的检测.
1.多普勒法超声波流量计原理
多普勒法超声波流量计利用声学多普勒原理,通过检测散射体产生的多普勒频移,进而得出流体的流速与流量值.其适用于检测含有悬浮颗粒、气泡等具有反射能力的两项流场合,这也是其它流量计难以解决的.
当流体中含有悬浮粒子,一束频率为 的连续超声波沿着与流速成 角方向传播时,悬浮粒子散射的超声频率 与 之间服从多普勒关系,频移 ,于是流速 ,式中 为被测介质的声速,若已知管道截面积为 ,则流量 .
2.硬件设计
硬件系统分为三个部分：主控部分、信号处理部分及外设部分.
2.1 主控部分
本设计主控部分选用基于Cortex-M4内核的ARM处理器MK60FX512,它的AD采集器将接收电路回传的信号进行模数转换,经过FIR滤波、FFT及CZT变换后,计算出多普勒频移,进而求得流速、流量信息.
2.2 信号处理部分
2.2.1 信号发射部分
多普勒信号发射由K60控制DDS芯片产生固定频率的方波或者正弦波,来驱动超声波探头发射超声波信号.DDS芯片选用TI公司生产的低功耗LVCMOS时钟芯片CDCE913,其应用电路如图1所示,S0为片选信号,S1为数据输入,S2为时钟输入,Y1、Y2、Y3为频率输出.
2.2.2 信号接收部分
超声波信号在经过管壁和被测介质时会产生多普勒频移.本设计选用的超声波换能器频率为0.5～1MHz,产生的频移在0～3KHz范围内,使用带通滤波器将这个范围的频移信号选出,再通过与基准信号进行混频处理后,用低通滤波器选出有用的频移信号,供给主控ARM处理器的AD采集器.
2.3 外设部分
外设部分主要用于流速及流量显示、485/232通信、4-20mA输出、人机交互等功能.
3.软件设计
软件设计采用C语言进行编写,设计了FIR滤波、FFT及CZT等数据处理算法,并利用NI公司推出的labview软件对算法结果进行采集,以验证其正确性.软件设计的主程序流程图如图2示.
4.捕获分析
利用MK60FX512的AD采集器,采集1MHz频率的信号,经过软件算法处理后,输出相应的频率,然后用labview软件捕获以上两个频率信号,如图4所示.算法处理后的频率波形,与原始信号的频率波形是相符合的.
5.结论
本文设计了以ARM处理器为核心的多普勒原理超声波流量计,完成了整体的硬件和软件设计.由于MK60FX512自带DSP单元,其既能进行系统控制与处理,又能精确、快速的计算流速、流量等数据,节省系统成本的同时又提高了系统可靠性.
参考文献
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超声波流量计和多普勒引用文献:
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[2] 超声波流量计毕业论文模板范文 超声波流量计类论文参考文献范文2万字
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