《電子技術(shù)應(yīng)用》
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超聲波回波衰濺理論濃度計(jì)設(shè)計(jì)
單淑娟 呂國豐
摘要: 本文討論了超聲波濃度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù),發(fā)射電路采用DDS,接收電路采用對數(shù)放大器,,經(jīng)工程實(shí)踐證明,這些方法都是可行的,。但由于自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境干擾,該產(chǎn)品的精度還有待提高,。
Abstract:
Key words :

1 理論分析
   
超聲波在懸浮液中傳播時(shí),,與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減,其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減,,接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減,,最后到達(dá)接收端。各種衰減的機(jī)理是很復(fù)雜的,,但都是由懸濁粒子所引起,,并與懸濁粒子的數(shù)目成比例,故在一定條件下衰減是和濃度成比例的,,測知懸浮液的聲衰減系數(shù),,就能求出濃度。設(shè)液體中有懸浮粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E,。,,液體中沒有懸濁粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為a0和E0,發(fā)射,、接收端之間的距離為L,,發(fā)射電壓為Er,則:
    
    根據(jù)上述兩個(gè)公式,,懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)/L求得,。
    由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減,聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減,該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后,,即可從測量電壓得到濃度值,。
 

2 硬件設(shè)計(jì)
   
如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心,,采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串,,經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器,超聲波經(jīng)過懸濁液到達(dá)接收換能器,,利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號(hào)進(jìn)行對數(shù)放大,,最后由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出濃度值。系統(tǒng)還包括鍵盤,、顯示、參數(shù)存儲(chǔ),、開關(guān)量輸出,、繼電器輸出、電流輸出,、UART通信等部分,。

2.1 主控芯片電路
    本系統(tǒng)以美國Silab的高速混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計(jì)在超聲波發(fā)射和接收的時(shí)序上需要精確的控制,,這不僅需要處理器的速度快,,而且需要多個(gè)定時(shí)器;由接收單元返回的是低于2.5 V的電壓信號(hào),,需要經(jīng)過精確的A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給CPU處理,。C8051F021的特點(diǎn)如下;
    ①高速,、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS),。
    ②12位的片上SAR ADC,可編程轉(zhuǎn)換速率,,最大100 kbps,,可編程放大器增益。
    ③4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,,64 KB Flash存儲(chǔ)器,;可以在系統(tǒng)編程。
    ④5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器,、定時(shí)器陣列,,硬件SMBus、SPI及2個(gè)UART串口,。
    ⑤功耗低(10 mA@20 MHz),,多種節(jié)電休眠和停機(jī)方式。
2.2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串
    直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進(jìn)行頻率合成,,不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,,而且可以控制波形的初始相位,,還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器,。AD9833是可編程的,,通過高速串口外圍接口(SPI),只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡單正弦波就可工作,。AD9833可以在基于25 MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生0 Hz~12.5 MHz的波形,。
    超聲波發(fā)射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時(shí)鐘來源于25 MHz有源晶振,。AD9833的SPI總線CLK,、DATA、CS與微處理器的I/O口通過一片74HC244相連接,。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器,,用于增強(qiáng)信號(hào)帶負(fù)載能力。通過微處理的控制,,AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波,。AD9833的輸出與微控制器的選通信號(hào)EN在與非門的作用下,在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串,,這個(gè)脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對超聲波換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),。

2.3 超聲回波接收單元的對數(shù)放大器
   
信號(hào)處理領(lǐng)域中,一些信號(hào)往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍,。比如在雷達(dá),、聲納等系統(tǒng)中,需要處理的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120 dB以上,;超聲波回波接收器前端的電壓也可以從“μV”級(jí)到“V”級(jí),。寬動(dòng)態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。
    在實(shí)際應(yīng)用中,,一般會(huì)對所要處理的信號(hào)進(jìn)行非線性壓縮,。應(yīng)用最多的就是對數(shù)放大器。它使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的包絡(luò)成對數(shù)比例,。它對信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號(hào)的電平來控制增益,,其增益與信號(hào)的大小成反比,在通信,、雷達(dá),、超聲、電子對抗中有著廣泛的應(yīng)用,。
    如圖3所示,,該方案采用單端輸入,有對數(shù)零點(diǎn)和斜率調(diào)節(jié)電路,將對數(shù)零點(diǎn)設(shè)在-84 dBm,,斜率定為大約20 mV/dB,。對數(shù)放大器后加一級(jí)緩沖(AD8031),主要作用有二:一是使接收模塊最終輸出是低阻抗的,,提高抗干擾能力,;二是通過這一級(jí)的電壓增益將對數(shù)斜率恢復(fù)到25 mV/dB 。設(shè)計(jì)的對數(shù)放大器信號(hào)輸入范圍定為-72 dBm(在50 Ω源阻抗時(shí),,-72 dBm相當(dāng)于振幅為±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅為±1 V的正弦波),,相應(yīng)的對數(shù)輸出電壓為0.3~2.35 V,對數(shù)動(dòng)態(tài)范圍82 dB ,。該電路做成模塊形式,,封裝在屏蔽罩中。所有引線(地線和輸出信號(hào)線除外)均通過穿心電容引出,,穿心電容的外極接地,,以提高屏蔽效果。

3 軟件設(shè)計(jì)
    超聲波濃度計(jì)軟件由信號(hào)處理程序,、界面程序、控制信號(hào)輸出程序,、通信程序四部分組成,,軟件總流程如圖4所示。信號(hào)處理程序?qū)崿F(xiàn)DDS控制,、超聲波發(fā)射,、回波信號(hào)A/D采集、信號(hào)綜合處理等功能,,是軟件程序的重點(diǎn),。界面程序包括界面顯示、參數(shù)設(shè)置,、鍵盤處理等功能,,實(shí)現(xiàn)與用戶良好的溝通??刂菩盘?hào)輸出程序?qū)崿F(xiàn)了電流信號(hào),、繼電器信號(hào)、開關(guān)量的輸出,,完成了工業(yè)現(xiàn)場控制的需要,。通信程序按一定的協(xié)議送出儀表存儲(chǔ)的單次A/D值和綜合處理的顯示值,供儀器的性能校驗(yàn)使用,。

    軟件程序的核心由超聲波發(fā)射(包含DDS脈沖合成),、超聲波回波A/D采集程序、信號(hào)濾波程序、濃度計(jì)算程序構(gòu)成,。
3.1 超聲波發(fā)射程序,、回波A/D采集程序
    本系統(tǒng)選用的DDS是SPI總線的,在串口時(shí)鐘SCLK的作用下,,數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設(shè)備上,。FSYNC引腳是使能引腳,電平觸發(fā)方式,,低電平有效,。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),F(xiàn)SYNC引腳必須置低,,要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時(shí)間的最小值,。FSYNC置低后,在16個(gè)SCLK的下降沿?cái)?shù)據(jù)被送到DDS的輸入移位寄存器,,在第16個(gè)SCLK的下降沿FSYNC可以被置高,,但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的數(shù)據(jù)保持時(shí)間的最小和最大值。當(dāng)然,,也可以在FSYNC為低電平的時(shí)候,,連續(xù)加載多個(gè)16位數(shù)據(jù),僅在最后一個(gè)數(shù)據(jù)的第16個(gè)SCLK的下降沿時(shí)將FSYNC置高,。最后要注意的是,,寫數(shù)據(jù)時(shí)SCLK時(shí)鐘為高低電平脈沖,但是,,在FSYNC剛開始變?yōu)榈蜁r(shí)(即將開始寫數(shù)據(jù)時(shí)),,SCLK必須為高電平。
    通過微控制器的硬件SPI(使用微控制器的3個(gè)端口)可以控制DDS輸出0 Hz~12.5 MHz的方波,。另外使用一個(gè)端口和DDS的輸出共同作為與非門的輸入,,這樣就可以實(shí)現(xiàn)脈沖串的時(shí)長控制,開啟脈沖串輸出的同時(shí)對時(shí)長計(jì)數(shù),,依據(jù)超聲波在礦漿中的傳送速度和發(fā)射接收傳感器的間距就可以判斷何時(shí)接收超聲波回波,。利用片內(nèi)A/D采集超聲波回波,便可以對A/D采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,。
3.2 信號(hào)濾波程序
   
常用的軟件濾波方法很多,,包括限幅濾波法、中位值濾波法,、算數(shù)平均濾波法,、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法,、限幅平均濾波法,、一階滯后濾波法,、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法,。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣,,采集到的信號(hào)沒經(jīng)過處理往往不能直接用,這樣就需要對采集到的A/D值進(jìn)行濾波處理,。由于現(xiàn)場的跳變是隨機(jī)的,,所以不能用常規(guī)的濾波程序,需要用到限幅濾波法和消抖濾波法的綜合方法——限幅消抖濾波法,。
    限幅濾波法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷,,確定兩次采樣允許的最大偏差值(設(shè)為A)。每次檢測到新值時(shí)判斷:如果本次值與上次值之差小于等于A,,則本次值有效,;如果本次值與上次值之差大于A,則本次值無效,,放棄本次值,,繼續(xù)下一次A/D采樣。
    消抖濾波法是設(shè)置一個(gè)濾波計(jì)數(shù)器,,將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較:如果采樣值等于當(dāng)前有效值,,則計(jì)數(shù)器清零;如果采樣值大于或小于當(dāng)前有效值,,則計(jì)數(shù)器加1,,并判斷計(jì)數(shù)器是否大于等于上限N(溢出)。如果計(jì)數(shù)器溢出,,則將本次值替換當(dāng)前有效值,并清零計(jì)數(shù)器,。限幅消抖濾波程序能隨著現(xiàn)場的跳變做出相應(yīng)的改變,,使信號(hào)處理更合理準(zhǔn)確。
3.3 濃度計(jì)算程序
   
濃度計(jì)算程序中包含濃度曲線擬合和溫度補(bǔ)償兩部分,。
    曲線擬合是用連續(xù)曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點(diǎn)組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系的一種數(shù)據(jù)處理方法,。濃度曲線擬合經(jīng)過多次的試驗(yàn)校正,采用了2條一次曲線和1條二次曲線,,確保濃度的最大程度擬合,。同時(shí)由于現(xiàn)場不同環(huán)境的需要,設(shè)置了一些擬合參數(shù),,以便于隨時(shí)調(diào)整,。
    溫度變化給超聲波傳感器實(shí)際測量帶來誤差,表現(xiàn)在微控制器對超聲波回波A/D采集上產(chǎn)生非線性變化,。為了解決這個(gè)問題,,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償,,找出它們之間的關(guān)系,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,。本系統(tǒng)用擬合法求出各溫度時(shí)的傳感器靜態(tài)輸出特性的擬合多項(xiàng)式,,將各個(gè)擬合參數(shù)b0,b1,,b2,,…,bk寫入程序,,對微控制器片上A/D采集到的超聲波回波數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,,即由輸入溫度和A/D值查找和計(jì)算相應(yīng)的補(bǔ)償后的正確值,確保濃度數(shù)據(jù)的正確性,。
 

結(jié) 語
    本文討論了超聲波濃度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù),,發(fā)射電路采用DDS,接收電路采用對數(shù)放大器,,經(jīng)工程實(shí)踐證明,,這些方法都是可行的。但由于自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境干擾,,該產(chǎn)品的精度還有待提高,。

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