1 引 言
超聲就是指頻率高出可聽頻率極限(即在20 kHz以上的頻段)的彈性振動，這種振動以波動形式在介質(zhì)中的傳播過程就形成超聲波。超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測量的原理是：由超聲換能器產(chǎn)生的超聲波以某一角度入射到流體中，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。上世紀(jì)70年代以后，由于集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，高性能、高穩(wěn)定性的鎖相技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，才使實(shí)用的超聲波流量計(jì)得以迅速發(fā)展。超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，壓力損失小，而且使用方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計(jì)；根據(jù)超聲波流量計(jì)適用的流道不同可分為管道流量計(jì)、管渠流量計(jì)和河流流量計(jì)；根據(jù)對信號的檢測原理，超聲波流量計(jì)非接觸測量方法分為：傳播時差法、多普勒法、波束偏移法及流動超聲法等不同類型，其中傳播時差法又分為直接時差法、相位差法和頻差法。 雙頻超聲波多普勒流量計(jì)能夠產(chǎn)生兩組異頻、相互獨(dú)立的超聲波信號，兩種頻率用于識別和排除一系列的錯誤信號，他能有效去除噪聲信號，并將準(zhǔn)確識別出的多普勒信號進(jìn)行平方放大。
本文給出了一種雙頻超聲波流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)方法。
2 總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以分為兩太模塊：超聲波發(fā)射、接收探頭及濾波放大電路的設(shè)計(jì)和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如圖1所示。發(fā)射探頭發(fā)射兩個己知的固定頻率的獨(dú)立超聲波信號，接收探頭負(fù)責(zé)接收含有流體的流速信息的超聲波。接收到的超聲波分別被前置放大電路、帶通濾波器放大器、混頻器及低通濾波器處理獲得含有流體流速信息的低頻模擬多普勒信號，再送到數(shù)字系統(tǒng)部分的DSP(TMS320F2812)的模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320F2812內(nèi)部定時中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，采集的數(shù)據(jù)送人環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，然后TMS320F2812對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理、FFT變換求其功率譜、功率譜的延伸、疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。單片機(jī)C8051F236通過SPI從DSP中讀出流速的數(shù)據(jù)，再根據(jù)輸入的儀表參數(shù)進(jìn)行流量、累計(jì)流量等所需要的數(shù)據(jù)量的計(jì)算，并通過液晶顯示器顯示。除了測量以外，還可以通過鍵盤選擇執(zhí)行安裝、測試、設(shè)置儀表和現(xiàn)場參數(shù)等多種操作。
3 超聲波的產(chǎn)生與功率放大
多普勒超聲波測量中傳感器的激勵方式有單載頻脈沖激勵、連續(xù)正弦波激勵和偽隨機(jī)碼信號激勵等，由于連續(xù)正弦信號的采集較為容易，也適于作頻譜分析，因此選用這種方式。
超聲信號的頻移反映了流速的信息，測準(zhǔn)頻移是保證測量精度的關(guān)鍵，愈少在頻譜中引入干擾分量愈好，因此我們需要源信號有較高的純度。一般的正弦振蕩電路會有很多諧波分量，而且頻率漂移較大，一旦調(diào)節(jié)好了頻率又不易修改，使系統(tǒng)適應(yīng)不同頻率傳感器的靈活性減低，但是DDS芯片可以解決這些問題。
DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號的合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速DAC產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存人的正弦波。
本系統(tǒng)選用的DDS芯片是AD公司生產(chǎn)的COMS型DDS芯片AD9850，該芯片最高可支持125 MHz的時鐘頻率，32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或串行方式裝入。+3.3 V或+5 V供電，極低功耗，28腳SSOP封裝。AD9850有兩種裝載頻率調(diào)節(jié)字的方式，無優(yōu)劣之分。AD9850有32位調(diào)節(jié)字，分為W0，W1，W2，W3，W4五個字節(jié)，每次只能寫入一個字節(jié)，當(dāng)W-CLK腳變高時，寫入有效。FQ-UD有效時，AD9850讀取新的調(diào)節(jié)字，產(chǎn)生新的頻率輸出。RESET有效時，清除調(diào)節(jié)字寄存器。
74HC574是8D鎖存器，可將寫入的數(shù)據(jù)保存在輸出端直到下次時鐘到來。AD9850的W-CLK，F(xiàn)Q-UD和RESET均通過74HC574連在DSP的GPIOA上，他們的時序是通過寫入數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。AD9850的工作時序如圖3所示。
流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發(fā)射信號要有一定功率，因此功率放大不可少。由于超聲波的頻率較高(640 k和1.0 M)，進(jìn)行功率放大時一般的功率放大集成電路帶寬不夠，因此只好用功率晶體管搭放大電路。具體電路如圖4所示。該圖為推挽式放大電路，Q1為NPN管(3DDSA)，Q2為PNP管(3CDSA)。DDS-IN接DDS的輸出，變壓器的輸出接發(fā)送傳感器。
4 接收模塊
該模塊主要是將探頭接收到的信號進(jìn)行調(diào)理，得到含有流體流速信息的多普勒頻偏信號，供后續(xù)數(shù)字系統(tǒng)部分做進(jìn)一步分析處理。接收探頭接收到的信號分別通過中心頻率為1 MHz和640 kHz的窄帶帶通波器，濾去其中的低頻雜散噪聲，放大以后送入解調(diào)器，輸出含有流速信息的低頻多普勒頻偏信號，然后送入TMS320F2812的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。具體電路如圖5所示。
TLE2072是低噪聲高速JFET輸入運(yùn)算放大器，他的單位增益帶寬可達(dá)10 MHz，能滿足信號放大帶寬的要求，電路中起到前置放大及阻抗變換的作用。MC1350為可控增益選頻放大器，中頻變壓器T1(T2)諧振頻率為640 kHz(1 MHz)，對信號起帶通濾波的作用，輸出信號經(jīng)TLE2072半波放大后，由RC濾波形成MC1350增益控制電壓，從而使輸人信號強(qiáng)度在較大范圍內(nèi)變化時得到一穩(wěn)定的輸出信號，此電路可使輸入信號的波動范圍達(dá)60 dB時輸出保持穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
接收信號放大電路輸出的信號相對于發(fā)射信號產(chǎn)生了頻移，此頻移在0～3 kHz范圍，反映流體的流速大小，由于此頻移相對于發(fā)射信號頻率較小，直接進(jìn)行頻率測量精度難以保證，所以采取混頻措施得到差頻信號。含有差頻信息的高頻信號通過CD4053模擬開關(guān)與發(fā)射信號的本振方波(CP1或CP2)進(jìn)行乘積運(yùn)算，經(jīng)TLE2072阻抗變換后利用阻容濾波器進(jìn)行低通濾波得到差頻信號。
CD4053是帶有邏輯電平轉(zhuǎn)換的CMOS模擬復(fù)用器／解復(fù)用器。他是三個兩通道的復(fù)用器，分別由數(shù)字控制輸入(A，B，C)和一個固定輸入使能，每個輸入信號選擇兩通道中的一個。他也可以用做解復(fù)用器，"CHANNEL IN／OUT"終端是輸出，"COMMON OUT／IN"終端是輸入。
5 DSP系統(tǒng)
TMS320F2812數(shù)字信號處理器是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其頻率高達(dá)150 MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。因此本系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理、FFT變化求其功率譜、功率譜的延伸、疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。并將流速信息通過SPI傳送給單片機(jī)。
F2812采用3.3 V和1.8 V雙電源供電，數(shù)字模擬地分離設(shè)計(jì)。DSP和外圍3.3 V分開供電，LED1，LED2和LED3可用來顯示電源供電情況。電源和地分模擬和數(shù)字，用電感隔離。由CPLD提供各種控制信號，如讀、寫、復(fù)位等。F2812通過SPISIMO，SPISOMI，SPICLK和SPISTE端口和單片機(jī)連接，來實(shí)現(xiàn)流速信息的傳送。
6 電路板的設(shè)計(jì)
6.1 布局
對于主要模擬部分，在布局時得要遵守輸出模擬信號線最短輸出，輸入模擬信號線最短輸入，模擬器件的模擬地以最短距離到地的原則。
在布線時，先布信號流的線，而后布其他信號線和電源，最后連接地線。
由于數(shù)字電路對信號抗干擾要求不高，作者在布局布線的時候主要考慮以下幾點(diǎn)：
(1)信號線最短輸入、最短輸出，兩層的信號線采取交叉走線；
(2)電源線到芯片要盡量短，并要加粗；
(3)高頻信號要盡量單獨(dú)走線。
(4)為了美觀，把貼片封裝的芯片盡量靠在一起，插針的盡量在一起。
6.2 電源
當(dāng)系統(tǒng)中有數(shù)字電源和模擬電源時，兩種電源必須要分開，一般有兩種方法：第一是采用被動濾波電路，即在兩種電源之間自接加上電感或者磁珠，這種方法比較簡單；第二是從數(shù)字電源中利用電源模塊產(chǎn)生模擬電源，這樣也就是絕對的分離了。本系統(tǒng)采取第一種方法。
6.3 地
系統(tǒng)中有數(shù)字地和模擬地，一般有兩種考慮方法：
(1)采用一點(diǎn)相連；
(2)采用電感或者磁珠相隔離。
在本系統(tǒng)中采用的是后者，分隔是通過一個200 mH的電感實(shí)現(xiàn)的。
7 結(jié)語
由于頻譜分析技術(shù)和雙頻法能大大提高超聲波多普勒流量計(jì)的精度，本文綜合兩種方法設(shè)計(jì)了超聲波多普勒流量計(jì)的硬件電路。以DSP TMS320F2812為核心對兩路頻差信號分別進(jìn)行采樣、加窗處理、FFT變換求功率譜和功率譜的延伸、疊加等處理得到多普勒頻偏值，求得流速。