么 啟， 劉紀(jì)元，焦學(xué)峰， 楊 強(qiáng)，焦金峰

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所綜合聲納實(shí)驗(yàn)室 北京 100080；3.北京航瑞博泰科技有限公司 北京 100102；4.河南義馬煤氣化集團(tuán) 河南 義馬 472300）

目前明渠液位測(cè)量的方法有很多，包括水尺、浮子式水位計(jì)、投入壓助式水位計(jì)、和超聲波液位計(jì)等方法[1]。其中以接觸式測(cè)量為代表的壓力式傳感器，在多泥沙河流中使用會(huì)受到嚴(yán)重污染，從而帶來(lái)較大的誤差。采用非接觸式測(cè)量的方法，利用超聲波來(lái)進(jìn)行對(duì)明渠液位的測(cè)量可以做到不接觸液面，從而避免了液體污染和腐蝕對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。考慮到現(xiàn)有的明渠液位計(jì)測(cè)量精度不高、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問(wèn)題，并綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)溫差、濕度等方面，研究設(shè)計(jì)了一種基于DSP超聲波明渠液位測(cè)量系統(tǒng)。

1 超聲波明渠液位測(cè)量原理介紹

其中c為聲速，與溫度有關(guān)。常溫下大約340 m/s。t為從發(fā)射超聲波信號(hào)到接收到回波信號(hào)所經(jīng)歷的時(shí)間，h為測(cè)量到渠底到傳感器探頭表面的實(shí)際距離，ht為超聲波傳感器測(cè)量出的傳感器到液面的距離，d為計(jì)算后的實(shí)際液位高度值。即通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)差t，就可以計(jì)算得到液位值d。

超聲波明渠液位測(cè)量是利用超聲波測(cè)距的基本原理。超聲波探頭垂直向液面發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖 （持續(xù)時(shí)間為t0），聲波在水面與氣體的分界面發(fā)生反射，超聲波探頭接收由液面反射的超聲回波，并記錄時(shí)間t。

圖1 聲波測(cè)深原理圖Fig.1 Depth of water by Acoustic

2 超聲波明渠液位計(jì)基本構(gòu)成

本系統(tǒng)中主要由超聲波換能器、超聲波發(fā)射接收電路、信號(hào)采集處理部分組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)以TI德州儀器TMS320C5509A DSP芯片為系統(tǒng)核心，DSP芯片的功能主要完成對(duì)發(fā)射和接收信號(hào)的控制、對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理從而達(dá)到遠(yuǎn)距離精確測(cè)量、以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信功能。

系統(tǒng)的工作過(guò)程：首先由DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片產(chǎn)生一串短脈沖，在發(fā)射脈沖信號(hào)的同時(shí)控制A/D芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，短脈沖信號(hào)通過(guò)脈沖激勵(lì)電路激勵(lì)超聲探頭發(fā)出超聲波，超聲波遇到液面后產(chǎn)生反射。超聲波探頭將接收到的反射回波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后經(jīng)過(guò)A/D采集變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過(guò)DSP數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)處理與計(jì)算得到液位數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232串行數(shù)據(jù)口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

超聲換能器采用收發(fā)一體的窄帶超聲波換能器，諧振頻率40 kHz。

圖2 系統(tǒng)組成原理圖Fig.2 Principle diagram of system constitution

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 大功率脈沖激勵(lì)電路

脈沖激勵(lì)電路部分是用來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)超聲波換能器振動(dòng)的脈沖。由于超聲換能器按照信號(hào)理論相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器，因此可以用矩形脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，并且當(dāng)換能器與發(fā)射電路相匹配時(shí)才能得到近似的正弦波。通過(guò)TMS320 C5509A芯片的自身的MCBSP通道通過(guò)幀同步信號(hào)的方式產(chǎn)生頻率為40 kHz的脈沖信號(hào)。將產(chǎn)生的脈沖信號(hào)送往超聲波驅(qū)動(dòng)電路將脈沖的電壓由3.3 V提高到400 V/Vpp。采用變壓器驅(qū)動(dòng)法，如圖3所示，這種電路采用工作在飽和區(qū)的MOS管開(kāi)關(guān)作為激勵(lì)的功率級(jí)，來(lái)降低MOS管的功耗，這種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路能夠較好地提供高壓大功率的驅(qū)動(dòng)脈沖，從而提高了聲波的傳播效率。

圖3 脈沖激勵(lì)電路Fig.3 Pulse excitation circuitry

為避免連續(xù)測(cè)量時(shí)回波信號(hào)間的相互干擾，前后兩次的脈沖發(fā)射應(yīng)該有一個(gè)時(shí)間間隔。時(shí)間間隔由最大測(cè)量距離決定，當(dāng)量程為10 m時(shí)，以常溫下超聲波聲速340 m/s計(jì)算，發(fā)射聲波脈沖的時(shí)間間隔為：T=2H/c=2×10/340=58.8 ms，實(shí)際應(yīng)取60 ms，用這個(gè)時(shí)間來(lái)作為脈沖發(fā)射的間隔。

3.2 收發(fā)隔離電路

收發(fā)隔離電路主要起到過(guò)壓保護(hù)的作用，超聲探頭的激勵(lì)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)幅值比較大的脈沖信號(hào)，這將影響后續(xù)電路的正常工作甚至?xí)龤骷Ｋ栽O(shè)計(jì)了電壓限幅器，在放大器前端并聯(lián)一個(gè)互為反向的箝位二極管，如圖4所示。

圖4 收發(fā)隔離電路Fig.4 Transceiver isolating circuit

3.3 回波放大電路

超聲接收換能器的輸出信號(hào)比較微弱，且易受干擾。由于超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗；同時(shí)，換能器的輸出電壓很小約數(shù)十微伏，這需要前置放大電路具有高精度，噪聲小的特性。選用了ADI公司的一種高輸入阻抗、軌到軌的精密運(yùn)算放大器，ADA4528-1是一款超低噪聲、零漂移運(yùn)算放大器，具有軌到軌輸入輸出擺幅能力。失調(diào)電壓為2.5 μV，失調(diào)電壓漂移為0.015 μV/°C，噪聲為 97 μVp-p，由于在最大量程 10 m 處液面返回的回波信號(hào)幅度為在1 m處信號(hào)回波幅度的1/15左右，因此采用固定增益的放大電路即可，設(shè)計(jì)將回波信號(hào)放大增益設(shè)為40 dB。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

為了將接收到的回波信號(hào)由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟鼙籇SP芯片處理的數(shù)字信號(hào)。需要進(jìn)行A/D變換。由式2可知，測(cè)量的準(zhǔn)確度很大程度上決定于測(cè)量時(shí)間t?；夭úㄐ纹铧c(diǎn)的個(gè)數(shù)與采樣率的乘積可近似看作為測(cè)時(shí)精度，在一定條件下提高采樣率可提高測(cè)時(shí)精度。由于DSP5509A芯片自身的采樣率最高為21.5 kHz，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)要求，這里為提高采樣率采樣采用ADI公司的AD7694模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD7694是一款16位、采樣速率250 kps，具有SPI接口。與DSP5509連接示意圖如圖5所示。

圖5 A/D與DSP的連接示意圖Fig.5 A/D and DSP connection schemes

A/D的采集速率通過(guò)設(shè)定VC5509幀同步信號(hào)控制的采集頻率，實(shí)驗(yàn)中利用DSP5509的McBSP端口，通過(guò)SPI接口時(shí)序控制AD7694芯片采集數(shù)據(jù)。

4 軟件部分設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)上電后，從FLASH加載程序，對(duì)各個(gè)部分做初始化配置。在定時(shí)器RTC的控制下產(chǎn)生短的脈沖信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，定時(shí)器中斷結(jié)束后停止發(fā)射脈沖。對(duì)采集到的回波信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)聲速校正得到現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確的聲速值。將采集到的回波信號(hào)做匹配濾波來(lái)提高信噪比，并計(jì)算出液位值。測(cè)量N次后最后得到平均液位值。圖6是整體軟件流程。

圖6 系統(tǒng)工作流程Fig.6 System work flow

4.2 聲速修正

由于超聲波在空氣中傳播時(shí)，易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、濕度變化影響聲速，進(jìn)而造成對(duì)聲波傳播時(shí)間測(cè)量的不準(zhǔn)確。式 （1）是根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播速度為固定值進(jìn)行計(jì)算的，當(dāng)溫度的變化為1℃時(shí)，對(duì)聲速的影響是0.6 m/s，為盡量避免這一誤差，實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)聲速進(jìn)行校正。本設(shè)計(jì)采用校正具法進(jìn)行聲速修正，具體的做法是在大于超聲波傳感器測(cè)量盲區(qū)的位置放置一個(gè)擋板[4]，使其反射部分的超聲波信號(hào)。如圖5所示，擋板與超聲波傳感器探頭的固定距離為L(zhǎng)，由擋板的回波信號(hào)可以測(cè)量出傳感器到擋板的聲波傳播時(shí)間 t0，由 c=則可計(jì)算出當(dāng)前實(shí)際的聲速c校正，進(jìn)而提高了測(cè)量精度。

圖7 聲速校正示意圖Fig.7 Sound velocity correction schemes

4.3 回波信號(hào)處理

匹配濾波技術(shù)對(duì)于在強(qiáng)干擾中檢測(cè)弱信號(hào)以及提高目標(biāo)分辨率具有很大優(yōu)勢(shì)，在噪聲較大的情況下，仍可將最大幅值所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)找出[5]。通過(guò)匹配濾波計(jì)算可以更好的突出回波峰值，找到峰值點(diǎn)即求出了液面反射回波時(shí)間。

實(shí)際中采集的波形如圖8所示，此時(shí)回波信號(hào)幅度較小，信號(hào)峰值不明顯，這降低了時(shí)間的測(cè)量精度。通過(guò)頻域的匹配濾波方法，得到匹配濾波輸出波形并取絕對(duì)值如圖9所示，此時(shí)回波信號(hào)的峰值十分突出。

圖8 液面反射回波Fig.8 Liquid surface reflection echo

圖9 匹配濾波器輸出波形Fig.9 Matched filter of output waveform

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在室外選取一段流速相對(duì)平穩(wěn)的開(kāi)放式渠道進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)控制閘門實(shí)現(xiàn)水位變化。此時(shí)超聲波傳感器距離渠底安裝距離為7 m，采用10次平均測(cè)量。測(cè)量結(jié)果與水尺測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)工作穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)熱量小，功耗較低。在量程為7 m時(shí)，相對(duì)測(cè)量距離的偏差小于0.5%，最大誤差不超過(guò)5 mm。

表1 液位測(cè)量值Tab.1 Level measurement value

6 結(jié)束語(yǔ)

闡述了超聲波明渠液位測(cè)量系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，利用DSP芯片對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，提高了回波信號(hào)的信噪比。消除了由于聲速變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，通過(guò)RS232串行接口可以與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。測(cè)量量程為0.4～10 m，最大誤差不超過(guò)5 mm，滿足了現(xiàn)場(chǎng)明渠液位測(cè)量的要求。

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