李云龍

摘 要：基于DSP芯片TMS320F28335設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種聲吶流量計(jì)，其具有精度高、適應(yīng)性好、操作方便和成本低廉等特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)以穩(wěn)定、實(shí)用、可靠為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在保證實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，充分優(yōu)化硬件電路和軟件架構(gòu)。本系統(tǒng)充分利用了DSP的高速處理信號的特性，在提高測量精度的同時(shí)，還簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，從而降低了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：TMS320F28335；聲吶；流量計(jì)

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)，流量測量數(shù)據(jù)是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)自動(dòng)化控制、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)。隨著工業(yè)檢測領(lǐng)域?qū)α髁繖z測儀表的性能要求越來越高，現(xiàn)有的常規(guī)流量計(jì)，如基于差壓式、容積式、渦街式、電磁式、超聲時(shí)差法和多普勒頻移法原理的流量儀表，由于在不同程度上受限于流體的物理性質(zhì)、流體流動(dòng)的特性、安裝工藝條件、維護(hù)需求及經(jīng)濟(jì)性等原因，不能完全適用復(fù)雜的管道流體應(yīng)用環(huán)境。隨著聲吶檢測技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)高可靠性、高精確性的聲吶在線流量計(jì)，成為市場的迫切需求。聲吶流量計(jì)采用非接觸式測量，其流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受測量介質(zhì)的壓力、濃密度、溫度等參數(shù)的影響，同時(shí)該測量方式可解決其他流量儀表所難以測量的易結(jié)垢、非導(dǎo)電性、強(qiáng)腐蝕、易燃易爆及介放射性介質(zhì)的流量測量問題。

本文詳細(xì)介紹了聲吶流量計(jì)的工作原理和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在借鑒吸收國外聲吶測量技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335單片機(jī)的流量檢測儀表。聲吶流量計(jì)是目前最先進(jìn)的流量檢查技術(shù)，目前國際上只有美國一家公司擁有基于此原理的產(chǎn)品。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高度重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用溫度補(bǔ)償、傅里葉變換等方法修正測量精度。

1 工作原理

由模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)所測信號可以發(fā)現(xiàn)，單純從時(shí)域的湍流脈動(dòng)信號難以得到與流速相關(guān)的信息。傅里葉變換可以很方便地得到各個(gè)通道信號的頻域信息，但是由于空間只有8個(gè)傳感器得到的8個(gè)信號數(shù)據(jù)，難以通過二維傅里葉變換同時(shí)得到時(shí)間和空間的頻率信息。通過應(yīng)用陣列信號處理領(lǐng)域的多重信號分類算法（Multiple Signal Classfication，MUSIC算法）破解了該難題，通過應(yīng)用該算法對8路陣列信號數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到了波數(shù)-頻率域的對流脊曲線，進(jìn)而得到了對應(yīng)的流速。詳細(xì)介紹如下。

根據(jù)MUSIC算法基本原理，信號協(xié)方差矩陣為：

（1）

將Rxx進(jìn)行特征值分解，得Rxx=[U]∑[U]H，其中矩陣∑為特征值對角陣，矩陣[U]為特征向量矩陣，包括信號特征向量矩陣[Us]和噪聲特征向量矩陣[UN]。故有空間譜函

（2）

計(jì)算空間譜隨波數(shù)k的變化情況， 對所選頻率范圍內(nèi)進(jìn)行相同的算法處理，可以得到對應(yīng)不同頻率的PMUSIC的值。湍流脈動(dòng)的能量是對應(yīng)特定空間波數(shù)和時(shí)間頻率的函數(shù)。能量的集中區(qū)域?yàn)橐晃菁範(fàn)罱Y(jié)構(gòu)，稱為對流脊，它代表了湍流脈動(dòng)信號的空間和時(shí)間頻率特征。湍流的脈動(dòng)流速與管中平均流速大致接近（大約為平均流速的90%左右，與流速、管徑等參數(shù)有關(guān)），該流速與空間頻率時(shí)間頻率之間存在如下關(guān)系：

（3）

由此公式可知，能量集中的對流脊區(qū)域進(jìn)行識別，得到其斜率，即可得到湍流的脈動(dòng)流速，經(jīng)過進(jìn)一步的校準(zhǔn)，就可以得到管中流速。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩個(gè)部分：模擬部分包括前置放大電路、信號采集電路（包括對數(shù)放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換電路等）；數(shù)字部分包括TMS320F28335主控系統(tǒng)、人機(jī)界面、繼電器輸出和控制輸出電路等。在硬件設(shè)計(jì)過程中充分考慮成本和性能兩個(gè)方面，力求性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，存在擴(kuò)展功能。

2.2 傳感器前置放大系統(tǒng)

根據(jù)PVDF壓電薄膜的電荷等效模型設(shè)計(jì)了前置放大電路，其包括前級信號采集設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)以及整體電路設(shè)計(jì)，以下做具體說明：

前級信號采集電路有遠(yuǎn)大于PVDF薄膜的輸入阻抗，使得PVDF產(chǎn)生的電荷盡可能多地積累在電容上，有效減少了電荷泄漏，而輸入的電阻很大，電容的放電時(shí)間常數(shù)很大，這樣可以提高電路的低頻測量能力和信號幅度，減少負(fù)載效應(yīng)。

濾波器的幅頻特性與階數(shù)有關(guān)，階數(shù)越多特性越好，同時(shí)電路的復(fù)雜程度也越高。本設(shè)計(jì)采用有源巴特沃斯低通濾波器加無源低通濾波器的設(shè)計(jì)，使得通帶內(nèi)的增益穩(wěn)定，不會出現(xiàn)在截止頻率附近的增益隆起現(xiàn)象。

2.3 信號處理主控系統(tǒng)

信號處理主控系統(tǒng)具有信號調(diào)理、信號采集、信號處理和結(jié)果輸出等功能。信號調(diào)理單元以可變增益放大器組合為核心，前段設(shè)計(jì)有抗混疊濾波器；信號采集單元須完成8路音頻模擬信號采集。由FPGA控制協(xié)同8路傳感器信號的同步采集，實(shí)現(xiàn)快速的實(shí)時(shí)性要求，因?yàn)楣に嚬艿乐辛黧w流速很快；信號處理單元采用DSP陣列算法對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過專有編制的流量算法模型實(shí)現(xiàn)流量結(jié)果輸出；以太網(wǎng)通信、鍵盤顯示控制、模擬/數(shù)字信號輸出（Modbus/RTU RS-485/232通信）等輔助功能外圍單元設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心來完成。

3 儀表測試及數(shù)據(jù)分析

聲吶流量計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)表法確定檢測精度，測量系統(tǒng)主要由水池、水泵、電磁流量計(jì)、聲吶流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、閥門及管道等組成，通過調(diào)節(jié)水泵和速度調(diào)節(jié)閥控制流量的大小，在循環(huán)系統(tǒng)中安裝的電磁式流量計(jì)用于標(biāo)定聲吶流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)要求在1.0m/s～4.0m/s的流速變化范圍內(nèi)進(jìn)行對比測試。測量范圍內(nèi)每變化0.5m/s選擇1個(gè)流量標(biāo)定點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)表（電磁流量計(jì)）與被測表（聲吶流量計(jì)）的累積流量值由水流量控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄，通過對比分析計(jì)算得到測量精度。

水流量控制系統(tǒng)采集多個(gè)流速點(diǎn)，累積后得到流量值，確定的8個(gè)測試流速點(diǎn)分別是：1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，3.5m/s，4.0m/s，4.5m/s，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)要求對各流速點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)5次的重復(fù)測試實(shí)驗(yàn)。流量從1.0m/s～4.5m/s范圍內(nèi)，聲吶流量計(jì)的平均誤差小于0.13%，由此可以反映出兩種流量計(jì)的波動(dòng)趨勢相近，聲吶流量計(jì)能夠準(zhǔn)確反映流量變化情況，滿足工藝現(xiàn)場自動(dòng)控制要求。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用TMS320F28335作為系統(tǒng)的主控芯片，由于它具有高速信號處理能力，測量的實(shí)時(shí)性得到了有效的保證。聲吶流量計(jì)除了具有流量計(jì)算功能模塊之外，還設(shè)計(jì)相關(guān)的功能模塊：顯示模塊、存儲模塊、人機(jī)界面模塊、電源模塊等。現(xiàn)場應(yīng)用表明：其安全可靠，體積小，操作維護(hù)方便，成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]張卿杰.手把手教你學(xué)DSP基于MS320F28335[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[2]李昆，湯榮銘，許宏慶.基于振動(dòng)原理的無接觸流量測量實(shí)驗(yàn)及模擬研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2007，21（1）：77-81.

[3]唐璜，繆璇，趙棟.基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽技術(shù)[J].光學(xué)儀器，2014，36（2）：107-110.

[4]徐英華.流量計(jì)量[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.