基于ARM處理器的多普勒法超聲波流量計

邱軍

摘? 要：多普勒法超聲波流量計是一種智能化的工業在線檢測儀表，利用非接觸式超聲波多普勒檢測方法實現流量檢測，具有直觀、穩定、可靠、適應性強等優點，近年來得到了廣泛的應用。本設計基于飛思卡爾K60系列的ARM處理器，利用超聲多普勒原理實現流量檢測，利用Labview對軟件算法結果進行捕獲分析，證明了本設計的可行性。

關鍵詞：ARM處理器;多普勒原理;DDS;FFT;CZT

超聲波流量計較傳統流量計有著不可比擬的優點，即安裝簡單、非接觸測量、無壓力損失、無流體擾動影響、適用于多種管徑、幾乎不需要維護等。本設計應用ARM處理器實現超聲多普勒法對介質流量的檢測。

1.多普勒法超聲波流量計原理

多普勒法超聲波流量計利用聲學多普勒原理，通過檢測散射體產生的多普勒頻移，進而得出流體的流速與流量值。其適用于檢測含有懸浮顆粒、氣泡等具有反射能力的兩項流場合，這也是其它流量計難以解決的。

當流體中含有懸浮粒子，一束頻率為 的連續超聲波沿著與流速成 角方向傳播時，懸浮粒子散射的超聲頻率 與 之間服從多普勒關系，頻移 ，于是流速 ，式中 為被測介質的聲速，若已知管道截面積為 ，則流量 。

2.硬件設計

硬件系統分為三個部分：主控部分、信號處理部分及外設部分。

2.1 主控部分

本設計主控部分選用基于Cortex-M4內核的ARM處理器MK60FX512，它的AD采集器將接收電路回傳的信號進行模數轉換，經過FIR濾波、FFT及CZT變換后，計算出多普勒頻移，進而求得流速、流量信息。

2.2 信號處理部分

2.2.1 信號發射部分

多普勒信號發射由K60控制DDS芯片產生固定頻率的方波或者正弦波，來驅動超聲波探頭發射超聲波信號。DDS芯片選用TI公司生產的低功耗LVCMOS時鐘芯片CDCE913，其應用電路如圖1所示，S0為片選信號，S1為數據輸入，S2為時鐘輸入，Y1、Y2、Y3為頻率輸出。

2.2.2 信號接收部分

超聲波信號在經過管壁和被測介質時會產生多普勒頻移。本設計選用的超聲波換能器頻率為0.5～1MHz，產生的頻移在0～3KHz范圍內，使用帶通濾波器將這個范圍的頻移信號選出，再通過與基準信號進行混頻處理后，用低通濾波器選出有用的頻移信號，供給主控ARM處理器的AD采集器。

2.3 外設部分

外設部分主要用于流速及流量顯示、485/232通信、4-20mA輸出、人機交互等功能。

3.軟件設計

軟件設計采用C語言進行編寫，設計了FIR濾波、FFT及CZT等數據處理算法，并利用NI公司推出的labview軟件對算法結果進行采集，以驗證其正確性。軟件設計的主程序流程圖如圖2示。

4.捕獲分析

利用MK60FX512的AD采集器，采集1MHz頻率的信號，經過軟件算法處理后，輸出相應的頻率，然后用labview軟件捕獲以上兩個頻率信號，如圖4所示。算法處理后的頻率波形，與原始信號的頻率波形是相符合的。

5.結論

本文設計了以ARM處理器為核心的多普勒原理超聲波流量計，完成了整體的硬件和軟件設計。由于MK60FX512自帶DSP單元，其既能進行系統控制與處理，又能精確、快速的計算流速、流量等數據，節省系統成本的同時又提高了系統可靠性。

參考文獻

[1]? 丁守成. 基于DDS的信號發生器[J].? 現代儀器，2007（6）：59—61.

[2]? 劉欣榮. 流量計[M].北京：水利水電出版社，1990.

[3]? 陳玲. 新型流量測量儀表的應用和發展[J].? 傳感器與微控系統，2007年06期.

[4]? 劉宇.數字信號處理技術在多普勒流量計中的應用研究[D].? 西安：西安理工大學，2001.

[5]? 梁國偉. 流量技術及儀表[M].? 北京：機械工業出版社，2002.

[6]? 林建忠，阮曉東，陳邦國，等.流體力學[M].北京：清華大學出版社，2005.