基于STM32的超聲波濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李勇

摘 要：本文介紹了基于STM32芯片聯(lián)合RTOS的超聲波濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)采用先進(jìn)的算法處理，保證該檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：STM32超聲波;濃度檢測(cè) RTOS

0、引言

隨著科技的發(fā)展，基于傳統(tǒng)單片機(jī)的濃度檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工業(yè)在線濃度檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性要求，在此背景下，研究基于STM32的超聲波濃度檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分發(fā)揮STM32芯片的優(yōu)勢(shì)，大大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少產(chǎn)品故障率，拓寬了產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。

1、檢測(cè)基本原理

超聲波濃度檢測(cè)系統(tǒng)基于超聲波在懸浮液中傳播時(shí)，其信號(hào)振幅隨被測(cè)礦漿中固體含量及粒子大小變化而變化的超聲衰減測(cè)量。根據(jù)技術(shù)專利，確定超聲波濃度檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)射頻率，消除粒子大小的影響后，通過(guò)測(cè)量超聲波穿過(guò)懸浮液時(shí)的信號(hào)衰減量就可檢測(cè)濃度。

2、濃度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本濃度檢測(cè)系統(tǒng)采用STM32F4系列的芯片作為主控芯片，該系列芯片可基于ARM Cortex4 32位精簡(jiǎn)指令內(nèi)核，時(shí)鐘操作頻率最高可達(dá)100MHZ。波形發(fā)生器由AD公司生產(chǎn)，該波形發(fā)生器能夠輸出正弦波、三角波和方波，輸出頻率范圍可從0 MHZ達(dá)到12.5 MHZ，可以為不同頻率換能器做驅(qū)動(dòng)信號(hào)。選用高速AD采集芯片實(shí)現(xiàn)提高回波信號(hào)采樣率的要求，較高的采樣率保證采集窗口模式采集固定時(shí)長(zhǎng)的脈沖串信號(hào)，可以詳細(xì)計(jì)算整個(gè)包絡(luò)面積，還可以輔佐單點(diǎn)檢波剔除異常數(shù)據(jù)。

通過(guò)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)兩路溫度采集，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)通過(guò)RS485協(xié)議與主機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，如圖1為硬件連接示意圖。

3、濃度檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在RTOS下完成相應(yīng)的底層驅(qū)動(dòng)程序，基于C語(yǔ)言嵌入式系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)和狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)采集和算法處理、溫度采集和補(bǔ)償、RS485通訊等功能。RTOS提供文件管理、搶占式多任務(wù)處理、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度、消息隊(duì)列等服務(wù)。RTOS允許任務(wù)直接發(fā)送消息或信號(hào)量到另一個(gè)任務(wù)，避免產(chǎn)生中間消息，提高了內(nèi)核性能。RTOS采用哈希列表結(jié)構(gòu)，減少了處理延時(shí)和任務(wù)超時(shí)產(chǎn)生的開支，提高了軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性和靈活性，提高研發(fā)效率節(jié)約成本。

STM32通過(guò)SPI2總線控制波形發(fā)生器發(fā)出不同頻率的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)換能器工作，回波信號(hào)通過(guò)放大、濾波處理后送給AD采集。SPI2總線輸出通過(guò)配置BR寄存器中CPHA和CPOL位可以分成4種模式，通過(guò)與波形發(fā)生器的時(shí)序?qū)φ眨x擇一種模式。軟件測(cè)試過(guò)程中，確定的SPI2總線模式可能出現(xiàn)無(wú)法使波形發(fā)生器輸出正確頻率信號(hào)的情況，此時(shí)，需要測(cè)試SPI2總線的其他模式，找出正確的配置方式。

STM32通過(guò)SPI1總線控制AD工作，SPI1總線采用DMA方式為AD提供時(shí)鐘和控制，并將采集數(shù)據(jù)存入自定義緩沖區(qū)中，方便讀取。信號(hào)工作流程如圖2所示。

將STM32系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為100Mhz，AD采樣時(shí)鐘達(dá)到SPI1總線時(shí)鐘上限，將采集的數(shù)據(jù)采用平均能量算法進(jìn)行預(yù)處理，然后結(jié)合多參量測(cè)量技術(shù)，提升產(chǎn)品應(yīng)對(duì)多種工藝狀態(tài)測(cè)量的穩(wěn)定性。圖3為AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法處理后擬合的曲線圖。

從圖3可以看出，AD采用較高的采樣率結(jié)合先進(jìn)的算法，處理后的數(shù)據(jù)波形干凈無(wú)雜質(zhì)，波峰峰值非常平穩(wěn)，在采樣靈敏度提升的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

4、結(jié)論

超聲波濃度檢測(cè)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)，如何提升檢測(cè)精度、擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)成為超聲波濃度檢測(cè)共同面臨的挑戰(zhàn)，該系統(tǒng)采用STM32處理器和RTOS軟件環(huán)境，采樣率得到提高的同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，保證了采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實(shí)性，提升了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)超聲波濃度在線檢測(cè)的應(yīng)用能力。

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