超聲波流速測(cè)量系統(tǒng)

1引言1.1課題研究背景及意義研究利用超聲波測(cè)量流體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史了。1928年，法國(guó)人o.Rutten研制成功了世界上第一臺(tái)超聲流量計(jì)。但為了使超聲波流量計(jì)有一定的精度，時(shí)差法超聲波流量計(jì)要求對(duì)時(shí)間的測(cè)量有相當(dāng)高的測(cè)量精度，這在當(dāng)時(shí)是很難做到的。1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法的MA*SON流量計(jì)在美國(guó)研制成功，用于航空燃料油流量的測(cè)量。50年代末期，超聲波流量計(jì)由理論研究階段進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用時(shí)期。但由于電子線(xiàn)路太復(fù)雜而未占有結(jié)實(shí)的地位。到了80年代中后期，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使超聲流量計(jì)向高性能、智能化的方向開(kāi)展。由于使用了單片機(jī)作中央處理單元，系統(tǒng)不僅可以進(jìn)展復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理、進(jìn)一步提高了超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，而月.還能設(shè)計(jì)出友好的人機(jī)界面，使系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)檢錯(cuò)排錯(cuò)功能以及其他一些輔助功能，大大方便了用戶(hù)的操作和使用。單片機(jī)在超聲流量計(jì)中的應(yīng)用，是超聲流量計(jì)開(kāi)場(chǎng)真正進(jìn)入工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。1.2超聲波流量計(jì)的現(xiàn)狀近10年來(lái)，基于高速數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)與微處理器技術(shù)的進(jìn)步，基于新型探頭材料與工藝的研究，基于聲道配置及流動(dòng)力學(xué)的研究，超聲流量測(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，顯示了它強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成了迅猛開(kāi)展的勢(shì)頭，其潛在的巨大的生命力是顯而易見(jiàn)的。在國(guó)外，以美國(guó)Controlotron公司和Ploysonics公司為代表的產(chǎn)品較多的采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如“同步調(diào)制〞和FFT技術(shù)，他們廣泛的采用以DSP為核心的數(shù)字處理電路，從而能夠更快實(shí)時(shí)的處理超聲信號(hào)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的算法，如Ploysonics公司的DDF3088型是該公司的新一代全數(shù)字化便攜式多普勒流量計(jì)，它采用了數(shù)字濾波和數(shù)字頻譜分析技術(shù)，能自動(dòng)識(shí)別多普勒信號(hào)與噪聲信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)，采用了高分別率的液晶顯示，可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)信號(hào)進(jìn)展多普勒分析。在測(cè)量方法方面有的利用改良的時(shí)差法，用以消除速度受溫度的影響，還有將時(shí)差法與多普勒法的組合，如Controlotron公司研制的480型超聲流量計(jì)，這樣使得產(chǎn)品的實(shí)用*圍更廣。但由于國(guó)外的產(chǎn)品的價(jià)格比擬高〔每臺(tái)約為5～10萬(wàn)元左右〕，所以限制了在國(guó)內(nèi)的大量使用。目前國(guó)內(nèi)的廠(chǎng)家生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比擬廉價(jià)，但總體性能差，主要用于測(cè)量比擬容易的大管徑管道中流體的測(cè)量。他們多采用的方法是時(shí)差法，以單片機(jī)為系統(tǒng)核心進(jìn)展信號(hào)處理。但由于受單片機(jī)速度的限制，所以只能進(jìn)展一些比擬簡(jiǎn)單的算法，如通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)流速的計(jì)算。同時(shí)由于一般的時(shí)差法受溫度的影響比擬大，所以在精度上面就不會(huì)很高。如**亞楠公司生產(chǎn)的ZLC系列流量計(jì)是國(guó)內(nèi)率先采用多脈沖發(fā)射和接收寬帶技術(shù)，并帶有微機(jī)控制的新型超聲波時(shí)差式流量計(jì)。近幾年來(lái)由于DSP和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的開(kāi)展，以及以基于DSP為核心的數(shù)字信號(hào)處理電路技術(shù)日益成熟和廣泛使用，使得可以采用以DSP為處理核心的超聲波流量計(jì)來(lái)廣泛取代國(guó)內(nèi)的以單片機(jī)為核心的超聲波流量計(jì)，從而可利用數(shù)字信號(hào)處理的一些技術(shù)來(lái)改善產(chǎn)品的測(cè)量精度，如FFT、數(shù)字濾波、插值運(yùn)算、相關(guān)運(yùn)算，從而來(lái)提高系統(tǒng)測(cè)量的精度。通過(guò)這些改良使國(guó)內(nèi)流量計(jì)的性能已到達(dá)國(guó)外的水平，從而能更好的為國(guó)民經(jīng)濟(jì)效勞。1.2.1超聲波流量計(jì)的開(kāi)展趨勢(shì)在石油和天然氣領(lǐng)域快速普及最近幾年超聲波流量計(jì)市場(chǎng)的一切增長(zhǎng)，幾乎都是由于這種產(chǎn)品在石油和天然氣領(lǐng)域銷(xiāo)量的增加而帶來(lái)的。超聲波流量計(jì)在這一領(lǐng)域的銷(xiāo)量比起以前將近翻了一倍。由于A(yíng)GA9監(jiān)護(hù)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的推廣，天然氣的監(jiān)護(hù)運(yùn)輸市場(chǎng)已經(jīng)根本成形。在2003年到2005年間，監(jiān)護(hù)運(yùn)輸量增加了三倍多，而這一領(lǐng)域占超聲波流量計(jì)銷(xiāo)售的5%。只有液體碳?xì)浠衔锉O(jiān)護(hù)運(yùn)輸?shù)腁PI和OIML標(biāo)準(zhǔn)在行業(yè)內(nèi)得到推廣，超聲波流量計(jì)才能在這個(gè)領(lǐng)域普及。超聲波流量計(jì)具有高準(zhǔn)確度和低總體擁有本錢(qián)不管是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上看，超聲波測(cè)量?jī)x器都是流量測(cè)量的理想選擇。通過(guò)多光束和數(shù)字信號(hào)處理，超聲波測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。與傳統(tǒng)的渦輪式儀表不同，它沒(méi)有移動(dòng)的元件，因此幾乎不需要維修。而且，它也不會(huì)阻擋或者減慢管道中氣體或者液體的流動(dòng)。它能夠準(zhǔn)確地測(cè)量液態(tài)石油氣產(chǎn)品的寬頻，而不需像機(jī)械型技術(shù)那樣得到驗(yàn)證。高靈敏度使其可以檢測(cè)到管道中的任何泄漏，并可以測(cè)量和補(bǔ)充各種會(huì)影響監(jiān)護(hù)運(yùn)輸領(lǐng)域中的測(cè)量準(zhǔn)確度的變量。亞洲和中東市場(chǎng)增長(zhǎng)最大亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計(jì)的增長(zhǎng)將會(huì)是最大的。中國(guó)和印度將會(huì)在根底設(shè)施和新工廠(chǎng)上大舉投資。中國(guó)能源缺乏，為了尋找推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速開(kāi)展的能源，將會(huì)對(duì)其石油和天然氣根底設(shè)施進(jìn)展改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產(chǎn)中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計(jì)供給商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個(gè)大型發(fā)電及海水淡化廠(chǎng)上進(jìn)展投資。相比之下，北美市場(chǎng)的增長(zhǎng)則顯得相對(duì)平淡，但由于這一地區(qū)在石油和天然氣根底設(shè)施及工業(yè)自動(dòng)化上的投資，北美市場(chǎng)將仍然具有可觀(guān)的增長(zhǎng)。1.3超聲波流量計(jì)的市場(chǎng)前景隨著石油和天然氣工業(yè)的強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)，以及行業(yè)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備技術(shù)的逐步承受，超聲波流量計(jì)的全球市場(chǎng)總額將在今后5年內(nèi)以9.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng)。ARCAdvisoryGroup最近的一份報(bào)告指出，2005年該市場(chǎng)總值為2.75億美元，到2010年將超過(guò)4.34億美元。亞洲和中東市場(chǎng)增長(zhǎng)最大，亞洲和中東地區(qū)超聲波流量計(jì)的增長(zhǎng)將會(huì)是最大的。中國(guó)和印度將會(huì)在根底設(shè)施和新工廠(chǎng)上大舉投資。中國(guó)能源缺乏，為了尋找推動(dòng)經(jīng)濟(jì)快速開(kāi)展的能源，將會(huì)對(duì)其石油和天然氣根底設(shè)施進(jìn)展改造，并建立連接俄羅斯及其它地區(qū)供油商的管道。而由于中東地區(qū)在石油和天然氣生產(chǎn)中的地位，這一地區(qū)將仍然是超聲波流量計(jì)供給商的沃土。這一地區(qū)亦將在數(shù)個(gè)大型發(fā)電及海水淡化廠(chǎng)上進(jìn)展投資。相比之下，北美市場(chǎng)的增長(zhǎng)則顯得相對(duì)平淡，但由于這一地區(qū)在石油和天然氣根底設(shè)施及工業(yè)自動(dòng)化上的投資，北美市場(chǎng)將仍然具有可觀(guān)的增長(zhǎng)。1.4主要研究?jī)?nèi)容本課題的任務(wù)是應(yīng)用時(shí)差法測(cè)量流量。確立了系統(tǒng)的整體方案，在此根底上進(jìn)展試驗(yàn)、調(diào)試，驗(yàn)證和改良設(shè)計(jì)方案。主要內(nèi)容如下：〔1〕確立了系統(tǒng)的整體方案，這主要是在查閱國(guó)外流量計(jì)產(chǎn)品根本性能以及分析超聲波流量計(jì)根本原理和工程指標(biāo)的根底上，確立了系統(tǒng)以DSP為信號(hào)處理核心，并采用相關(guān)算法來(lái)計(jì)算流速的改良時(shí)差法方案；〔2〕硬件電路設(shè)計(jì)：CPLD采樣控制系統(tǒng)；〔3〕程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用CCS軟件，在DSP最小系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法程序設(shè)計(jì)，進(jìn)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。2超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)方案及分析2.1超聲流量計(jì)的分類(lèi)超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測(cè)量主要依據(jù)是：當(dāng)超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就會(huì)載有流體流速的信息。超聲波流量計(jì)對(duì)信號(hào)的發(fā)生、傳播及檢測(cè)有著各種不同的設(shè)置方法，從而構(gòu)成了不同原理的超聲流量計(jì)，其大致可分為傳播速度差法〔包括：時(shí)差法、相位差法、頻差法〕，多普勒法，相關(guān)法等等。2.2超聲流量測(cè)量的根本原理超聲流量測(cè)量技術(shù)的根本原理是利用超聲波在流體中傳播時(shí)所載流體的流速信息來(lái)測(cè)量流體流量的。超聲波流量計(jì)一般由超聲波換能器、電子線(xiàn)路及流量顯示和累積系統(tǒng)三局部組成。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，將其發(fā)射并穿過(guò)被測(cè)流體，接收換能器接收到超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線(xiàn)路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)，供顯示和積算，這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)顯示。2.3傳播速度差法傳播速度差法是根據(jù)超聲波在流動(dòng)的流體中，順流及逆流傳播時(shí)的速度之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系來(lái)求流速或流量的方法。按其所測(cè)的物理量的不同，傳播速度差法又可分為(直接)時(shí)差法、相位差法和頻差法三種。時(shí)差法就是直接測(cè)量超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差，它適用于大、中口徑管道及明渠流量的測(cè)量，但時(shí)差法流量計(jì)受溫度的影響較大，流體溫度變化對(duì)這種系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響是不能無(wú)視的，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，在使用在機(jī)玻璃聲楔的條件下，流體溫度每變化10℃，就會(huì)給測(cè)量增加1%左右的誤差，并且聲速的溫度系數(shù)不是常數(shù);另外，當(dāng)流體的組成或密度變化時(shí)，也將引起聲速的變化，從而影響測(cè)量精度。其開(kāi)展方向是提高計(jì)時(shí)精度和設(shè)法降低溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。頻差法是通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)兩組閉路循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)頻率之差來(lái)測(cè)得流量。頻差法精度高、受溫度影響較小，但受環(huán)境影響較大，工作不穩(wěn)定。相位差法通過(guò)把時(shí)間差轉(zhuǎn)換為相位差，防止了測(cè)量微小的時(shí)間差，可提高測(cè)量的精度，但受溫度的影響依然很大。2.4時(shí)差法測(cè)量原理及主要特點(diǎn)本論文研究的是基于時(shí)差法的超聲波液體流量計(jì)，其管段內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)化圖如圖1所示，換能器1，2相對(duì)于管道軸線(xiàn)的安裝角是θ，管徑為D，兩個(gè)換能器之間的距離為L(zhǎng)，流體流動(dòng)方向如下圖：圖1時(shí)差法測(cè)量流量原理圖當(dāng)流體以速度u流動(dòng)時(shí)，超聲波的實(shí)際傳播速度c是聲速c0和流體在聲道方向上的速度分量ucosθ的疊加，即：超聲波信號(hào)在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間分別為：t順=t2→1==〔2.1〕t逆=t1→2==〔2.2〕式中：D為一次裝置管內(nèi)徑，L為兩個(gè)換能器之間的距離，C0為超聲波在靜止介質(zhì)中的傳播速度，故：△t=t順—t逆=〔2.3〕一般情況下，聲波在液體中的傳播速度C0在1000m/s以上，而多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)中的流速遠(yuǎn)小于聲速，即u2"c02，所以時(shí)間差可以近似簡(jiǎn)化為：△t=t順—t逆=〔2.4〕即：〔2.5〕體積流量表達(dá)式：〔2.6〕式中：A為管道的橫截面積，u為流體在管道內(nèi)的流動(dòng)速度。由上式可以看出，由于一次裝置內(nèi)徑D，換能器與軸線(xiàn)夾角θ可以通過(guò)實(shí)際情況測(cè)量得到，所以當(dāng)聲速一定時(shí)，只要測(cè)的時(shí)間差△t，就可以按式子〔2.5〕求得流速u(mài)，進(jìn)而由式子〔2.6〕求得流體的體積流量。時(shí)差法測(cè)量流量具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：a).由于時(shí)差法超聲波流量計(jì)采用了精細(xì)的時(shí)差法檢測(cè)，并有信號(hào)的自動(dòng)跟蹤，溫度的自動(dòng)補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)的技術(shù)，因此它具有運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)量準(zhǔn)確可靠，儀表的運(yùn)算和顯示精度較高的特點(diǎn)。b).對(duì)被測(cè)介質(zhì)來(lái)說(shuō)，超聲波流量計(jì)屬于非接觸測(cè)量，在安裝過(guò)程中不損壞管路，可以滿(mǎn)足工廠(chǎng)工藝生產(chǎn)用水不斷流的要求，安裝極為方便。c).在測(cè)量時(shí)，管道中沒(méi)有節(jié)流器件，流體不存在壓力損失，非常有利于節(jié)約能源。d).電子線(xiàn)路的集成度高，幾乎不需要維護(hù)與修理，編程靈活簡(jiǎn)單，用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)為常用的原始數(shù)據(jù)，不需要經(jīng)過(guò)人工的計(jì)算，省時(shí)省力。3.超聲波信號(hào)延遲時(shí)間的相關(guān)估計(jì)超聲波信號(hào)的延遲時(shí)間TOF(TimeofFlight)ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[1,2]或TDOA(TimeDelayofArrival)ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[3]估計(jì)方法中，相關(guān)估計(jì)是一類(lèi)準(zhǔn)確的方法ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[4-7]。盡管有一些超聲波測(cè)量應(yīng)用了小波變換、HHT以及FrFT等分析理論與技術(shù)ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[8-10],相關(guān)估計(jì)仍是TOF測(cè)量的根底。但TOF較長(zhǎng)時(shí)，即使采用FFT計(jì)算相關(guān)函數(shù)，較高的計(jì)算復(fù)雜性仍然阻礙其實(shí)時(shí)應(yīng)用。其實(shí)，利用TOF估計(jì)中鼓勵(lì)信號(hào)的一些特性可以簡(jiǎn)化相關(guān)函數(shù)計(jì)算。常用的鼓勵(lì)信號(hào)有線(xiàn)性/非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)(LFM/NLFM)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Pollakowski</Author><Year>1994</Year><Reum>117</Reum><DisplayTe*t>[11]</DisplayTe*t><record><rec-number>117</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2zeddv0thv**syeevvi*v55t552d55vd05e2">117</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">Pollakowski,M.</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">Ermert,H.</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">ChirpSignalMatchingandSignalPowerOptimizationinPulse-EchoModeUltrasonicNondestructiveTesting</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">Ultrasonics,FerroelectricsandFrequencyControl,IEEETransactionson</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Ultrasonics,FerroelectricsandFrequencyControl,IEEETransactionson</full-title></periodical><pages><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">655-670</style></pages><volume><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">41</style></volume><number><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">5</style></number><section><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">655</style></section><dates><year><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">1994</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]、PRBSADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[6,12]及混沌調(diào)制信號(hào)ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[13,14]等。PRBS及混沌信號(hào)的相關(guān)函數(shù)主副瓣差異明顯，易于峰值搜索，但超聲傳感器是一種窄帶器件，需采用調(diào)制方式進(jìn)展傳輸ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[14,15]，且每一位碼元必須包含足夠多的載波周期，以免起振與拖尾及信號(hào)群延遲的影響ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[16,17]。但解調(diào)后信號(hào)的相關(guān)函數(shù)主瓣將被展寬。和PRBS及混沌信號(hào)相比，LFM信號(hào)雖然不易克制多傳感器應(yīng)用中的Cross-talkingADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[13,18]，但可以基帶傳輸，更重要的是其相關(guān)函數(shù)主瓣窄ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Pollakowski</Author><Year>1994</Year><Reum>117</Reum><DisplayTe*t>[11]</DisplayTe*t><record><rec-number>117</rec-number><foreign-keys><keyapp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uān)函數(shù)主瓣幅度很高，寬度為0.016ms。圖3是一幀0.05ms的LFM信號(hào)、自相關(guān)函數(shù)及其頻譜。信號(hào)頻率從0.83MHz線(xiàn)性增加到1.2MHz,中心頻率為1MHz。圖4是與圖3相對(duì)應(yīng)的DRLFM信號(hào)及其相關(guān)函數(shù)與頻譜，采樣頻率為20Msps。從圖3(b)及圖4(b)可以看出，相關(guān)函數(shù)的主瓣很窄，第一副瓣高度約為主瓣高度的46%，而其寬度卻比PRBS調(diào)制信號(hào)窄得多，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幀長(zhǎng)也比PRBS調(diào)制信號(hào)短得多。從頻譜圖上看，LFM信號(hào)帶寬略寬于PRBS調(diào)制信號(hào)，但仍在其帶寬內(nèi)，可以高效率傳輸。由于LFM及DRLFM是連續(xù)漸變信號(hào)，起振與拖尾現(xiàn)象ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>童峰</Author><Year>1998</Year><Reum>5</Reum><DisplayTe*t>[16]</DisplayTe*t><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2zeddv0thv**syeevvi*v55t552d55vd05e2">5</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">童峰</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">許水源</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">許天增</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">一種高精度超聲波測(cè)距處理方法</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">**大學(xué)學(xué)報(bào)</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>**大學(xué)學(xué)報(bào)</full-title></periodical><pages><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">507-513</style></pages><volume><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">37</style></volume><number><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">4</style></number><section><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">507</style></section><dates><year><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">1998</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16]的影響不大。圖2單位PRBS的自相關(guān)函數(shù)及其調(diào)制信號(hào)頻譜,PRBS周期為127，載波頻率是1MHz(a)63位PRBS；(b)PRBS自相關(guān)函數(shù)；(c)PRBS調(diào)制信號(hào)；(d)PRBS調(diào)制信號(hào)的頻譜圖3LFM的自相關(guān)函數(shù)及其頻譜(a)LFM信號(hào)；(b)自相關(guān)函數(shù)；(c)LFM的Fourier變換幅度圖4DRLFM的自相關(guān)函數(shù)及其Fourier變換模3.3DRLFM鼓勵(lì)的超聲波TOF遞推估計(jì)3.3.1計(jì)算方法給定離散鼓勵(lì)信號(hào)，是傳感器的接收信號(hào)。對(duì)的互相關(guān)函數(shù)為，MACROBUTTONAuroraSupport.PasteReferenceOrEditStyle(IF0=SEQEqChapter\c\*arabic0"""SEQEqChapter\c\*arabic0."IF0=SEQEqSection\c\*arabic0"""SEQEqSection\c\*arabic0."SEQEq\*arabic4)ADDIN可以導(dǎo)出，，MACROBUTTONAuroraSupport.PasteReferenceOrEditStyle(IF0=SEQEqChapter\c\*arabic0"""SEQEqChapter\c\*arabic0."IF0=SEQEqSection\c\*arabic0"""SEQEqSection\c\*arabic0."SEQEq\*arabic5)ADDIN其中，MACROBUTTONAuroraSupport.PasteReferenceOrEditStyle(IF0=SEQEqChapter\c\*arabic0"""SEQEqChapter\c\*arabic0."IF0=SEQEqSection\c\*arabic0"""SEQEqSection\c\*arabic0."SEQEq\*arabic6)ADDIN而，圖5是一幀幅度為1的DRLFM信號(hào)及其，可以看出中大局部為零,其它是2或-2。因此,式REFR_eq_7F13840E77C744B38206E682617CA595(6)中,只需要計(jì)算非零的情況。所以有：，這里分別是為+2及-2的序號(hào)，和分別為+2及-2的總數(shù)。圖5及波形圖算法復(fù)雜性分析對(duì)于中心頻率為、采樣頻率的N點(diǎn)DRLFM信號(hào)及kN點(diǎn)的,計(jì)算約需定點(diǎn)加法運(yùn)算。而采用FFT計(jì)算相關(guān)函數(shù),需要計(jì)算個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的FFT兩次，逆FFT一次。為保證FFT精度，層的FFT一般采用浮點(diǎn)運(yùn)算，其復(fù)雜性為浮點(diǎn)運(yùn)算，需要實(shí)浮點(diǎn)乘法次及實(shí)浮點(diǎn)加法次。不考慮硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，假設(shè)浮點(diǎn)乘法、浮點(diǎn)加法運(yùn)算時(shí)間是定點(diǎn)加法運(yùn)算時(shí)間的兩倍，F(xiàn)FT基的計(jì)算復(fù)雜性與遞推算法復(fù)雜性之比為，MACROBUTTONAuroraSupport.PasteReferenceOrEditStyle(IF0=SEQEqChapter\c\*arabic0"""SEQEqChapter\c\*arabic0."IF0=SEQEqSection\c\*arabic0"""SEQEqSection\c\*arabic0."SEQEq\*arabic7)ADDIN圖6是不同的采樣倍數(shù),不同的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,據(jù)式REFR_eq_69A25455B9154E1AB03858C7E5819955(7)計(jì)算出的隨鼓勵(lì)信號(hào)時(shí)長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)?？梢钥闯?，遞推算法比FFT基的估計(jì)算法快。圖6，不同時(shí)隨鼓勵(lì)信號(hào)幀長(zhǎng)的變化,是變化的3.3.3算法特點(diǎn)1．遞推算法只需簡(jiǎn)單的加減法運(yùn)算，比基于FFT的算法快，而且可以并行運(yùn)行，適合基于FPGA或CPLD的硬件實(shí)現(xiàn)；2．及的存儲(chǔ)空間外，不需要其它存儲(chǔ)空間，更易于FPGA或CPLD的硬件實(shí)現(xiàn)。3．遞推算法是無(wú)乘積的單層次運(yùn)算，防止了FFT算法中多層次運(yùn)算帶來(lái)的誤差。4仿真與試驗(yàn)為了驗(yàn)證遞推算法的有效性，我們構(gòu)建了TOF估計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)遞推估計(jì)算法進(jìn)展驗(yàn)證與仿真分析。4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括DRLFM信號(hào)產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)、超聲換能器及接收器、信號(hào)調(diào)理與采集局部以及控制與RS232接口局部。其中驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器DRLFM、信號(hào)采集控制器Controller由CPLD器件構(gòu)成。超聲波發(fā)生器UT與接收器US置于玻璃水槽中，間距可調(diào)，最大為50cm。測(cè)量時(shí)，PC機(jī)通過(guò)RS232接口向CPU發(fā)出測(cè)試命令，CPU控制基于DDFS的DLFM發(fā)生器，產(chǎn)生一幀定長(zhǎng)的DRLFM脈沖序列，與此同時(shí)啟動(dòng)采樣電路。DRLFM序列經(jīng)母線(xiàn)電壓為12V的橋式驅(qū)動(dòng)電路Driver驅(qū)動(dòng)，輸入到超聲換能器UT，US接收信號(hào)經(jīng)Conditioning調(diào)理后輸入ADC，Controller控制ADC轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果寫(xiě)入RAM。采樣周期完成后，CPU將存放在RAM中的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232口上傳到PC機(jī)，PC機(jī)讀取采集數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)展處理。圖7實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)中ADC為10bit/20Msps的TLC876，CPLD采用EPF1270T144C5，有源晶振*的頻率為80MHz。傳感器是中心頻率MHz、帶寬為=0.2MHz的防水型超聲波發(fā)收組件。實(shí)驗(yàn)中室溫度保持27℃。DRLFM為，MACROBUTTONAuroraSupport.PasteReferenceOrEditStyle(IF0=SEQEqChapter\c\*arabic0"""SEQEqChapter\c\*arabic0."IF0=SEQEqSection\c\*arabic0"""SEQEqSection\c\*arabic0."SEQEq\*arabic8)ADDIN，，這里頻率變化率。需要說(shuō)明的是相位截尾產(chǎn)生的雜散譜ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>趙正敏</Author><Year>2000</Year><Reum>201</Reum><DisplayTe*t>[21]</DisplayTe*t><record><rec-number>201</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2zeddv0thv**syeevvi*v55t552d55vd05e2">201</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">趙正敏</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">相位截尾對(duì)DDS輸出頻譜影響的分析與計(jì)算</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</full-title></periodical><pages><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">141-145</style></pages><volume><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">30</style></volume><number><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">001</style></number><dates><year><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">2000</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]，對(duì)相關(guān)分析是有益的。4.2短TOF的估計(jì)圖8是一次短距離測(cè)量結(jié)果，傳感器平面相距約5cm，驅(qū)動(dòng)脈沖幀長(zhǎng)40us,Msps。圖8短TOF實(shí)驗(yàn)結(jié)果，=20Msps(a)歸一化的鼓勵(lì)信號(hào)，(b)采集信號(hào)，(c)相關(guān)函數(shù)，(d)相關(guān)函數(shù)(局部)及其擬合結(jié)果可以看出，的峰值對(duì)應(yīng)時(shí)間為3.55us,測(cè)量結(jié)果的讀數(shù)分辨率為0.05us。為了進(jìn)一步提高分辨率，我們對(duì)峰值兩邊的10個(gè)點(diǎn)進(jìn)展擬合，并求其擬合函數(shù)的峰值,(d)是計(jì)算結(jié)果，時(shí)間分辨率準(zhǔn)確到ns時(shí)，結(jié)果為3.558us。圖9是一樣條件下，重復(fù)5000次實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)圖。統(tǒng)計(jì)說(shuō)明，測(cè)量結(jié)果呈正態(tài)分布，算法具有較好的穩(wěn)定性。當(dāng)TOF短時(shí)平穩(wěn)時(shí)，采用連續(xù)屢次平均的方法可以進(jìn)一步提高測(cè)量的精度。圖95000次重復(fù)TOF估計(jì)的結(jié)果分布4．3長(zhǎng)TOF的估計(jì)TOF較長(zhǎng)時(shí)，的長(zhǎng)度kN很大，信噪比變低。本實(shí)驗(yàn)主要考察驗(yàn)對(duì)射式淤泥密度測(cè)量系統(tǒng)中，算法的精度。為防止淤泥掛搭，探頭距離一般在10-40cm。對(duì)于距離更遠(yuǎn)、TOF更長(zhǎng)的應(yīng)用，可以采用粗測(cè)與精測(cè)兩步進(jìn)展，粗測(cè)大致確定TOF的*圍。為了提高長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)的信噪比，可以加強(qiáng)鼓勵(lì)信號(hào)幅度，所用的超聲信號(hào)發(fā)生器，最大驅(qū)動(dòng)電壓為300Vpp.圖10較長(zhǎng)TOF的估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中，傳感器平面相距約50cm，驅(qū)動(dòng)脈沖幀長(zhǎng)為40us，采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度預(yù)計(jì)為。圖10是一組測(cè)量結(jié)果，(a)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，(b)是采集的數(shù)據(jù)，(c)及(d)是其相關(guān)函數(shù)，測(cè)量結(jié)果為T(mén)OF=33.55us，分辨率為50ns。此時(shí)，各有46個(gè)+2和-2，每一點(diǎn)相關(guān)函數(shù)只需計(jì)算加減法92次，總共約需做147200次定點(diǎn)加法運(yùn)算。采用FFT算法，則需要161841次實(shí)數(shù)浮點(diǎn)乘法及379000次浮點(diǎn)加法運(yùn)算。不僅時(shí)間長(zhǎng)，且需要額外的存儲(chǔ)空間。如果采用粗測(cè)與精測(cè)相結(jié)合的方法，計(jì)算量還可以進(jìn)一步降低。5.系統(tǒng)的硬件采用DRLFM鼓勵(lì)，并采用遞推相關(guān)函數(shù)估計(jì)算法超聲波TOF測(cè)量中，只需要加法減法運(yùn)算，降低了計(jì)算復(fù)雜性，不需要額外的存儲(chǔ)空間，并且可以并行實(shí)現(xiàn)，適合基于FPGA或CPLD的硬件實(shí)現(xiàn)。信號(hào)采用基帶傳輸，不需要調(diào)制解調(diào)，相關(guān)函數(shù)主瓣較窄，不僅提高了信號(hào)傳輸效率，也提高了算法的精度及魯棒性。這種遞推算法為高頻、高精度超聲測(cè)量提供了一種有效的方法。5.1系統(tǒng)的硬件方案圖11流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖前面已經(jīng)簡(jiǎn)單的給出了系統(tǒng)方案，這里再詳細(xì)的給出系統(tǒng)的硬件方案，如下圖，系統(tǒng)分成三個(gè)局部：以模擬電路為主的前端電路，以DSP為核心信號(hào)處理電路，以MCU為核心的后端效勞電路。下面將詳細(xì)的介紹各局部的硬件組成和功能。5.2傳感器的選擇圖.12超聲傳感器的阻抗特性。(a)阻抗特性圖。(b)相位特性圖。采用收發(fā)一體超聲波傳感器，中心頻率，帶寬為0.4MHz,特性如圖12所示傳感器選擇條件：首先要防水，這樣不管是用在管道上，還是用在液體中都可以；超聲波在水中傳輸時(shí)，中心頻1MHz左右時(shí)。傳輸效率較好；收發(fā)一體，便于雙向交替發(fā)送于接收。5.3驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生圖*是本文采用可編程器件實(shí)現(xiàn)的DRLFM信號(hào)發(fā)生器框圖，系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為。在每個(gè)脈沖串周期中，頻率變化率和頻率控制字累加器一次，實(shí)現(xiàn)頻率的線(xiàn)性增加，頻率控制字的初值為，相位累加器PA與N位頻率控制字累加一次，實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)頻變化，即，每個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，N位相位累加器的高M(jìn)位作為L(zhǎng)UT的地址，LUT(Look-Up-Table)中存放的D位的正弦信號(hào)波形數(shù)據(jù)在M位地址信號(hào)的尋址后輸出送數(shù)字比擬器p和給定的參考信號(hào)Dref進(jìn)展比擬,產(chǎn)生方波信號(hào)。其調(diào)諧方程為，分辨率為；根據(jù)超聲換能器的中心頻、帶寬和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，可以確定DRLFM的起始頻率控制,調(diào)頻速度。改變FW可以改變DRLFM的中心頻率；設(shè)定可以設(shè)定調(diào)頻速度，當(dāng)時(shí)輸出為頻率穩(wěn)定的方波信號(hào)；改變參考電壓數(shù)據(jù)，其方波的占空比可調(diào)。圖.*基于DDFS的DRLFM發(fā)生器5.4參數(shù)選擇與計(jì)算例本文以中心頻率為1MHz的防水型超聲波發(fā)與收對(duì)為例，選擇并計(jì)算DRLFM的相關(guān)參數(shù)。N=40，M=10，D=8，相位累加器采用流水線(xiàn)構(gòu)造ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>趙正敏</Author><Year>2001</Year><Reum>219</Reum><DisplayTe*t>[9]</DisplayTe*t><record><rec-number>219</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2r0*52adfsvfa6e5s0f5a5r3s9f0fzss5rta">219</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>趙正敏</author></authors></contributors><titles><title>DDS流水線(xiàn)構(gòu)造的改良</title><secondary-title>APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE</secondary-title></titles><periodical><full-title>APPLICATIONOFELECTRONICTECHNIQUE</full-title></periodical><volume>27</volume><number>3</number><dates><year>2001</year></dates><publisher>萬(wàn)方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]，LUT中的四分之一相限的正弦波形數(shù)據(jù)為8位256字節(jié)，可以在FPGA或CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。p為八位比擬器。當(dāng)MHz，Hz，超聲換能器的中心頻MHz、帶寬MHz，信號(hào)持續(xù)時(shí)間ms，可以確定DRLFM的起始頻率控制；,相對(duì)誤差為小于0.01%。和其它的DDFS電路一樣，當(dāng)頻率控制字為非2的整數(shù)冪時(shí)，輸出信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生輕微的相位截尾誤差，但當(dāng)特別是當(dāng)很高時(shí)，這種相位抖動(dòng)遠(yuǎn)小于模擬比擬器及模擬信號(hào)中的干擾ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>趙正敏</Author><Year>2000</Year><Reum>201</Reum><DisplayTe*t>[10]</DisplayTe*t><record><rec-number>201</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="2zeddv0thv**syeevvi*v55t552d55vd05e2">201</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">趙正敏</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">相位截尾對(duì)DDS輸出頻譜影響的分析與計(jì)算</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版</full-title></periodical><pages><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">141-145</style></pages><volume><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">30</style></volume><number><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">001</style></number><dates><year><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">2000</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]。本系統(tǒng)中采用的MA*II，器件最高工作頻率可達(dá)300MHz。此外，由于采用相關(guān)估計(jì)算法估計(jì)TDOA，適當(dāng)?shù)南辔欢秳?dòng)對(duì)相關(guān)估計(jì)的精度是有益的。5.5切換單元電路設(shè)計(jì)這一局部的作用是用來(lái)切換兩個(gè)探頭和發(fā)射、接收電路之間的連接的。作為對(duì)模擬信號(hào)的切換，可以有以下三個(gè)方案可以選擇。用繼電器進(jìn)展切換。當(dāng)信號(hào)接通后，由于繼電器實(shí)際上就是導(dǎo)線(xiàn)，所以不存在信號(hào)失真的現(xiàn)象。但繼電器的開(kāi)關(guān)頻率有限，而且有一定的總開(kāi)關(guān)次數(shù)限制，一般在100萬(wàn)次。采用模擬開(kāi)關(guān)。起初作者采用了這種方案，模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)頻率高，對(duì)信號(hào)的影響比擬小，但在實(shí)用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，由于切換的雙方是接收到的微弱的超聲信號(hào)和用于發(fā)射的高壓信號(hào)，難以找到既能夠承受高壓又能使得傳輸?shù)奈⑷跣盘?hào)失真較小的芯片，所以最終放棄了此方案。采用分立元器件，利用二極管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)控制開(kāi)關(guān)。這種方法能夠有很高的開(kāi)關(guān)頻率，能承受高壓，但作者在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)信號(hào)失真太大，估計(jì)跟發(fā)射信號(hào)的功率有關(guān)。鑒于以上原因，作者暫時(shí)選用了繼電器方案，這樣可以簡(jiǎn)化工程的難度，而且控制繼電器開(kāi)關(guān)所需要的12V電平，發(fā)射電路中的CD4504正好能夠提供。5.6放大電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中接收到的超聲波信號(hào)有以下特點(diǎn)：從超聲探頭接收到的信號(hào)的幅值的*圍大概為0.1mV～10mV，而一般ADC需要采樣的信號(hào)的最大幅值為5V，所以得要放大54dB～94dB，即放大電路的增益為74dB±20dB；接收到的超聲信號(hào)是一個(gè)以2.5MHz為中心的窄帶信號(hào)；由于后續(xù)信號(hào)處理采用的是相關(guān)算法，所以對(duì)放大電路的抗干擾要求不高；鑒于以上特點(diǎn)，作者提出了一種可控諧振三級(jí)放大電路的方案。其中前兩節(jié)是以MA*435/436為核心的固定諧振放大電路，第三級(jí)是以AD603為核心的可程控增益放大電路?？紤]ADC603，可以實(shí)現(xiàn)±20dB的變換。這樣MA*435、MA*436兩級(jí)得要放大74dB，每一級(jí)需要37dB即可。如果信號(hào)的*圍不在0.1mv～10mv之間，則需要通過(guò)手工調(diào)節(jié)可變電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于超聲是一個(gè)窄帶信號(hào)，且由圖4.5看出在諧振頻率時(shí)，根本滿(mǎn)足每一級(jí)37dB的要求，即使實(shí)際中不滿(mǎn)足，可以通過(guò)調(diào)節(jié)RSET或者RL來(lái)到達(dá)目的。所以利用MA*435/436諧振放大器的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的前兩級(jí)的固定增益放大的方案是可行的。采用MA*435/436構(gòu)成放大電路的原理圖。為了防止過(guò)壓，在輸入端應(yīng)該加一對(duì)二極管用以電路的保護(hù)。該電路能很好的對(duì)1MHz的窄帶信號(hào)進(jìn)展諧振放大作用。圖12放大電路原理圖5.7采樣電路設(shè)計(jì)考慮到采樣頻率等因素，采用TLC876(ADC器件,采樣頻率fs=20Msps/12bit)的高速信號(hào)采集電路，用于對(duì)超聲信號(hào)的回波進(jìn)展采集。本文設(shè)計(jì)的采樣頻率為1MHz，綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的本錢(qián)和精度要求，作出的設(shè)計(jì)圖如下：在使用時(shí)作者將ADC芯片的SEL管腳接地，這樣使得其輸入*圍到達(dá)最大為0～5V。由于前級(jí)電路AD603受MA*512控制后輸出為±2.5V，這樣得要有一個(gè)±2.5V到0～5V的轉(zhuǎn)換電路。在此作者使用了一個(gè)集成運(yùn)算放大器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其示意圖如圖4.12所示，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后有Vout=2.5V+Vin，這樣就完成了電壓*圍的轉(zhuǎn)換。圖中采用的運(yùn)放集成電路為OPA627，這是一款高精度、高速運(yùn)放，其參數(shù)完全能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)在信號(hào)帶寬等方面的要求。圖13TLC876的應(yīng)用5.8DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)C5509有32×16bit指令緩沖隊(duì)列，可實(shí)現(xiàn)高效的塊循環(huán)操作；兩個(gè)17×17bit的MAC單元，可在單周期內(nèi)執(zhí)行兩次MAC操作；1個(gè)40bit的ALU、1個(gè)40bit的桶型移位器，4個(gè)40bit的累加器可執(zhí)行比C54系列DSP更高效的算術(shù)運(yùn)算，在400MHz的晶振驅(qū)動(dòng)下，可到達(dá)800MIPS的性能。以44.1kHz采樣率的MP3數(shù)據(jù)流為例，對(duì)128kbit/s數(shù)據(jù)率的MP3數(shù)據(jù)進(jìn)展解碼?；舴蚵獯a、IMDCT、子帶合成等運(yùn)算模塊共需消耗1.3MIPS的CPU資源，對(duì)于平均每秒必須解碼44.6幀數(shù)據(jù)來(lái)講，總運(yùn)算量為44.6×1.3＝57.98MIPS，C5509完全可以滿(mǎn)足此速度要求。C5509還具有128K×16bit的片上RAM，其中包括64KB的DARAM、192KB的SARAM和64KB的片上ROM。與眾多TMS320系列DSP處理器一樣，C5509采用了哈佛構(gòu)造，共有12組獨(dú)立總線(xiàn)，其中包括3組數(shù)據(jù)讀總線(xiàn)、2組數(shù)據(jù)寫(xiě)總線(xiàn)、5組數(shù)據(jù)地址總線(xiàn)、1組程序讀總線(xiàn)和1組程序地址總線(xiàn)，這些總線(xiàn)并行地為各個(gè)計(jì)算單元提供指令和操作碼，從而為高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算提供了有力的保障。C5509提供了專(zhuān)用的外部存儲(chǔ)器接口〔EMIF〕，用于控制DSP與外部存儲(chǔ)器之間所有數(shù)據(jù)的傳輸?？膳cEMIF無(wú)縫的存儲(chǔ)器有：異步存儲(chǔ)器〔ROM、FLASH、SRAM〕、同步突發(fā)SRAM、同步DRAM〔SDRAM〕，并可支持可選的32、16、8位數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。對(duì)EMIF編程時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際的外部存儲(chǔ)器考慮如何分配片內(nèi)使能空間(CE)。通過(guò)EMIF接口，主處理器可將數(shù)據(jù)和程序置于片外，從而節(jié)省了片上硬件資源。其次，C5509有3個(gè)獨(dú)立的多通道緩存串口〔McBSP〕，使得C5509能夠直接與其他C55**系列DSP、多媒體數(shù)字信號(hào)編解碼器等設(shè)備高速互連，這些McBSP可以提供全速雙工通信，并支持128通道的收發(fā)，接收或者發(fā)送可以選擇使用獨(dú)立的時(shí)鐘，字寬為8、12、16、20、24位任選。5.9可編程邏輯器件方案FPGA〔現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列〕與CPLD〔復(fù)雜可編程邏輯器件〕都是可編程邏輯器件，作者根據(jù)現(xiàn)有條件選用了CPLD。CPLD在系統(tǒng)中的作用：〔1〕為DSP以及單片機(jī)的譯碼，以實(shí)現(xiàn)DSP、單片機(jī)系統(tǒng)的完整性；〔2〕為串行接口的DAC提供并串轉(zhuǎn)換功能，使得DAC直接映射成DSP、MCU的一個(gè)存放器，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)對(duì)DAC控制；〔3〕為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)全局控制器，這樣使整個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)的運(yùn)行，同時(shí)使得DSP能專(zhuān)一處理流速的計(jì)算。圖14驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)采集局部原理圖參考文獻(xiàn)1. 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