超聲波流量計系統的探討  八

4 系統軟件設計

4.1 軟件整體設計

系統軟件總體框圖如圖4.1 所示：系統軟件設計采取模塊化設計方法，系統軟件包含的主要功能模塊有：初始化，超聲波發射接收，中斷，廣義互相關計算，數據處理和人機交互等模塊。

4.2 軟件主程序流程

主程序的程序流程圖如圖4.2 所示。系統程序的整體設計流程如下：

1) 系統上電后自動調用初始化程序，初始化包括時鐘初始化、中斷初始化、GPIO 初始化、外設初始化等；

2) 初始化完成后，由F28335 發射超聲波驅動脈沖經放大后驅動發射換能器發出超聲波，接收換能器收到超聲波信號后經過AD 轉換將模擬量轉換成數字量；

3) F28335 通過DMA 方式對轉換后的數據全部讀取完成，切換發射、接收探頭并重復以上過程，接收逆流超聲波信號。

4) 順流、逆流數據均接收完成后，調用數據處理子程序，對數據進行廣義互相關計算，通過峰值檢測，數據處理獲取流速；

5) 然后將流速信息通過LCD 液晶實時顯示。

4.3 中斷處理程序

DMA 完成數據傳輸后會產生中斷信號，在中斷程序中讀取AD 轉換的結果，并判斷是否順逆流信號都已經接收到，如果是，則對超聲波信號進行數字信號處理，包括廣義互相關計算、峰值檢測等。

4.4 廣義互相關程序

廣義互相關函數的計算是整個程序設計的關鍵之一，時延估計的精度決定了超聲波流量系統的測量精度，本系統采用基于SCOT加權的廣義互相關時延估計算法。

5 系統創新

創新點主要包括以下幾項：

1) 超聲波驅動脈沖信號采用多脈沖方案，連續發射三個單脈沖作為超聲換能器的驅動信號。相較于單脈沖驅動信號，該驅動方式能夠有效的增強超聲波回波信號的大小和質量。

2) 高速信號采集模塊采用TI 高速AD 芯片ADS805，并通過F28335 的Xintf 外部擴展接口直接掛載，同時采用DMA 模塊實時讀取轉換后的數據，不僅能夠省去FIFO 緩沖單元而且能夠有效降低F28335 負載，提高系統的實時性。

3) AD 時鐘信號及DMA 同步信號采用F28335 的ePWM 模塊產生，無需擴展諸如CPLD 等外部邏輯控制單元。既充分利用了F28335 豐富的片上外設資源又有效的壓縮設計成本。

4) 時差測量采用SCOT 加權的廣義互相關時延估計算法。該方法能夠獲得明顯突出的相關峰，保證了時差測量精度。

6 評測與結論

6.1 系統指標

本次設計超聲波流量計采用M1 型外夾式收發一體超聲換能器，流量計的具體參數如表6.1 所示。

表6.1 超聲波流量計系統指標

系統指標技術參數

適用管徑(DN) 15~100

驅動電壓9V

工作頻率1MHz

常用安裝方法V，Z 法

適用管材碳鋼，不銹鋼，鑄鐵等均勻密質管道

流速范圍0~±32m/s

測量精度示值±0.1% 流速＞0.2m/s

6.2 系統測試

6.2.1測試儀器及系統安裝

（一）測試儀器

系統測試儀器主要有：數字萬用表、數字示波器和WD-5 直流穩壓電源，大連源晟超聲波流量計。

（二）系統安裝

超聲換能器的安裝對超聲信號質量的影響很大，安裝時需要注意以下幾點：

1) 換能器與管壁之間需要均勻的涂抹一層耦合劑，耦合劑選擇導熱硅脂。

2) 換能器安裝之前，須將管壁外的涂層，鐵銹等去除，將凹凸不平的地方打磨平整。

3) 在進行流量測量時，需要注意換能器安裝位置，距彎管道、閥門、泵越遠越好，上游距離泵最好不小于50D，距離流量控制閥不小于20D，距離彎管道部位不小于10D，下游的直管段也應大于5D。

超聲波流量計