基于DSP的超声波明渠液位测量系统

么 启， 刘纪元，焦学峰， 杨 强，焦金峰

（1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.中国科学院声学研究所综合声纳实验室 北京 100080；3.北京航瑞博泰科技有限公司 北京 100102；4.河南义马煤气化集团 河南 义马 472300）

目前明渠液位测量的方法有很多，包括水尺、浮子式水位计、投入压助式水位计、和超声波液位计等方法[1]。其中以接触式测量为代表的压力式传感器，在多泥沙河流中使用会受到严重污染，从而带来较大的误差。采用非接触式测量的方法，利用超声波来进行对明渠液位的测量可以做到不接触液面，从而避免了液体污染和腐蚀对测量设备的影响，具有结构简单、安装方便、价格低廉等优点。考虑到现有的明渠液位计测量精度不高、数据不稳定等问题，并综合考虑现场温差、湿度等方面，研究设计了一种基于DSP超声波明渠液位测量系统。

1 超声波明渠液位测量原理介绍

其中c为声速，与温度有关。常温下大约340 m/s。t为从发射超声波信号到接收到回波信号所经历的时间，h为测量到渠底到传感器探头表面的实际距离，ht为超声波传感器测量出的传感器到液面的距离，d为计算后的实际液位高度值。即通过测量发射信号与接收信号的时差t，就可以计算得到液位值d。

超声波明渠液位测量是利用超声波测距的基本原理。超声波探头垂直向液面发射一个超声波脉冲 （持续时间为t0），声波在水面与气体的分界面发生反射，超声波探头接收由液面反射的超声回波，并记录时间t。

图1 声波测深原理图Fig.1 Depth of water by Acoustic

2 超声波明渠液位计基本构成

本系统中主要由超声波换能器、超声波发射接收电路、信号采集处理部分组成，系统组成如图2所示。整个系统以TI德州仪器TMS320C5509A DSP芯片为系统核心，DSP芯片的功能主要完成对发射和接收信号的控制、对回波信号进行信号处理从而达到远距离精确测量、以及相应的数据通信功能。

系统的工作过程：首先由DSP数字信号处理芯片产生一串短脉冲，在发射脉冲信号的同时控制A/D芯片进行数据采集，短脉冲信号通过脉冲激励电路激励超声探头发出超声波，超声波遇到液面后产生反射。超声波探头将接收到的反射回波转变为电信号，电信号经过放大电路放大后经过A/D采集变为数字信号，通过DSP数字信号处理器进行信号处理与计算得到液位数据，通过RS232串行数据口进行数据通信。

超声换能器采用收发一体的窄带超声波换能器，谐振频率40 kHz。

图2 系统组成原理图Fig.2 Principle diagram of system constitution

3 系统硬件电路设计

3.1 大功率脉冲激励电路

脉冲激励电路部分是用来产生激励超声波换能器振动的脉冲。由于超声换能器按照信号理论相当于一个带通滤波器，因此可以用矩形脉冲作为激励信号，并且当换能器与发射电路相匹配时才能得到近似的正弦波。通过TMS320 C5509A芯片的自身的MCBSP通道通过帧同步信号的方式产生频率为40 kHz的脉冲信号。将产生的脉冲信号送往超声波驱动电路将脉冲的电压由3.3 V提高到400 V/Vpp。采用变压器驱动法，如图3所示，这种电路采用工作在饱和区的MOS管开关作为激励的功率级，来降低MOS管的功耗，这种结构的驱动电路能够较好地提供高压大功率的驱动脉冲，从而提高了声波的传播效率。

图3 脉冲激励电路Fig.3 Pulse excitation circuitry

为避免连续测量时回波信号间的相互干扰，前后两次的脉冲发射应该有一个时间间隔。时间间隔由最大测量距离决定，当量程为10 m时，以常温下超声波声速340 m/s计算，发射声波脉冲的时间间隔为：T=2H/c=2×10/340=58.8 ms，实际应取60 ms，用这个时间来作为脉冲发射的间隔。

3.2 收发隔离电路

收发隔离电路主要起到过压保护的作用，超声探头的激励信号会出现幅值比较大的脉冲信号，这将影响后续电路的正常工作甚至会烧毁器件。所以设计了电压限幅器，在放大器前端并联一个互为反向的箝位二极管，如图4所示。

图4 收发隔离电路Fig.4 Transceiver isolating circuit

3.3 回波放大电路

超声接收换能器的输出信号比较微弱，且易受干扰。由于超声换能器的输出电阻比较大，因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗；同时，换能器的输出电压很小约数十微伏，这需要前置放大电路具有高精度，噪声小的特性。选用了ADI公司的一种高输入阻抗、轨到轨的精密运算放大器，ADA4528-1是一款超低噪声、零漂移运算放大器，具有轨到轨输入输出摆幅能力。失调电压为2.5 μV，失调电压漂移为0.015 μV/°C，噪声为 97 μVp-p，由于在最大量程 10 m 处液面返回的回波信号幅度为在1 m处信号回波幅度的1/15左右，因此采用固定增益的放大电路即可，设计将回波信号放大增益设为40 dB。

3.4 A/D转换电路

为了将接收到的回波信号由模拟信号转变为能被DSP芯片处理的数字信号。需要进行A/D变换。由式2可知，测量的准确度很大程度上决定于测量时间t。回波波形偏差点的个数与采样率的乘积可近似看作为测时精度，在一定条件下提高采样率可提高测时精度。由于DSP5509A芯片自身的采样率最高为21.5 kHz，远不能满足系统要求，这里为提高采样率采样采用ADI公司的AD7694模数转换芯片，AD7694是一款16位、采样速率250 kps，具有SPI接口。与DSP5509连接示意图如图5所示。

图5 A/D与DSP的连接示意图Fig.5 A/D and DSP connection schemes

A/D的采集速率通过设定VC5509帧同步信号控制的采集频率，实验中利用DSP5509的McBSP端口，通过SPI接口时序控制AD7694芯片采集数据。

4 软件部分设计

4.1 系统工作流程

系统上电后，从FLASH加载程序，对各个部分做初始化配置。在定时器RTC的控制下产生短的脉冲信号，同时进行数据采集，定时器中断结束后停止发射脉冲。对采集到的回波信号进行分析，通过声速校正得到现场准确的声速值。将采集到的回波信号做匹配滤波来提高信噪比，并计算出液位值。测量N次后最后得到平均液位值。图6是整体软件流程。

图6 系统工作流程Fig.6 System work flow

4.2 声速修正

由于超声波在空气中传播时，易受到现场环境温度、湿度变化影响声速，进而造成对声波传播时间测量的不准确。式 （1）是根据超声波在介质中传播速度为固定值进行计算的，当温度的变化为1℃时，对声速的影响是0.6 m/s，为尽量避免这一误差，实际应用中需要对声速进行校正。本设计采用校正具法进行声速修正，具体的做法是在大于超声波传感器测量盲区的位置放置一个挡板[4]，使其反射部分的超声波信号。如图5所示，挡板与超声波传感器探头的固定距离为L，由挡板的回波信号可以测量出传感器到挡板的声波传播时间 t0，由 c=则可计算出当前实际的声速c校正，进而提高了测量精度。

图7 声速校正示意图Fig.7 Sound velocity correction schemes

4.3 回波信号处理

匹配滤波技术对于在强干扰中检测弱信号以及提高目标分辨率具有很大优势，在噪声较大的情况下，仍可将最大幅值所对应的点找出[5]。通过匹配滤波计算可以更好的突出回波峰值，找到峰值点即求出了液面反射回波时间。

实际中采集的波形如图8所示，此时回波信号幅度较小，信号峰值不明显，这降低了时间的测量精度。通过频域的匹配滤波方法，得到匹配滤波输出波形并取绝对值如图9所示，此时回波信号的峰值十分突出。

图8 液面反射回波Fig.8 Liquid surface reflection echo

图9 匹配滤波器输出波形Fig.9 Matched filter of output waveform

5 实验结果

系统设计完成后，在室外选取一段流速相对平稳的开放式渠道进行测量，通过控制闸门实现水位变化。此时超声波传感器距离渠底安装距离为7 m，采用10次平均测量。测量结果与水尺测量的数据进行对比，如表1所示。经测试系统连续工作稳定可靠，长时间工作发热量小，功耗较低。在量程为7 m时，相对测量距离的偏差小于0.5%，最大误差不超过5 mm。

表1 液位测量值Tab.1 Level measurement value

6 结束语

阐述了超声波明渠液位测量系统硬件和软件的设计，利用DSP芯片对回波信号进行处理，提高了回波信号的信噪比。消除了由于声速变化带来的测量误差。通过实际测试，系统工作稳定，通过RS232串行接口可以与上位机进行数据传送。测量量程为0.4～10 m，最大误差不超过5 mm，满足了现场明渠液位测量的要求。

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