基于ARM处理器的多普勒法超声波流量计

邱军

摘  要：多普勒法超声波流量计是一种智能化的工业在线检测仪表，利用非接触式超声波多普勒检测方法实现流量检测，具有直观、稳定、可靠、适应性强等优点，近年来得到了广泛的应用。本设计基于飞思卡尔K60系列的ARM处理器，利用超声多普勒原理实现流量检测，利用Labview对软件算法结果进行捕获分析，证明了本设计的可行性。

关键词：ARM处理器;多普勒原理;DDS;FFT;CZT

超声波流量计较传统流量计有着不可比拟的优点，即安装简单、非接触测量、无压力损失、无流体扰动影响、适用于多种管径、几乎不需要维护等。本设计应用ARM处理器实现超声多普勒法对介质流量的检测。

1.多普勒法超声波流量计原理

多普勒法超声波流量计利用声学多普勒原理，通过检测散射体产生的多普勒频移，进而得出流体的流速与流量值。其适用于检测含有悬浮颗粒、气泡等具有反射能力的两项流场合，这也是其它流量计难以解决的。

当流体中含有悬浮粒子，一束频率为 的连续超声波沿着与流速成 角方向传播时，悬浮粒子散射的超声频率 与 之间服从多普勒关系，频移 ，于是流速 ，式中 为被测介质的声速，若已知管道截面积为 ，则流量 。

2.硬件设计

硬件系统分为三个部分：主控部分、信号处理部分及外设部分。

2.1 主控部分

本设计主控部分选用基于Cortex-M4内核的ARM处理器MK60FX512，它的AD采集器将接收电路回传的信号进行模数转换，经过FIR滤波、FFT及CZT变换后，计算出多普勒频移，进而求得流速、流量信息。

2.2 信号处理部分

2.2.1 信号发射部分

多普勒信号发射由K60控制DDS芯片产生固定频率的方波或者正弦波，来驱动超声波探头发射超声波信号。DDS芯片选用TI公司生产的低功耗LVCMOS时钟芯片CDCE913，其应用电路如图1所示，S0为片选信号，S1为数据输入，S2为时钟输入，Y1、Y2、Y3为频率输出。

2.2.2 信号接收部分

超声波信号在经过管壁和被测介质时会产生多普勒频移。本设计选用的超声波换能器频率为0.5～1MHz，产生的频移在0～3KHz范围内，使用带通滤波器将这个范围的频移信号选出，再通过与基准信号进行混频处理后，用低通滤波器选出有用的频移信号，供给主控ARM处理器的AD采集器。

2.3 外设部分

外设部分主要用于流速及流量显示、485/232通信、4-20mA输出、人机交互等功能。

3.软件设计

软件设计采用C语言进行编写，设计了FIR滤波、FFT及CZT等数据处理算法，并利用NI公司推出的labview软件对算法结果进行采集，以验证其正确性。软件设计的主程序流程图如图2示。

4.捕获分析

利用MK60FX512的AD采集器，采集1MHz频率的信号，经过软件算法处理后，输出相应的频率，然后用labview软件捕获以上两个频率信号，如图4所示。算法处理后的频率波形，与原始信号的频率波形是相符合的。

5.结论

本文设计了以ARM处理器为核心的多普勒原理超声波流量计，完成了整体的硬件和软件设计。由于MK60FX512自带DSP单元，其既能进行系统控制与处理，又能精确、快速的计算流速、流量等数据，节省系统成本的同时又提高了系统可靠性。

参考文献

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