基于STM32的超声波浓度检测系统的设计

李勇

摘 要：本文介绍了基于STM32芯片联合RTOS的超声波浓度检测系统的设计，通过对回波信号采用先进的算法处理，保证该检测系统具有较高的稳定性和应用能力。

关键词：STM32超声波;浓度检测 RTOS

0、引言

随着科技的发展，基于传统单片机的浓度检测系统已经不能满足工业在线浓度检测的精度和稳定性要求，在此背景下，研究基于STM32的超声波浓度检测系统，该系统充分发挥STM32芯片的优势，大大提升了系统的稳定性，减少产品故障率，拓宽了产品应用领域。

1、检测基本原理

超声波浓度检测系统基于超声波在悬浮液中傳播时，其信号振幅随被测矿浆中固体含量及粒子大小变化而变化的超声衰减测量。根据技术专利，确定超声波浓度检测系统发射频率，消除粒子大小的影响后，通过测量超声波穿过悬浮液时的信号衰减量就可检测浓度。

2、浓度检测系统硬件设计

本浓度检测系统采用STM32F4系列的芯片作为主控芯片，该系列芯片可基于ARM Cortex4 32位精简指令内核，时钟操作频率最高可达100MHZ。波形发生器由AD公司生产，该波形发生器能够输出正弦波、三角波和方波，输出频率范围可从0 MHZ达到12.5 MHZ，可以为不同频率换能器做驱动信号。选用高速AD采集芯片实现提高回波信号采样率的要求，较高的采样率保证采集窗口模式采集固定时长的脉冲串信号，可以详细计算整个包络面积，还可以辅佐单点检波剔除异常数据。

通过温度传感器实现两路温度采集，对采样数据进行温度补偿。系统通过RS485协议与主机实现通讯，如图1为硬件连接示意图。

3、浓度检测系统软件设计

在RTOS下完成相应的底层驱动程序，基于C语言嵌入式系统编程，实现信号的收发和状态判断、数据采集和算法处理、温度采集和补偿、RS485通讯等功能。RTOS提供文件管理、抢占式多任务处理、时间片轮转调度、消息队列等服务。RTOS允许任务直接发送消息或信号量到另一个任务，避免产生中间消息，提高了内核性能。RTOS采用哈希列表结构，减少了处理延时和任务超时产生的开支，提高了软件系统的可维护性和灵活性，提高研发效率节约成本。

STM32通过SPI2总线控制波形发生器发出不同频率的信号来驱动换能器工作，回波信号通过放大、滤波处理后送给AD采集。SPI2总线输出通过配置BR寄存器中CPHA和CPOL位可以分成4种模式，通过与波形发生器的时序对照，选择一种模式。软件测试过程中，确定的SPI2总线模式可能出现无法使波形发生器输出正确频率信号的情况，此时，需要测试SPI2总线的其他模式，找出正确的配置方式。

STM32通过SPI1总线控制AD工作，SPI1总线采用DMA方式为AD提供时钟和控制，并将采集数据存入自定义缓冲区中，方便读取。信号工作流程如图2所示。

将STM32系统时钟设置为100Mhz，AD采样时钟达到SPI1总线时钟上限，将采集的数据采用平均能量算法进行预处理，然后结合多参量测量技术，提升产品应对多种工艺状态测量的稳定性。图3为AD采集的数据经过算法处理后拟合的曲线图。

从图3可以看出，AD采用较高的采样率结合先进的算法，处理后的数据波形干净无杂质，波峰峰值非常平稳，在采样灵敏度提升的同时保证了数据的可靠性。

4、结论

超声波浓度检测已经成为现代工业生产不可缺少的环节，如何提升检测精度、扩大检测领域已经成为超声波浓度检测共同面临的挑战，该系统采用STM32处理器和RTOS软件环境，采样率得到提高的同时结合先进的数据处理算法，保证了采样数据的稳定性和真实性，提升了工业现场超声波浓度在线检测的应用能力。

参考文献

[1] 超声学[M]. 科学出版社 ， 应崇福 主编， 1990

[2] 超声波矿浆粒度检测的非线性建模研究[D]. 何桂春.北京科技大学 2006

[3] 超声波技术在选矿中的应用[J]. 何桂春，毛益平，倪文.  金属矿山. 2003（12）

[4] STM32单片机应用基础与项目实践. 清华大学出版社 ，屈微，王志良， 2019