基于超聲波回波衰濺理論的超聲波濃度計(jì)設(shè)計(jì)

1 理論分析

??? 超聲波在懸浮液中傳播時(shí)，與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減，其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減，最后到達(dá)接收端。各種衰減的機(jī)理是很復(fù)雜的，但都是由懸濁粒子所引起，并與懸濁粒子的數(shù)目成比例，故在一定條件下衰減是和濃度成比例的，測知懸浮液的聲衰減系數(shù)，就能求出濃度。設(shè)液體中有懸浮粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E。，液體中沒有懸濁粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為a0和E0，發(fā)射、接收端之間的距離為L，發(fā)射電壓為Er，則：
????
??? 根據(jù)上述兩個(gè)公式，懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)／L求得。

??? 由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減，聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減，該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后，即可從測量電壓得到濃度值。

2 硬件設(shè)計(jì)

??? 如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心，采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動超聲波換能器，超聲波經(jīng)過懸濁液到達(dá)接收換能器，利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號進(jìn)行對數(shù)放大，最后由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出濃度值。系統(tǒng)還包括鍵盤、顯示、參數(shù)存儲、開關(guān)量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等部分。

2．1 主控芯片電路

??? 本系統(tǒng)以美國Silab的高速混合信號ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計(jì)在超聲波發(fā)射和接收的時(shí)序上需要精確的控制，這不僅需要處理器的速度快，而且需要多個(gè)定時(shí)器；由接收單元返回的是低于2．5 V的電壓信號，需要經(jīng)過精確的A／D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給CPU處理。C8051F021的特點(diǎn)如下；

??? ①高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)。

??? ②12位的片上SAR ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大100 kbps，可編程放大器增益。

??? ③4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，64 KB Flash存儲器；可以在系統(tǒng)編程。

??? ④5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列，硬件SMBus、SPI及2個(gè)UART串口。

??? ⑤功耗低(10 mA@20 MHz)，多種節(jié)電休眠和停機(jī)方式。

2．2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串

??? 直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進(jìn)行頻率合成，不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器。AD9833是可編程的，通過高速串口外圍接口(SPI)，只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡單正弦波就可工作。AD9833可以在基于25 MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生0 Hz～12．5 MHz的波形。

??? 超聲波發(fā)射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時(shí)鐘來源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI總線CLK、DATA、CS與微處理器的I／O口通過一片74HC244相連接。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器，用于增強(qiáng)信號帶負(fù)載能力。通過微處理的控制，AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波。AD9833的輸出與微控制器的選通信號EN在與非門的作用下，在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串，這個(gè)脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對超聲波換能器進(jìn)行驅(qū)動。

2．3 超聲回波接收單元的對數(shù)放大器

??? 在信號處理領(lǐng)域中，一些信號往往具有很寬的動態(tài)范圍。比如在雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)中，需要處理的信號動態(tài)范圍可達(dá)120 dB以上；超聲波回波接收器前端的電壓也可以從“μV”級到“V”級。寬動態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。

??? 在實(shí)際應(yīng)用中，一般會對所要處理的信號進(jìn)行非線性壓縮。應(yīng)用最多的就是對數(shù)放大器。它使輸出信號和輸入信號的包絡(luò)成對數(shù)比例。它對信號動態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號的電平來控制增益，其增益與信號的大小成反比，在通信、雷達(dá)、超聲、電子對抗中有著廣泛的應(yīng)用。

??? 如圖3所示，該方案采用單端輸入，有對數(shù)零點(diǎn)和斜率調(diào)節(jié)電路，將對數(shù)零點(diǎn)設(shè)在-84 dBm，斜率定為大約20 mV／dB。對數(shù)放大器后加一級緩沖(AD8031)，主要作用有二：一是使接收模塊最終輸出是低阻抗的，提高抗干擾能力；二是通過這一級的電壓增益將對數(shù)斜率恢復(fù)到25 mV／dB 。設(shè)計(jì)的對數(shù)放大器信號輸入范圍定為－72 dBm(在50 Ω源阻抗時(shí)，－72 dBm相當(dāng)于振幅為±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅為±1 V的正弦波)，相應(yīng)的對數(shù)輸出電壓為0．3～2．35 V，對數(shù)動態(tài)范圍82 dB 。該電路做成模塊形式，封裝在屏蔽罩中。所有引線(地線和輸出信號線除外)均通過穿心電容引出，穿心電容的外極接地，以提高屏蔽效果。

3 軟件設(shè)計(jì)

??? 超聲波濃度計(jì)軟件由信號處理程序、界面程序、控制信號輸出程序、通信程序四部分組成，軟件總流程如圖4所示。信號處理程序?qū)崿F(xiàn)DDS控制、超聲波發(fā)射、回波信號A／D采集、信號綜合處理等功能，是軟件程序的重點(diǎn)。界面程序包括界面顯示、參數(shù)設(shè)置、鍵盤處理等功能，實(shí)現(xiàn)與用戶良好的溝通?？刂菩盘栞敵龀绦?qū)崿F(xiàn)了電流信號、繼電器信號、開關(guān)量的輸出，完成了工業(yè)現(xiàn)場控制的需要。通信程序按一定的協(xié)議送出儀表存儲的單次A／D值和綜合處理的顯示值，供儀器的性能校驗(yàn)使用。

??? 軟件程序的核心由超聲波發(fā)射(包含DDS脈沖合成)、超聲波回波A／D采集程序、信號濾波程序、濃度計(jì)算程序構(gòu)成。

3．1 超聲波發(fā)射程序、回波A／D采集程序

??? 本系統(tǒng)選用的DDS是SPI總線的，在串口時(shí)鐘SCLK的作用下，數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設(shè)備上。FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電平有效。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)SYNC引腳必須置低，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時(shí)間的最小值。FSYNC置低后，在16個(gè)SCLK的下降沿?cái)?shù)據(jù)被送到DDS的輸入移位寄存器，在第16個(gè)SCLK的下降沿FSYNC可以被置高，但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的數(shù)據(jù)保持時(shí)間的最小和最大值。當(dāng)然，也可以在FSYNC為低電平的時(shí)候，連續(xù)加載多個(gè)16位數(shù)據(jù)，僅在最后一個(gè)數(shù)據(jù)的第16個(gè)SCLK的下降沿時(shí)將FSYNC置高。最后要注意的是，寫數(shù)據(jù)時(shí)SCLK時(shí)鐘為高低電平脈沖，但是，在FSYNC剛開始變?yōu)榈蜁r(shí)(即將開始寫數(shù)據(jù)時(shí))，SCLK必須為高電平。

??? 通過微控制器的硬件SPI(使用微控制器的3個(gè)端口)可以控制DDS輸出0 Hz～12．5 MHz的方波。另外使用一個(gè)端口和DDS的輸出共同作為與非門的輸入，這樣就可以實(shí)現(xiàn)脈沖串的時(shí)長控制，開啟脈沖串輸出的同時(shí)對時(shí)長計(jì)數(shù)，依據(jù)超聲波在礦漿中的傳送速度和發(fā)射接收傳感器的間距就可以判斷何時(shí)接收超聲波回波。利用片內(nèi)A／D采集超聲波回波，便可以對A／D采集到的數(shù)字信號進(jìn)行處理。

3．2 信號濾波程序

??? 常用的軟件濾波方法很多，包括限幅濾波法、中位值濾波法、算數(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，采集到的信號沒經(jīng)過處理往往不能直接用，這樣就需要對采集到的A／D值進(jìn)行濾波處理。由于現(xiàn)場的跳變是隨機(jī)的，所以不能用常規(guī)的濾波程序，需要用到限幅濾波法和消抖濾波法的綜合方法——限幅消抖濾波法。

??? 限幅濾波法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值(設(shè)為A)。每次檢測到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差小于等于A，則本次值有效；如果本次值與上次值之差大于A，則本次值無效，放棄本次值，繼續(xù)下一次A／D采樣。

??? 消抖濾波法是設(shè)置一個(gè)濾波計(jì)數(shù)器，將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較：如果采樣值等于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器清零；如果采樣值大于或小于當(dāng)前有效值，則計(jì)數(shù)器加1，并判斷計(jì)數(shù)器是否大于等于上限N(溢出)。如果計(jì)數(shù)器溢出，則將本次值替換當(dāng)前有效值，并清零計(jì)數(shù)器。限幅消抖濾波程序能隨著現(xiàn)場的跳變做出相應(yīng)的改變，使信號處理更合理準(zhǔn)確。

3．3 濃度計(jì)算程序

??? 濃度計(jì)算程序中包含濃度曲線擬合和溫度補(bǔ)償兩部分。

??? 曲線擬合是用連續(xù)曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點(diǎn)組所表示的坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系的一種數(shù)據(jù)處理方法。濃度曲線擬合經(jīng)過多次的試驗(yàn)校正，采用了2條一次曲線和1條二次曲線，確保濃度的最大程度擬合。同時(shí)由于現(xiàn)場不同環(huán)境的需要，設(shè)置了一些擬合參數(shù)，以便于隨時(shí)調(diào)整。

??? 溫度變化給超聲波傳感器實(shí)際測量帶來誤差，表現(xiàn)在微控制器對超聲波回波A／D采集上產(chǎn)生非線性變化。為了解決這個(gè)問題，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，找出它們之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)用擬合法求出各溫度時(shí)的傳感器靜態(tài)輸出特性的擬合多項(xiàng)式，將各個(gè)擬合參數(shù)b0，b1，b2，…，bk寫入程序，對微控制器片上A／D采集到的超聲波回波數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即由輸入溫度和A／D值查找和計(jì)算相應(yīng)的補(bǔ)償后的正確值，確保濃度數(shù)據(jù)的正確性。

結(jié) 語

??? 本文討論了超聲波濃度計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù)，發(fā)射電路采用DDS，接收電路采用對數(shù)放大器，經(jīng)工程實(shí)踐證明，這些方法都是可行的。但由于自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境干擾，該產(chǎn)品的精度還有待提高。