聲學(xué)多普勒流速快速測量的設(shè)計(jì).docx

1、聲學(xué)多普勒流速快速測量的設(shè)計(jì)張羽，李永倩，鮑帥，范寒柏(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定()71000)摘要：傳統(tǒng)的多普勒流速剖面測量儀將混頻正交與低通濾波在軟件中實(shí)現(xiàn)，存在測量時間長、精度不高等問題。為解決上述問題，采用運(yùn)算速度更快、內(nèi)存容量更大的STM32H743單片機(jī)作為主控芯片，同時設(shè)計(jì)了將信號混頻、正交與FIR低通濾波在硬件電路中實(shí)現(xiàn)的多普勒流速剖面儀，這樣大大減少了CPU的運(yùn)算時間，提高了測量精度。運(yùn)用FFT算法進(jìn)行信號質(zhì)量分析，利用自相關(guān)算法計(jì)算出各層流速。通過試驗(yàn)，對測得的多普勒頻偏以及流速進(jìn)行分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足在實(shí)際小型河流中的精確測量，具有可行性。關(guān)鍵詞

2、：正交混頻；多普勒流速剖面儀；質(zhì)量分析；自相關(guān)算法中圖分類號：TN913文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200546中文引用格式：張羽，李永倩，鮑帥，等.聲學(xué)多普勒流速快速測量的設(shè)計(jì)J.電子技術(shù)應(yīng)用,2021,47(5):54-58.英文弓I用格式：ZhangYu,LiYongqian,BaoShuai,etal.DesignofrapidmeasurementofacousticDopplervelocityJ.ApplicationofElectronicTechnique,2021,47(5)：54-58.Designofrapidmeasure

3、mentofacousticDopplervelocityZhangYu,LiYongqian,BaoShuai,FanIlanbai(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071000,China)Abstract:IntraditionalDopplervelocitymeasurement,mixingquadratureandlow-passfilteringaregenerallyimplementedinsoftware,whichresultsinr

4、elativelylongmeasurementtimeandlowaccuracy.Inordertosolvetheabove-mentioned,STM32II743singlechipcomputerwithfasteroperationspeedandlargermemorycapacityhasbeenusedasthemaincontrolchip,andaDopplervelocityprofilerisdesignedbyusingsignalmixing,orthogonalandI'lRlow-passfilteringinthehardwarecircuit,w

5、hichgreatlyreducestheCPUoperationtimeandimprovesthemeasurementefficiency.Atthesametime,FFTalgorithmhasbeenusedtoanalyzethesignalquality,andautocorrelationalgorithmhasbeenusedtocalculatethevelocityofeachlayer.Throughtheexperiment,thefrequencydeviationandvelocityareanalyzed.Theresultsshowthatthedesign

6、ofthesystemcanmeettherequirementsofaccuratemeasurementinactualsmallstreams,anditisfeasible.Keywords:orthogonalmixing；Dopplervelocityprofiler；qualityanalysis；autocorrelationalgorithm0引言傳統(tǒng)的聲學(xué)多普勒流速剖面儀(AcousticDopplerCurrentProfiler,ADCP)在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行正交變換、FIR濾波來獲取多普勒頻偏信號的實(shí)部和虛部，最后通過自相關(guān)算法計(jì)算出多普勒頻偏，得出流速，由于正交變換和F

7、IR濾波等均在軟件中完成，因此數(shù)據(jù)處理的時間較長，并且硬件電路需要外擴(kuò)SRAM,不便于電路設(shè)計(jì)，成本也較高。本系統(tǒng)采用內(nèi)存1MB、主頻高達(dá)400MHz的STM32H743作為CPU,無需外部SRAM，并將回波信號的正交變換以及FIR低通濾波在硬件電路中實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)內(nèi)部16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，同時對兩路正交信號進(jìn)行采樣，這樣數(shù)據(jù)處理的速度顯著提高，測量的精度也進(jìn)一步提高，在實(shí)際工程中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。1系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用原理多普勒流速剖面測量系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、混頻濾波系統(tǒng)、正交變換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等組成。單片機(jī)驅(qū)動換能器向水中發(fā)射超聲波，超聲波遇到水中的小

8、顆粒發(fā)生漫反射，回波信號經(jīng)接收匹配電路、LC選頻放大電路、二級放大電路后，進(jìn)入中頻混頻器與木振信號混頻得到中頻信號，對中頻信號進(jìn)行選頻放大、正交處理后，經(jīng)過低通濾波器后得到多普勒頻偏，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D信號采集處理，運(yùn)算處理完成后，通過Morlbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出1.1系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，單片機(jī)通過產(chǎn)生兩路帶死區(qū)控制的PWM波，經(jīng)H橋驅(qū)動電路以及變壓器匹配電路驅(qū)動2MHz的換能器周期性發(fā)射超聲波，利用多普勒效應(yīng)，發(fā)射出的超聲波遇到水中的小顆粒發(fā)生漫反射，此時接收到的回波信號的頻率為,A+A/,其中/=2MHz為發(fā)射信號,圖1系統(tǒng)構(gòu)成圖#為多普勒頻偏，回波信號幅值為微伏級。經(jīng)過LC選頻放大和

9、二級放大電路后進(jìn)入到混頻器電路，在混頻器中與£二1.55MHz本振信號參與混頻，經(jīng)過LC選頻放大電路后得中頻信號。將該信號一分為二，通過與單片機(jī)產(chǎn)生的兩路正交信號cos(AX)25Tasin-2tt經(jīng)過乘法器混頻，再通過低通濾波器濾波，得到兩路頻率為cos(2ttA/)、sin(2tt少)的信號，經(jīng)過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器同時對兩路信號采集，得到多普勒頻偏信號項(xiàng)的實(shí)部和虛部，最終經(jīng)過自相關(guān)算法運(yùn)算，計(jì)算出多普勒頻偏得出各層流速。1.2開關(guān)混頻原理設(shè)輸入信號為：S二CQS(g+p)(1)本振信號為：LPFS(i)xS(z)二cos,(ah-3小+甲(6)由式(6)可以得出，經(jīng)低通濾波后的信

10、號幅值和相位與輸入信號相同，頻率為輸入信號與方波頻率的差值，這樣就達(dá)到了混頻的作用%1.3自相關(guān)算法設(shè)復(fù)信號"H)的實(shí)部為：r(t)=4coso>.(7)虛部為：i(t)=ASinton(8)其中，4為信號幅值為頻移角頻率，采樣點(diǎn)為，采樣周期為丁，則有以下公式凹：S2(7)=COS(C02+2)取與本振信號同頻的方波信號為s；h),則有:1,-1小+日7即+“將其傅里葉級數(shù)展開為:84sin,COSQMmrS(，)二2n=1顯然，式(4)是以代為基波的多次諧波的集合，因此，將輸入信號與方波信號的混頻可以寫成：(4)Sr=X(r(72T)t(?i+l)T-i(nT)r(n+l)T

11、(9)7=1nSi二X(«T)r(7l+l)r+i(7lT)L(7l+1)t(10)r=1實(shí)際信號包含有一定的噪聲，因此設(shè)待測信號為S(t),噪聲為幾(t),可得:S(t)=H(t)-hn(t)(11)該信號的自相關(guān)函數(shù)表示為：Rs(C二伽(丁)+乩(丁)(12)將Rs(t)用極坐標(biāo)的方式表示為：upItRs(T)=Ax(T)e'(13)其中：00S】(z)xS(z)=4cos(cd”+s)xZn=14sin72/7T72/TTcosnzt>2=2sin27?7Tcosn(a)-a)2)t+(P+cosn(a)+(x)2)t+(P(5)經(jīng)低通濾波器后可得：饑(丁)二ar

12、ctan喈(14)Ke/vx(r)因此，利用上述公式進(jìn)行一階矩估算，可得頻偏計(jì)算公式為：/=栗一arctan(Sr/5X)(15)2ttt2硬件電路設(shè)計(jì)采用STM32H743型單片機(jī)，內(nèi)部資源十分豐富，無需外擴(kuò)SRAM,可簡化電路，采用硬件正交與濾波電路,電子技術(shù)應(yīng)用2021年第47卷第5期一55計(jì)算速度大大提高。硬件部分的核心設(shè)計(jì)包括混頻中放電路、正交混頻電路。其中混頻中放電路采用SA637芯片，正交混頻電路采用兩路與中頻信號同頻的正交方波信號驅(qū)動DG444電子開關(guān)管，提取多普勒頻偏信號的實(shí)部和虛部的。2.1混頻中放電路設(shè)計(jì)接收到的回波信號通過LC選頻放大和二級放大電中，兩路與中頻信號同頻的

13、正交信號同中頻信號混頻,經(jīng)MAX291電容濾波器分別對信號進(jìn)行正交和濾波,提取多普勒頻偏信號的實(shí)部與虛部。2.2.1正交混頻電路設(shè)計(jì)正交混頻濾波電路如圖3所示°DG444模擬開關(guān)用以開關(guān)混頻，設(shè)輸入信號51H）二4cos（W+而，方波信號s（，）與輸入信號同頻。路后，經(jīng)過混頻中放電路產(chǎn)生中頻信號，該信號與兩路和中頻同頻的正交信號相乘，經(jīng)低通濾波后，得到頻偏信號，從而進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。傳統(tǒng)的混頻中放電路需要兩個芯片來實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)和調(diào)試較為繁瑣。因此本系統(tǒng)的混頻應(yīng)用電路如圖2所示，混頻中放模塊采用SA637芯片。SA637集成了混頻器和兩個限幅中頻放大器，可以在低壓2.7V下工作

14、，并且具有強(qiáng)度指示RSSI,這樣便可以對輸出進(jìn)行電平調(diào)整川。在本系統(tǒng)中，1.550MHz本振信號和2MHz的輸入信號通過RFIN和OSCB引腳輸入SA637芯片進(jìn)行混頻，混頻后的信號從MIXEROUT引腳輸出經(jīng)過sin215INPUTcos2TTf450kHz陶瓷濾波器進(jìn)入IFAMPIN端，通過內(nèi)部的中頻放大器從IFAMPOUT端輸出，再經(jīng)一級450kHz陶瓷濾波器，這樣就在SA637中實(shí)現(xiàn)了混頻中放，得到中頻信號。xmdflAsCHICUHVMNCZU+0WIUQMcuMQwnWEUNeo.±誓直XI一±£ISSHX)A尖)sc三)SO豪01610COM1IN1

15、COM2IN2COM3IN3COM4IN4DG444+5VHGNDV-NC1NC2NC3NC4CND314116圖3正交濾波模塊框圖經(jīng)混頻中放后的回波信號頻率為450kHz土單片機(jī)產(chǎn)生450kHz方波信號控制DG444模擬開關(guān)，由式（3）式（5）可知，高電平時電子開關(guān)輸出為4cos（o>"+（pi）,低電平時電子開關(guān)輸出為-4cos（mt+饑），這樣便完成了信號混頻凹。圖4所示為正交混頻示意圖，采用兩路正交的方波信號與輸入信號同時混頻，這樣可以同時獲取到多普勒頻偏信號的實(shí)部和虛部，保證測量的準(zhǔn)確性。此時中頻信號頻率為450kHz±W,用兩路450kHz的正交信號與中頻

16、信號進(jìn)行混頻，經(jīng)低通濾波器后，便可以分別得到多普勒頻偏信號A,的實(shí)部和虛部。乘法器onn圖4混頻正交示意圖2.2正交混頻濾波電路傳統(tǒng)ADCP需要通過軟件對信號進(jìn)行正交和FIR濾波，再經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算得出流速。本系統(tǒng)采用硬件電路實(shí)現(xiàn)信號的正交混頻和濾波。在DG444模擬電子開關(guān)2.2.2濾波部分設(shè)計(jì)采用的MAX291芯片為八階低通濾波器（巴特沃斯濾波器），無需外接任何元件即可工作。該濾波器使用具有求和和縮放比例的開關(guān)電容構(gòu)成了梯形無源濾波網(wǎng)絡(luò)，元件值的誤差對某一極點(diǎn)影響較小®。其八階梯形濾波器網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)方案制該芯片可將所需基頻儲號濾曲，濾波牌獺岫昌號結(jié)果1HF：§1/

17、«聲型彰殄撕球陜順的二蘭:（的）為使單片機(jī)A/O能夠有效采篥頻偏偏號,在濾波電路后接一級放大電路對信號進(jìn)行放大9這樣,A/D轉(zhuǎn)挽器采集的信號質(zhì)量更高,，測量結(jié)果也更加準(zhǔn)確9備軟件設(shè)計(jì)軟件部分主要由發(fā)射、接收和通信控制程序緬成。如國布響;簞闡機(jī)通避寇時器產(chǎn)生射液倘-號驅(qū)動笈射龜躇發(fā)射榴藤波，擦收部分童要包括蜒腎機(jī)產(chǎn)坐本振信號與螂嫦W野溫蹶頓W褓岫脩信控制制霍濾波浦敬段旅斯茜踞7砂W擻灌X獺撇硼F刪翔稚裝窠。逋過湎證熱神瞿搟1；沼峰偶嚷瞄，蜘據(jù)僵碾皓醫(yī)琵棟準(zhǔn)健，準(zhǔn)胸俄等偏毫娜婀捋曲射翎豹禽僧命宿爵楷期稀筑作豹緞粉;倒仕精契®擁笊舍I痹屈毋警筋賴浦物側(cè)言相用值擘林淮值伽潺翎堿彳用

18、誰癡最奏察展智剽蜂普蒯題翅病«路避彳曲蹦y祈唳嗷據(jù)孺闡舞瘢輸舟o瑜踽曲理祎陸鞭粉稅薛濱禎提窿捋頷樵浦嗣神尊勇»«系喉ft噪弗由部徵1果對嗷羸鬲藻翩瞄慕，郴嗯萸植度由常容甲函諭廨而鬲南演棵證潮助事蝙府械薛砌（蠢幕器喋病觥有氟煩愜據(jù)葬駒姚蠢贏頃浦虞孵凝粹»機(jī)福畿率為1MHz。4硬件部分溯蹄制作完成硬件胞路后，冊媼遂一頑備令模映避耐調(diào)試,主要有以下幾個實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn):瀕鄱笏時te2MHz換能器，諧振波形幅值約如W左:茍f；放大電路的信號放大倍數(shù)；（豹）混頻部分得到編0k%的中頻信盼;（4）正交濾波順出裁豚W幅隨，系統(tǒng)上電，驅(qū)動22MHM螂麝諧岫灌制醵隘零。由于回波

19、信號幅值為微伏級，無法在示波器顯示“IB此要得到該信號的準(zhǔn)確信息,，需要對信號避行澈大姍I。圖7為經(jīng)二級放大后的阿波信號，前眺新佛,，幅偷已咧顯提高，波形質(zhì)量已大幅改善，該俯啰與本振偏母避行混頻后得到申頻信號9陽14岫零縫逛馥輸物'藪彩申癲情號旬正奏俺號繹魂應(yīng)&銅輸幽扇的澈形刎倒舫際，便博闞赫堿菖號此翎拓繹廷州A*狽弁美電容濾梭蠢后刪勘制宓顧桶岫郵博罪莆宅督齊。Modbus流速輸出互相關(guān)算法計(jì)算頻偏鶻礎(chǔ)M悠湄W淑叫桔而%豪藉電一近家檔兩路正交的方波信號同時祗DG4林啊與回渡信號混頻、御到J爹普勒撅偏信號的實(shí)部與虛都、誕棚果廁雙路AO$柳娜I枷冊采祥,頓尚ft郴美算法、鯽哺挪嗽出

20、多普勒撅偏,易終講舜他流謎I恥4.3妻驗(yàn)靖集將發(fā)射系統(tǒng)、信號接收系統(tǒng)和數(shù)字處理系統(tǒng)進(jìn)彳亍聯(lián)調(diào),，保證硬件以及軟件的各個測試點(diǎn)正常工作。設(shè)置好層深和腹激用M,將儲喘'勰薄糊器曲W的o（W正弦信號接入接收電路、以ZMHz為哪心頻葦,，上下調(diào)節(jié)輸入信號的頻率,查看系統(tǒng)測孺的多普勒瀕儡。漏為右鬧頗撤輸輸依僖堞疑便儺也梵、勰波械制像j®灸、涎濾版測糊的修楠衲頗3表0不閶頗葬踴猝測m禪ft鋁誓癲頻偏（Hzi輸入頻塞«#«、濾波多普勒頻偏軟偵,、濾波多普勒頻偏2阿網(wǎng)97初§07輸3網(wǎng)娜）110®h倒蜘咐104蹈順衲奶S271蜘閭X）99§姬

21、經(jīng)過圭途藪據(jù)分析后;肯以看由該多普新藻建儀通過將歪燹、濾波面期件凝硼蹦徊受增埋僻侑辰蜃射南;析以棱瀛婀潺宙戲敲嗣荷hWWj逅律爵倘M颼瘋塑量;i襟建請&航毒伽疙通地噂相咎并加坐酒流海K桀零等。§“末諼外腳世如族齦濾皴做粹俺朝俄巍，理更樺倦南施潑籍相服秣像涯藪篥地船胡服'嗾楠型籍蕨鹿暑癱舞照南卅燦瀚M殃"蜒粗送倒愁擺窿夠宙頓以加磁f嗣褊臾瓣河曲地以研養(yǎng)妙k!瘋勒MW行鼬儺如僧福;葦豹威成;；春催井逐蒙盛修&猱福K坳漢明鬣犢婷硬源宿號旌有浦堇分服砌岬謝佛免財(cái)能嘩百BfiJWft?因而&：豪董應(yīng)簿晚如H畫卷垣詭俺'族必愿模醐典祥策廛麻青撕調(diào)

22、誨潦裨毯超指佐點(diǎn)&滿牌寥翎斑趣面浦期南&舟成神應(yīng)用為我畫冰芨艦颼的嫩以劾齡陶維供帶聃廊波倒'對河派領(lǐng)域傾I寵翔蜓。參考文獻(xiàn)皿正瞬零-ADXOP技術(shù)在水文測驗(yàn)中的應(yīng)用J.能源與滴能、20頃勒:165-1砸，179.露氐，鄒冬梅.淺浙ADKCJP測流方法切.眠潮撒仲啪（1粉貝54項(xiàng).爨嫻曜,李占W.Aoap比測試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析j.海渝刪繪.20b（a淳9賣.4蘑敝版文峰.張靜通,基于模擬JF關(guān)的混頗器諛流口.微型機(jī)與應(yīng)即.>11736（10*：94疝翊.ifewij»ewsem波拜美混頻器的研究與禳即國.成都h旭手科我大學(xué),，舫崎.德覿彥禪：AWP技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)朗綜