李志軍，趙　剛，趙連環(huán)，王慶山

(1．河北工業(yè)大學電工廠，天津　300130；2．河北工業(yè)大學控制科學與工程學院，天津　300130；3．唐山世佳電子有限公司，河北唐山　063020)

0　引言

流量是現(xiàn)代工業(yè)領域中重要的檢測參數(shù)，通過對流體流量進行正確測量和調節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全運行、提高產(chǎn)品質量、降低物質消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎。例如在鋼鐵行業(yè)中，需要對助燃氣體、煤氣、煙道氣等進行精確的流量測量。當前，超聲波流量計被越來越多地應用于氣體流量的測量，相比液體超聲波流量計，氣體超聲波流量計對系統(tǒng)的硬件設計和信號處理都提出了更高的要求。若采用DSP作為核心控制和運算芯片，利用小波降噪法對超聲波回波信號進行濾波，在簡化硬件設計的同時，也提高了流量計的測量精度。

1　時差法超聲波流量計的工作原理

時差法測量原理是根據(jù)超聲波在流體中的傳播速度與流體的速度存在一定的關系，根據(jù)測得的超聲波信號正程和逆程的傳播時間推導出流體的流速。時差法超聲波流量計的工作原理如圖1所示。

圖1　時差法超聲波流量計原理示意圖

圖中Tx1和Tx2為正程和逆程的超聲波換能器，相對于管道軸線的安裝角度為φ，管徑為D，聲程為L，流體流速為v．

超聲波在流體中的實際傳播速度c0為聲速c和流體在聲道方向的速度分量vcosφ的矢量和：

c0=c±vcosφ

(1)

根據(jù)圖1可以分別求得超聲波正程和逆程的傳播時間t1和t2：

(2)

(3)

令Δt=t2-t1，根據(jù)式(2)和式(3)即可推出流速的公式：

(4)

根據(jù)式(4)可以得到超聲波脈沖傳播路徑上的流體線速度，根據(jù)管徑截面積以及流量修正系數(shù)就可以獲得流體面平均速度和體積流量[1]。

2　系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)采用TMS320F28335浮點型DSP作為核心控制芯片，與上一代產(chǎn)品相比，增加了一個浮點運算內(nèi)核，可以直接進行復雜的浮點運算，節(jié)省了代碼執(zhí)行時間和存儲空間。 TMS320F28335具有150 MHz的主頻，指令周期為6.67 ns，直接存儲訪問(DMA)模塊擁有6個通道，可以通過ADC直接啟動數(shù)據(jù)搬運，12位A/D轉換器具有16個通道，最快轉換速度可達80 ns，通信方面，具有SCI、I2C等通信模塊，片內(nèi)集成了256 K×16的Flash存儲器，以及34 K×16的SARAM[2]。

系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖2所示。通過設置PWM的周期和占空比，產(chǎn)生一個200 kHz的方波作為激勵信號，對信號進行低通濾波和功率放大后，送給超聲波換能器，用以產(chǎn)生超聲波信號。接收端通過一個模擬多路開關來選擇接收正程信號或者逆程信號，對接收到的信號進行AGC自動增益調整和模擬帶通濾波后，ADC模塊對信號進行采樣，ADC采樣的結果可直接由DMA存入指定的RAM區(qū)中，DSP對采集回來的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，確定信號的時間基準點，由此確定正程信號和逆程信號的傳輸時間，進而計算出流體的流速、流量等信息。歷史流量信息和儀表設置參數(shù)可以通過I2C保存到鐵電存儲器中。外擴的液晶可以顯示儀表的各種信息，用戶可以通過鍵盤對儀表參數(shù)進行設置，DSP可以通過SCI與上位機進行通信。

圖2　系統(tǒng)硬件設計框圖

3　系統(tǒng)軟件設計與信號處理算法

3．1系統(tǒng)軟件設計

采用TI公司的CCS作為軟件開發(fā)平臺，系統(tǒng)程序采用C語言和匯編語言混合編程的編寫方式。由于匯編語言具有代碼執(zhí)行效率高的特點，因此小波去噪和一些耗時長的程序采用匯編語言編寫，以提高系統(tǒng)的響應速度。系統(tǒng)程序的流程圖如圖3所示。DSP上電以后，首先對DSP的各個模塊進行初始化，然后對回波信號進行AGC調整以及小波濾波，最后確定信號的時間基準點，計算出時差及流速流量。

3．2信號處理算法

氣體超聲波流量計接收到的回波信號與液體超聲波流量計相比，存在更多的噪聲，并且波形更容易產(chǎn)生抖動，為了精確地確定時間基準點，首先必須對回波進行濾波。小波具有局部時頻分析能力以及多分辨率特性，在將噪聲濾除的同時，又能較好地保持有用信號的細節(jié)信息[3]。小波去噪的流程圖如圖4所示。

基于閾值法的小波去噪原理是根據(jù)有用信號和噪聲的小波系數(shù)的不同性質，去除噪聲的小波系數(shù)，保留有用信號的小波系數(shù)，進行小波逆變換得到去噪后的信號。

閾值去噪法的基本步驟如下：

(1)選取合適的小波基和分解層數(shù)，對含噪信號進行小波分解，得到小波系數(shù)；

(2)確定閾值的大小，對于大于和小于閾值的小波系數(shù)分別進行處理。處理的方法有2種：

硬閾值法：

軟閾值法：

圖3　系統(tǒng)程序流程圖

圖4　小波去噪流程圖

式中：ω為處理前的小波系數(shù)；η(ω)為處理完后的小波系數(shù)；T為設定的閾值。

(3)進行小波逆變換，得到去噪后的信號。

4　試驗仿真

為了驗證小波去噪法應用于超聲波流量計信號處理中的效果，利用MATLAB對小波去噪算法進行仿真，并且與FFT去噪法進行對比。模擬出一個200 kHz的超聲波回波信號，對信號進行采樣，將其離散化，采樣頻率為6.25 MHz，采集1 024點，信號如圖5所示。加入信噪比為10的白噪聲，含噪信號如圖6所示，用x表示，分別用小波去噪法和FFT去噪法對x進行去噪處理。

圖5　原始超聲波信號

圖6　加入噪聲的超聲波信號

MATLAB中的小波工具箱可以方便地對含噪信號進行小波分解，首先必須選取合適的小波基和分解層數(shù)。通過對不同的小波基及分解層次的濾波效果進行比較，文中選擇db5作為小波基，分解層數(shù)為5，軟閾值法，選用啟發(fā)式閾值(heursure)為閾值選擇規(guī)則[5]。小波去噪的命令如下：

f=wden(x，’heursure’，’s’，’sln’，’5’，’db5’)

同時利用FFT對信號進行降噪處理，首先將信號x進行快速傅里葉變換，得到信號在頻域上的表示H，將頻帶設為50 kHz，截止頻率上限和下限分別為225 kHz和175 kHz，只保留頻帶內(nèi)的信號，將頻帶以外的信號的幅值都歸零，用h表示處理后的信號，對h進行快速傅里葉逆變換得到濾波后的信號g。仿真命令如下：

H=fft(x，1024);

g=ifft(h，1024);

其中f為小波去噪后的信號，f如圖7所示；g為FFT去噪后的信號，如圖8所示。對比圖7和圖8可以看出，小波去噪的效果明顯好于FFT的濾波效果。

為了使結論更有說服力，分別計算小波濾波和FFT濾波后信號的信噪比SNR和均方根誤差RMSE，如表1所示。從表1可以看出采用小波閾值降噪法的信噪比比FFT降噪法提高了，同時，均方根誤差降低了。經(jīng)過小波去噪后，基本上消除了噪聲的影響，并且較好的保留了真實信號，更有利于時間基準點的確定。

表1　2種方法去噪后的SNR和RMSE

5　結束語

采用TMS320F28335作為主控芯片，以前必須通過外擴芯片才能完成的工作，現(xiàn)在都可以用DSP實現(xiàn)，精簡了系統(tǒng)的硬件設計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了成本。同時，利用小波變換對回波信號進行濾波，憑借TMS320F28335強大的運算能力，保證了系統(tǒng)的實時性。仿真結果表明，對噪聲起到了很好的抑制作用，對系統(tǒng)的測量精度也有很大的改善。

圖7　小波降噪后的信號

圖8　FFT濾波后的信號

參考文獻：

[1]鮑敏．影響氣體超聲波流量計計量精度的主要因素研究：[學位論文]．杭州：浙江大學，2004．

[2]劉陵順，高艷麗，張樹團，等．TMS320F28335DSP原理及開發(fā)編程．北京：北京航空航天大學出版社，2011．

[3]王艷，金太東，杜明娟，等．改進的小波變換閾值去噪方法．河南科技大學學報，2007，28(3)：46-48．

[4]王麗娜．基于小波變換高精度在線超聲波測距技術研究：[學位論文]．長春：長春理工大學，2008．

[5]胡昌華，張軍波，夏軍等．基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計——小波分析．西安：西安電子科技大學出版社，2000．