曲兆松，王 帥，夏麗娟

(南京思孚泰科信息技術(shù)有限公司，南京 210023)

0 引 言

目前，明渠流量測(cè)量是流量監(jiān)測(cè)需求中的一個(gè)重要角色，而明渠流量計(jì)是用于非滿管狀態(tài)、敞開渠道中測(cè)量自由表面流的流量?jī)x表，廣泛應(yīng)用于城市供水水渠、污水排放水渠、工礦企業(yè)管線供水、廢水以及農(nóng)業(yè)灌溉等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要環(huán)境當(dāng)中。

超聲多普勒原理是基于多普勒原理，利用遙距測(cè)量的方式，對(duì)位于探頭前方一定距離的采樣點(diǎn)進(jìn)行流速測(cè)量。超聲多普勒流量計(jì)是基于超聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理基礎(chǔ)上研制的測(cè)流、測(cè)量產(chǎn)品。被測(cè)量點(diǎn)位于探頭的前方，不會(huì)破壞流水環(huán)境，使流量流速測(cè)量結(jié)果的瞬時(shí)性得以保證。該流量計(jì)具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快，既可以用來測(cè)量弱流，也可以測(cè)量強(qiáng)流。由于流量計(jì)的探頭結(jié)構(gòu)是根據(jù)適用野外環(huán)境需求進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)的，所以堅(jiān)固耐用，不易損壞，使流量計(jì)具有更好的實(shí)用、耐用等特點(diǎn)。

本文采用超聲多普勒測(cè)速計(jì)算，并結(jié)合模擬電路、FPGA、DSP等電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收、模擬信號(hào)放大、數(shù)字電路采集、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸?shù)龋@得水體流速、流量，為水力學(xué)、流體力學(xué)基礎(chǔ)研究和國(guó)家能源、水資源利用和水污染防治等重大戰(zhàn)略需求提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐與設(shè)備保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由超聲傳感器、信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、信號(hào)邏輯控制模塊、信號(hào)緩存模塊以及信號(hào)處理模塊6個(gè)部分。見圖1。在信號(hào)邏輯控制模塊中，XC6SLX16(即FPGA)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并發(fā)送到信號(hào)發(fā)射模塊，脈沖信號(hào)經(jīng)過發(fā)射模塊后被放大，然后被發(fā)送至超聲探頭，超聲探頭會(huì)根據(jù)脈沖電信號(hào)的變化產(chǎn)生相應(yīng)的超聲波信號(hào)。當(dāng)發(fā)射出去的超聲波遇到水粒子后會(huì)被反射回來，并被接收探頭接收，反射信號(hào)需要依次經(jīng)過信號(hào)放大，信號(hào)濾波電路，然后進(jìn)入ADC電路，實(shí)現(xiàn)模擬、數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過FPGA的控制，數(shù)字信號(hào)將被緩存到信號(hào)緩存模塊，同時(shí)被傳送到TMS320C6748(即DSP)。 DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理與分析，獲得信號(hào)的頻移，從而計(jì)算得出水流的速度。通過壓力傳感器獲得所在位置的水的深度，然后結(jié)合所在渠道的寬度算出橫截面，這樣即可算出當(dāng)前位置的流量值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of system

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用的XC6SLX16屬于Spartan-6系列的FPGA。Spartan6系列具有成本低，功耗低、處理速度快等特點(diǎn)，具有多電壓、多標(biāo)準(zhǔn)接口，便于兼容擴(kuò)展應(yīng)用。支持DDR、DDR2、DDR3和LPDDR存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)速率高達(dá)800 Mb/s。采用多端口總線結(jié)構(gòu)，帶有獨(dú)立FIFO，能夠減少設(shè)計(jì)時(shí)序問題。還擁有豐富的邏輯資源，支持移位寄存器或分布式RAM，具有雙觸發(fā)器功能。擁有高性能算術(shù)與信號(hào)處理，不僅配備快速18X18乘法器和48位累加器，同時(shí)還擁有流水線與級(jí)聯(lián)功能。時(shí)鐘管理模塊(CMT)，具有低噪聲，高靈活度的時(shí)鐘控制結(jié)構(gòu)，能夠消除時(shí)鐘歪斜和占空比失真，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻和調(diào)相。采用低成本、簡(jiǎn)易的配置方式，利用雙引腳自動(dòng)檢測(cè)配置，支持第三方SPI(高達(dá)4位寬度)和NOR閃存。XC6SLX16擁有2 278個(gè)Slice和18 224個(gè)觸發(fā)器，BlockRAM模塊最大可達(dá)576 Kb，擁有最多可達(dá)232用戶I/O接口。

采用異步SDRAM芯片 IS61LV25616AL作為數(shù)據(jù)緩存芯片，擁有高速率、低功耗、三態(tài)輸出、全靜態(tài)操作、無時(shí)鐘控制等特點(diǎn)，操作極為簡(jiǎn)單方便。擁有4M存儲(chǔ)空間，保證測(cè)量數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理芯片TMS320C6748是DSP芯片，是德州儀器(TI)推出浮點(diǎn)功能的全新高性能處理器，這款芯片也是業(yè)界功耗最低的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，擁有二級(jí)高速緩沖存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，128kb內(nèi)存共享內(nèi)存，6個(gè)ALU功能單元，支持雙32X32-Bit乘法器，4個(gè)16X16-Bit乘法器或者更復(fù)雜的乘法器，支持錯(cuò)誤檢測(cè)，配備兩個(gè)外部存儲(chǔ)器接口EMIFA和DDR2/Mobile DDR控制器，3個(gè)可配置的16550型UART模塊，10/100 Mbps Ethernet MAC (EMAC)。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)檢測(cè)軟件流程圖見圖2。系統(tǒng)上電后DSP、FPGA分別完成初始化，完成系統(tǒng)的默認(rèn)配置。FPGA中完成對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的邏輯控制，以及對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的緩存和上傳DSP，DSP中完成對(duì)接收到信號(hào)的處理，并向上發(fā)送給PC。

2 流速儀測(cè)量原理及流量計(jì)算

2.1 超聲多普勒流速測(cè)量原理及流速計(jì)算

超聲多普勒原理把觀測(cè)源的頻率變化同觀測(cè)源和觀測(cè)者的相對(duì)速度相聯(lián)系。當(dāng)流動(dòng)的水體中所包含的細(xì)小的泥沙顆粒和其他物體伴隨水體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射的超聲波頻率遇到顆粒物后發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，則超聲頻率將發(fā)生變化，即由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的頻率的變化。

多普勒頻移即由于反射物的運(yùn)動(dòng)造成的接收到的反射信號(hào)的頻率變化，也能描述為兩個(gè)連續(xù)且獨(dú)立的反射信號(hào)的相位差，其原理示意圖見圖3。發(fā)射聲波的脈沖中只有非常小的聲波能量被反射回傳感器，大部分聲波能量被吸收或者是被反射到其它方向。當(dāng)反射體遠(yuǎn)離傳感器端時(shí)，超聲波頻率移到較低頻率，這種頻移同超聲傳感器與反射體之間的速度成比例。部分多普勒頻移的超聲波散射到接收傳感器端，散射體將作為超聲波源，超聲波頻移一次后，又再次頻移。通過對(duì)測(cè)量空間內(nèi)大量散射體的多普勒頻移信息的感知和處理，可計(jì)算出水流速度 。

圖3 超聲多普勒原理Fig.3 Ultrasonic Doppler principle

其中，fe為發(fā)射端發(fā)射信號(hào)頻率，fr為頻率fe經(jīng)過水顆粒散射后的攜帶偏移信息fd的超聲波信號(hào)頻率，即多普勒頻移：

fd=fr-fe

(1)

當(dāng)水流團(tuán)體以速度V0向探頭流動(dòng)時(shí)，超聲波被水流團(tuán)子反射回去后，接收探頭接收到的聲波頻率為：

(2)

其中c為聲波速度。由式(1)和式(2)可得超聲多普勒頻移：

(3)

因?yàn)閏遠(yuǎn)大于Vr，Vr與Ve近似相等，所以：

(4)

由此可以得出：

(5)

2.2 流量計(jì)算

根據(jù)壓力傳感器可以得知當(dāng)前測(cè)量位置的水深H，根據(jù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，可以獲得水槽或水渠等的寬度信息，這樣即可獲得橫截面積S。將式(5)代入流量計(jì)算公式Q=V0S，即可得出流量值Q與頻偏fd的關(guān)系式：

(6)

3 結(jié) 論

本文介紹了一種基于超聲多普勒原理，采用FPGA+DSP相結(jié)合的低功耗明渠流量計(jì)。通過一發(fā)一收組合方式實(shí)現(xiàn)聲學(xué)多普勒頻移信號(hào)的獲取。硬件設(shè)計(jì)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行了濾波，放大處理；軟件上通過算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)精度的，再結(jié)合壓力傳感器得到的水深信息從而獲得流量值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便捷，可以廣泛應(yīng)用于流量測(cè)量。