[发明专利]一种超声波流速计设计方法及超声波流速计

摘要

本发明公开了一种超声波流速计设计方法，其采用总控单元DSP与CPLD协同工作的方式，通过多普勒测速原理，完成河流或管道中流体的平均流速测量，具体来说，采用CPLD对频率较高的高速信号x(n)进行实时处理，生成频率较低的低速信号I(m)和Q(m)；然后采用总控单元DSP对低速信号进行存储和FFT变换，并创建频谱信号，最后计算出流体的平均流速。有益效果在于：既能够发挥专用硬件时间控制精细，准确度高的优点，又能够发挥总控单元DSP内存容量大，编程简易的优点，同时，能够达到较高的硬件处理效率，降低成本、功耗，并节约开发时间的技术效果。

主权项

1.一种超声波流速计设计方法，采用总控单元DSP与CPLD协同工作的方式，通过多普勒测速原理，完成河流或管道中流体的平均流速测量，其特征在于：其信号处理流程包括如下步骤：/n(1)、CPLD通过数模转换模块(DAC)，控制水下探头中的一个超声波换能器，发射频率为f₀的单频超声波信号；/n(2)、同时，CPLD通过模数转换模块(ADC)，以4倍于所述发射频率的采样率f_s采集水下探头中另一个超声波换能器接收到的反射信号x(n)；/n(3)、在CPLD中，对x(n)进行如下变化，得到信号i(n)和q(n):/n 其中，n＝0,1,2,…/n 其中，n＝0,1,2,…/n其中，信号i(n)相当于将x(n)乘以一个正弦波其周期为4，由于ADC采样率是超声波频率f₀的4倍，该正弦波在模拟域就是一个频率为f₀的正弦波，对于施加了Δf频移的多普勒回波x(n)来说，根据三角函数积化和差原理，乘以一个频率为f₀的正弦波信号后的i(n)，其可以看做是一个频率为Δf的低频信号，以及一个频率为2f₀+Δf的高频信号的混叠；/n(4)、在CPLD中，对M个i(n)和q(n)信号分别进行累加和求和，并输出信号I(m)和Q(m):/n /n /n其中，M＝1,2，……；/n将i(n)进行累加的过程，为对其进行低通滤波以及降频采样的过程，I(m)是i(n)中频率为Δf的低频信号在采样频率为4f₀/M的数字域中的数字信号；/n(5)、在总控单元DSP中，对I(m)和Q(m)信号分别进行FFT变换，得到复频谱F_I(w)和F_Q(w)，w为数字频率，取值为0,1,2,…N-1；其中，N为FFT的变换长度；根据频移特性，若Δf>0，则FFT中同一频率点F_Q(w)的相位将超前于F_I(W)；反之则F_Q(w)的相位将落后于F_I(W)；/n(6)、创建频谱信号F(w)，其取值如下：/n /n(7)、计算F(w)的中心w₀：/n /n(8)、计算流体的平均流速v：/n /n其中v₀为流体中的声速，α为超声波探头与流速的夹角。/n