超聲波回波衰濺理論濃度計設計

2．3 超聲回波接收單元的對數放大器
在信號處理領(lǐng)域中，一些信號往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。比如在雷達、聲納等系統中，需要處理的信號動(dòng)態(tài)范圍可達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(dòng)態(tài)范圍往往給應用設計帶來(lái)很多問(wèn)題。
在實(shí)際應用中，一般會(huì )對所要處理的信號進(jìn)行非線(xiàn)性壓縮。應用最多的就是對數放大器。它使輸出信號和輸入信號的包絡(luò )成對數比例。它對信號動(dòng)態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統那樣提取輸入信號的電平來(lái)控制增益，其增益與信號的大小成反比，在通信、雷達、超聲、電子對抗中有著(zhù)廣泛的應用。
如圖3所示，該方案采用單端輸入，有對數零點(diǎn)和斜率調節電路，將對數零點(diǎn)設在-84 dBm，斜率定為大約20 mV／dB。對數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(guò)這一級的電壓增益將對數斜率恢復到25 mV／dB 。設計的對數放大器信號輸入范圍定為－72 dBm(在50 Ω源阻抗時(shí)，－72 dBm相當于振幅為±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅為±1 V的正弦波)，相應的對數輸出電壓為0．3～2．35 V，對數動(dòng)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(xiàn)(地線(xiàn)和輸出信號線(xiàn)除外)均通過(guò)穿心電容引出，穿心電容的外極接地，以提高屏蔽效果。

3 軟件設計
超聲波濃度計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。信號處理程序實(shí)現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、參數設置、鍵盤(pán)處理等功能，實(shí)現與用戶(hù)良好的溝通?？刂菩盘栞敵龀绦驅?shí)現了電流信號、繼電器信號、開(kāi)關(guān)量的輸出，完成了工業(yè)現場(chǎng)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、濃度計算程序構成。
3．1 超聲波發(fā)射程序、回波A／D采集程序
本系統選用的DDS是SPI總線(xiàn)的，在串口時(shí)鐘SCLK的作用下，數據以16位的方式加載到設備上。FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電平有效。進(jìn)行串行數據傳輸時(shí)，FSYNC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的下降沿數據被送到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上升沿的數據保持時(shí)間的最小和最大值。當然，也可以在FSYNC為低電平的時(shí)候，連續加載多個(gè)16位數據，僅在最后一個(gè)數據的第16個(gè)SCLK的下降沿時(shí)將FSYNC置高。最后要注意的是，寫(xiě)數據時(shí)SCLK時(shí)鐘為高低電平脈沖，但是，在FSYNC剛開(kāi)始變?yōu)榈蜁r(shí)(即將開(kāi)始寫(xiě)數據時(shí))，SCLK必須為高電平。
通過(guò)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(mén)的輸入，這樣就可以實(shí)現脈沖串的時(shí)長(cháng)控制，開(kāi)啟脈沖串輸出的同時(shí)對時(shí)長(cháng)計數，依據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A／D采集超聲波回波，便可以對A／D采集到的數字信號進(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、加權遞推平均濾波法、消抖濾波法。由于工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境惡劣，采集到的信號沒(méi)經(jīng)過(guò)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。由于現場(chǎng)的跳變是隨機的，所以不能用常規的濾波程序，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。
限幅濾波法是根據經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值(設為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(yíng)，則本次值有效；如果本次值與上次值之差大于A(yíng)，則本次值無(wú)效，放棄本次值，繼續下一次A／D采樣。
消抖濾波法是設置一個(gè)濾波計數器，將每次采樣值與當前有效值比較：如果采樣值等于當前有效值，則計數器清零；如果采樣值大于或小于當前有效值，則計數器加1，并判斷計數器是否大于等于上限N(溢出)。如果計數器溢出，則將本次值替換當前有效值，并清零計數器。限幅消抖濾波程序能隨著(zhù)現場(chǎng)的跳變做出相應的改變，使信號處理更合理準確。
3．3 濃度計算程序
濃度計算程序中包含濃度曲線(xiàn)擬合和溫度補償兩部分。
曲線(xiàn)擬合是用連續曲線(xiàn)近似地刻畫(huà)或比擬平面上離散點(diǎn)組所表示的坐標之間的函數關(guān)系的一種數據處理方法。濃度曲線(xiàn)擬合經(jīng)過(guò)多次的試驗校正，采用了2條一次曲線(xiàn)和1條二次曲線(xiàn)，確保濃度的最大程度擬合。同時(shí)由于現場(chǎng)不同環(huán)境的需要，設置了一些擬合參數，以便于隨時(shí)調整。
溫度變化給超聲波傳感器實(shí)際測量帶來(lái)誤差，表現在微控制器對超聲波回波A／D采集上產(chǎn)生非線(xiàn)性變化。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須進(jìn)行溫度補償，找出它們之間的關(guān)系，建立相應的數學(xué)模型。本系統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式，將各個(gè)擬合參數b0，b1，b2，…，bk寫(xiě)入程序，對微控制器片上A／D采集到的超聲波回波數據進(jìn)行溫度補償，即由輸入溫度和A／D值查找和計算相應的補償后的正確值，確保濃度數據的正確性。

結 語(yǔ)
本文討論了超聲波濃度計的實(shí)現方法及應用的主要技術(shù)，發(fā)射電路采用DDS，接收電路采用對數放大器，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)現場(chǎng)的環(huán)境干擾，該產(chǎn)品的精度還有待提高。