基于DSP的双频超声波流量计硬件电路设计

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系统总电路图如图2所示。系统总共有6个模块，分别是电源模块、发射模块(超声波产生和功率放大)、接收模块、DSP模块、扩展单元模块和单片机模块。3 超声波的产生与功率放大　　多普勒超声波测量中传感器的激励方式有单载频脉冲激励、连续正弦波激励和伪随机码信号激励等，由于连续正弦信号的采集较为容易，也适于作频谱分析，因此选用这种方式。　　超声信号的频移反映了流速的信息，测准频移是保证测量精度的关键，愈少在频谱中引入干扰分量愈好，因此我们需要源信号有较高的纯度。一般的正弦振荡电路会有很多谐波分量，而且频率漂移较大，一旦调节好了频率又不易修改，使系统适应不同频率传感器的灵活性减低，但是DDS芯片可以解决这些问题。　　DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式信号的合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC产生已经用数字形式存人的正弦波。　　本系统选用的DDS芯片是AD公司生产的COMS型DDS芯片AD9850，该芯片最高可支持125 MHz的时钟频率，32位频率调节字可用并行或串行方式装入。+3.3 V或+5 V供电，极低功耗，28脚SSOP封装。AD9850有两种装载频率调节字的方式，无优劣之分。AD9850有32位调节字，分为W0，W1，W2，W3，W4五个字节，每次只能写入一个字节，当W-CLK脚变高时，写入有效。FQ-UD有效时，AD9850读取新的调节字，产生新的频率输出。RESET有效时，清除调节字寄存器。      74HC574是8D锁存器，可将写入的数据保存在输出端直到下次时钟到来。AD9850的W-CLK，FQ-UD和RESET均通过74HC574连在DSP的GPIOA上，他们的时序是通过写入数据产生的。AD9850的工作时序如图3所示。流体中有较高的颗粒含量，超声波的衰减较大，发射信号要有一定功率，因此功率放大不可少。由于超声波的频率较高(640 k和1.0 M)，进行功率放大时一般的功率放大集成电路带宽不够，因此只好用功率晶体管搭放大电路。具体电路如图4所示。该图为推挽式放大电路，Q1为NPN管(3DDSA)，Q2为PNP管(3CDSA)。DDS-IN接DDS的输出，变压器的输出接发送传感器。
                          
                       
                          
                                TLE2072是低噪声高速JFET输入运算放大器，他的单位增益带宽可达10 MHz，能满足信号放大带宽的要求，电路中起到前置放大及阻抗变换的作用。MC1350为可控增益选频放大器，中频变压器T1(T2)谐振频率为640 kHz(1 MHz)，对信号起带通滤波的作用，输出信号经TLE2072半波放大后，由RC滤波形成MC1350增益控制电压，从而使输人信号强度在较大范围内变化时得到一稳定的输出信号，此电路可使输入信号的波动范围达60 dB时输出保持稳定，保证系统的稳定工作。      接收信号放大电路输出的信号相对于发射信号产生了频移，此频移在0～3 kHz范围，反映流体的流速大小，由于此频移相对于发射信号频率较小，直接进行频率测量精度难以保证，所以采取混频措施得到差频信号。含有差频信息的高频信号通过CD4053模拟开关与发射信号的本振方波(CP1或CP2)进行乘积运算，经TLE2072阻抗变换后利用阻容滤波器进行低通滤波得到差频信号。　　CD4053是带有逻辑电平转换的CMOS模拟复用器／解复用器。他是三个两通道的复用器，分别由数字控制输入(A，B，C)和一个固定输入使能，每个输入信号选择两通道中的一个。他也可以用做解复用器，"CHANNEL IN／OUT"终端是输出，"COMMON OUT／IN"终端是输入。5 DSP系统　　TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器，是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达150 MHz，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。因此本系统以TMS320F2812为核心，对采样数据进行加窗处理、FFT变化求其功率谱、功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。并将流速信息通过SPI传送给单片机。　　F2812采用3.3 V和1.8 V双电源供电，数字模拟地分离设计。DSP和外围3.3 V分开供电，LED1，LED2和LED3可用来显示电源供电情况。电源和地分模拟和数字，用电感隔离。由CPLD提供各种控制信号，如读、写、复位等。F2812通过SPISIMO，SPISOMI，SPICLK和SPISTE端口和单片机连接，来实现流速信息的传送。6 电路板的设计6.1 布局　　对于主要模拟部分，在布局时得要遵守输出模拟信号线最短输出，输入模拟信号线最短输入，模拟器件的模拟地以最短距离到地的原则。　　在布线时，先布信号流的线，而后布其他信号线和电源，最后连接地线。　　由于数字电路对信号抗干扰要求不高，作者在布局布线的时候主要考虑以下几点：　　(1)信号线最短输入、最短输出，两层的信号线采取交叉走线；　　(2)电源线到芯片要尽量短，并要加粗；　　(3)高频信号要尽量单独走线。　　(4)为了美观，把贴片封装的芯片尽量靠在一起，插针的尽量在一起。6.2 电源　　当系统中有数字电源和模拟电源时，两种电源必须要分开，一般有两种方法：第一是采用被动滤波电路，即在两种电源之间自接加上电感或者磁珠，这种方法比较简单；第二是从数字电源中利用电源模块产生模拟电源，这样也就是绝对的分离了。本系统采取第一种方法。6.3 地　　系统中有数字地和模拟地，一般有两种考虑方法：　　(1)采用一点相连；　　(2)采用电感或者磁珠相隔离。　　在本系统中采用的是后者，分隔是通过一个200 mH的电感实现的。7 结语　　由于频谱分析技术和双频法能大大提高超声波多普勒流量计的精度，本文综合两种方法设计了超声波多普勒流量计的硬件电路。以DSP TMS320F2812为核心对两路频差信号分别进行采样、加窗处理、FFT变换求功率谱和功率谱的延伸、叠加等处理得到多普勒频偏值，求得流速。