[发明专利]一种超声波流速计设计方法及超声波流速计

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种超声波流速计的设计方法，特别是涉及用于河流或管道中流体的平均流速测量的超声波流速计的设计方法，同时涉及基于该涉及方法的超声波流速计。

背景技术

河流流量测量是水文监测的重要任务之一。传统的河流流量测量方法包括人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量等,其基本原理是在测流断面上布设多点垂线,在每条垂线处测量水深并用流速仪测量垂线各点流速。流量由断面面积与断面平均流速乘积得到。这种传统的方法费工费时,效率低。超声波流量测量系统以其非接触、易于安装维护的优点在测量领域获得了广泛的应用。然而传统的超声波流量测量系统存在许多不足之处,有必要对其加以改进和提高,以使其工作性能更加稳定、可靠。

现有技术专利CN200920262231.4公开了一种多频ADCP(全称“Acoustic DopplerCurrent Profiler”，中文为声学多普勒水流剖面仪),其公开了一种多频ADCP，其通过多个频率发射，降低了噪音的影响，但是其未对频率较高的高速信号x(n)进行实时处理，导致硬件处理效率不够高，同时，需要对可编程器件逻辑门数的要求高的缺点。针对该技术缺陷，本发明提供一种超声波流速计的设计方法，其采用采用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，计算控制任务的划分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。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；同时，

在CPLD计算中，通过巧妙的采样频率设置，使得在计算过程中没有出现乘法计算，仅需要进行取负数和累加的计算，使得芯片硬件上不需要乘法器，大幅度降低了对可编程器件逻辑门数的要求。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种控制精细，准确度高的优点，又能够发挥总控单元DSP内存容量大，同时编程简易的超声波流速计的设计方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

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：

(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；

(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)；

(3)、在CPLD中，对x(n)进行如下变化，得到信号i(n)和q(n):

其中，n＝0,1,2,…

其中，n＝0,1,2,…

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。

(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):