基于超聲波回波衰濺理論的超聲波濃度計設計

1 理論分析

??? 超聲波在懸浮液中傳播時，與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減，其余部分入射到粒子內被吸收衰減，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減，最后到達接收端。各種衰減的機理是很復雜的，但都是由懸濁粒子所引起，并與懸濁粒子的數目成比例，故在一定條件下衰減是和濃度成比例的，測知懸浮液的聲衰減系數，就能求出濃度。設液體中有懸浮粒子時的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E。，液體中沒有懸濁粒子時的衰減率和接收電壓分別為a0和E0，發射、接收端之間的距離為L，發射電壓為Er，則：
????
??? 根據上述兩個公式，懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)／L求得。

??? 由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減，聲波幅度轉換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減，該濃度一電壓衰減曲線經過標定后，即可從測量電壓得到濃度值。

2 硬件設計

??? 如圖1所示，整個系統以超聲波發射和接收電路為核心，采用直接數字頻率合成芯片AD9833產生脈沖串，經過功率放大電路驅動超聲波換能器，超聲波經過懸濁液到達接收換能器，利用92 dB對數放大器AD8307對回波衰減信號進行對數放大，最后由微控制器對數據進行處理得出濃度值。系統還包括鍵盤、顯示、參數存儲、開關量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等部分。

2．1 主控芯片電路

??? 本系統以美國Silab的高速混合信號ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計在超聲波發射和接收的時序上需要精確的控制，這不僅需要處理器的速度快，而且需要多個定時器；由接收單元返回的是低于2．5 V的電壓信號，需要經過精確的A／D采集轉換成數字信號傳遞給CPU處理。C8051F021的特點如下；

??? ①高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25 MIPS)。

??? ②12位的片上SAR ADC，可編程轉換速率，最大100 kbps，可編程放大器增益。

??? ③4 352字節內部數據RAM，64 KB Flash存儲器；可以在系統編程。

??? ④5個通用16位計數器、定時器陣列，硬件SMBus、SPI及2個UART串口。

??? ⑤功耗低(10 mA@20 MHz)，多種節電休眠和停機方式。

2．2 DDS產生超聲波發射單元的脈沖串

??? 直接數字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進行頻率合成，不僅可以產生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，還可以產生三角波和方波。本系統采用DDS AD9833作為超聲波發射單元的脈沖生成器。AD9833是可編程的，通過高速串口外圍接口(SPI)，只需要一個外部時鐘去產生簡單正弦波就可工作。AD9833可以在基于25 MHz的時鐘下產生0 Hz～12．5 MHz的波形。

??? 超聲波發射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時鐘來源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI總線CLK、DATA、CS與微處理器的I／O口通過一片74HC244相連接。74HC244是八同相三態緩沖器，用于增強信號帶負載能力。通過微處理的控制，AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波。AD9833的輸出與微控制器的選通信號EN在與非門的作用下，在與非門的輸出端產生脈沖串，這個脈沖串經過功率放大電路就可以對超聲波換能器進行驅動。

2．3 超聲回波接收單元的對數放大器

??? 在信號處理領域中，一些信號往往具有很寬的動態范圍。比如在雷達、聲納等系統中，需要處理的信號動態范圍可達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。寬動態范圍往往給應用設計帶來很多問題。

??? 在實際應用中，一般會對所要處理的信號進行非線性壓縮。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成對數比例。它對信號動態范圍的壓縮不需要像AGC系統那樣提取輸入信號的電平來控制增益，其增益與信號的大小成反比，在通信、雷達、超聲、電子對抗中有著廣泛的應用。

??? 如圖3所示，該方案采用單端輸入，有對數零點和斜率調節電路，將對數零點設在-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，－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，對數動態范圍82 dB 。該電路做成模塊形式，封裝在屏蔽罩中。所有引線(地線和輸出信號線除外)均通過穿心電容引出，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。信號處理程序實現DDS控制、超聲波發射、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。界面程序包括界面顯示、參數設置、鍵盤處理等功能，實現與用戶良好的溝通。控制信號輸出程序實現了電流信號、繼電器信號、開關量的輸出，完成了工業現場控制的需要。通信程序按一定的協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 超聲波發射程序、回波A／D采集程序

??? 本系統選用的DDS是SPI總線的，在串口時鐘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，電平觸發方式，低電平有效。進行串行數據傳輸時，FSYNC引腳必須置低，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時間的最小值。FSYNC置低后，在16個SCLK的下降沿數據被送到DDS的輸入移位寄存器，在第16個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間的最小和最大值。當然，也可以在FSYNC為低電平的時候，連續加載多個16位數據，僅在最后一個數據的第16個SCLK的下降沿時將FSYNC置高。最后要注意的是，寫數據時SCLK時鐘為高低電平脈沖，但是，在FSYNC剛開始變為低時(即將開始寫數據時)，SCLK必須為高電平。

??? 通過微控制器的硬件SPI(使用微控制器的3個端口)可以控制DDS輸出0 Hz～12．5 MHz的方波。另外使用一個端口和DDS的輸出共同作為與非門的輸入，這樣就可以實現脈沖串的時長控制，開啟脈沖串輸出的同時對時長計數，依據超聲波在礦漿中的傳送速度和發射接收傳感器的間距就可以判斷何時接收超聲波回波。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。由于工業現場環境惡劣，采集到的信號沒經過處理往往不能直接用，這樣就需要對采集到的A／D值進行濾波處理。由于現場的跳變是隨機的，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)。每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差小于等于A，則本次值有效；如果本次值與上次值之差大于A，則本次值無效，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現場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擬合和溫度補償兩部分。

??? 曲線擬合是用連續曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點組所表示的坐標之間的函數關系的一種數據處理方法。濃度曲線擬合經過多次的試驗校正，采用了2條一次曲線和1條二次曲線，確保濃度的最大程度擬合。同時由于現場不同環境的需要，設置了一些擬合參數，以便于隨時調整。

??? 溫度變化給超聲波傳感器實際測量帶來誤差，表現在微控制器對超聲波回波A／D采集上產生非線性變化。為了解決這個問題，必須進行溫度補償，找出它們之間的關系，建立相應的數學模型。本系統用擬合法求出各溫度時的傳感器靜態輸出特性的擬合多項式，將各個擬合參數b0，b1，b2，…，bk寫入程序，對微控制器片上A／D采集到的超聲波回波數據進行溫度補償，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

??? 本文討論了超聲波濃度計的實現方法及應用的主要技術，發射電路采用DDS，接收電路采用對數放大器，經工程實踐證明，這些方法都是可行的。但由于自身電路的局限和工業現場的環境干擾，該產品的精度還有待提高。