低流速超声波多普勒流量计的设计

摘要

超声波多普勒流量计主要用于污水类非纯净液体和混有固体颗粒的两相流的流量测量，其优点是：分辨率高，对流速变化响应快；对流体的压力、粘度和温度等因素不敏感。因此，超声波多普勒流量计的研究无论是对于自动化测量技术的提高还是对于环保事业来说，都将是一项极有意义的研究课题。
　　 本课题设计的超声波多普勒流量计引入先进的数字信号处理技术，用自相关和FFT这两种复合的数字信号处理技术米提高多普勒信号的处理效果，从而降低了超声波多普勒流量计的测量下限。具体方法是：首先对多普勒频移信号进行采样，然后用自相关法进行滤波，再进行FFT变换，得到信号的频谱，在频谱上得到多普勒频移信号所对应的频率值。自相关的实现方法则采用的是FFT估计法，即根据FFT与自相关之间的数学关系，利用FFT来计算自相关，并且用MATLAB对FFT和自相关进行了仿真。
　　 在本设计中我们采用Xilinx公司的XC3S250E FPGA来实现FFT和自相关，从而提高了计算速度，满足系统实时性的要求。然而FPGA的优势在于进行大量的数据处理而不是进行控制，并且现在的仪表都在向着双核方向发展，因此在本设计中采用C8051F120单片机来实现系统的控制。利用C8051F120单片机还实现了人机交互、信息传递和A/D转换等。硬件电路除了上述的核心器件之外，还辅以其他滤波、放大及调理电路等，同时完成了系统软件设计，最终实现了超声波多普勒流量计的设计。

目录

文摘

英文文摘

学位论文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 课题的提出及研究意义

1.2 常用流量计原理和性能比较

1.3 超声波多普勒流量计

1.4 课题研究的内容

第二章 超声波多普勒流量计测量原理

2.1 超声波的DOPPLER（多普勒）现象

2.1.1 超声波至运动界面通路

2.1.2 运动界面至接收器通路

2.2 超声波多普勒流量计测量原理

2.2.1 工作原理

2.2.2 流量测量方程

2.3 本章小结

第三章 多普勒信号的数字处理

3.1 超声波多普勒信号的特点

3.1.1 时域表达式

3.1.2 用FFT进行频谱分析的可行性

3.2 快速傅里叶变换(FFT)

3.2.1 快速傅里叶变换原理

3.2.2 基－2时间抽取FFT算法

3.2.3 FFT的MATLAB仿真

3.3 自相关

3.3.1 离散时问信号自相关函数

3.3.2 自相关函数的性质及应用

3.3.3 自相关函数的估计方法

3.3.4 自相关的MATLAB仿真

3.4 本章小结

第四章 FFT及自相关算法的FPGA实现

4.1 FPGA简介

4.1.1 FPGA器件简介

4.1.2 FPGA技术

4.1.3 硬件描述语言和软件设计工具

4.2 FFT的FPGA实现

4.2.1 FFT处理器简介

4.2.2 存储器的设计

4.2.3 FFT模块的设计与实现

4.2.4 仿真测试及误差分析

4.3 自相关的FPGA实现

4.3.1 存储器的设计

4.3.2 自相关的设计

4.3.3 自相关的仿真验证

4.4 数字信号处理的实现

4.5 本章小结

第五章 超声波多普勒流量计的设计

5.1 系统整体结构

5.2 发射接收电路设计

5.3 调理电路设计

5.3.1 差动放大电路设计

5.3.2 带通滤波器的设计

5.3.3 解调电路的设计

5.3.4 限幅电路设计

5.4 单片机控制电路设计

5.4.1 C8051F120简介

5.4.2 与FPGA接口电路

5.4.3 液晶显示电路

5.4.4 键盘电路

5.4.5 其他外围电路

5.5 系统的软件设计

5.5.1 系统主程序设计

5.5.2 A/D采样

5.5.3 数据处理

5.5.4 人机交互单元

5.6 实验测试

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢