一种超声波流速计设计方法及超声波流速计与流程
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“acousticdopplercurrentprofiler”，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。
技术实现要素：
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(fs)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，信号i(n)相当于将x(n)乘以一个正弦波
(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):
其中，m＝1,2，……；
辅助量q(n)，其为x(n)与另一个频率为f0的正弦波的乘积，并且这个正弦波相位比i(n)中的超前90度；
将i(n)进行累加的过程，为对其进行低通滤波以及降频采样的过程，i(m)是i(n)中频率为δf的低频信号在采样频率为4f0/m的数字域中的数字信号。
(5)、在总控单元dsp中，对i(m)和q(m)信号分别进行fft变换，得到复频谱fi(w)和fq(w)，w为数字频率，取值为0,1,2,…n-1；其中，n为fft的变换长度；根据频移特性，若δf>0(对应流体相向探头运动)，则fft中同一频率点fq(w)的相位将超前于fi(w)；反之则fq(w)的相位将落后于fi(w)。
(6)、创建频谱信号f(w)，其取值如下：
(7)、计算f(w)的中心w0：
(8)、计算流体的平均流速v：
其中v0为流体中的声速，α为超声波探头与流速的夹角。
进一步的，所述发射频率(f0)的取值范围为500khz～2mhz，优选地，发射频率(f0)为1mhz。
进一步的，在步骤(4)中，对100个i(n)和q(n)信号分别进行累加和求和，即m＝100。
进一步的，在步骤(5)中，fft的变换长度n为4096。
进一步地，上述步骤(3)中，信号i(n)相当于将x(n)乘以一个正弦波
进一步地，上述步骤(4)中，将i(n)进行累加的过程，可以视为对其进行低通滤波以及降频采样的过程。i(m)可以看做是i(n)中频率为δf的低频信号在采样频率为4f0/m的数字域中的数字信号。
步骤(5)中，对i(m)进行频谱分析，可以得到各个频率点上多普勒频移回波的强度，但是无法得知这个频移量|δf|的符号，即流体是相向探头运动，还是背向探头运动。因此，我们加入另一个辅助量q(n)，其可视为x(n)与另一个频率为f0的正弦波的乘积，并且这个正弦波相位比i(n)中的超前90度。因此，根据频移特性，若δf>0(对应流体相向探头运动)，则fft中同一频率点fq(w)的相位将超前于fi(w)；反之则fq(w)的相位将落后于fi(w)。
将相向运动的频谱幅度取正数，相反运动的频谱幅度取负数，通过步骤(6)得到每个频移点上流体反射波的信号强度谱线以及方向。并通过步骤(7)，将这些频移量以信号强度作为权值进行平均，就获得了整个流体的多普勒平均频移。再通过步骤(8)，根据多普勒频移与速度的关系，计算出流体的平均流速。其中，相向运动的流速为正值，相反运动的流速为负值。
并涉及一种超声波流速计，包括发射模块、水下压力容器、脐带电缆、数据处理软件，计算机设备、cpld、总控制单元dsp、信号处理模块、接收模块和电源分配模块，其中cpld包括主计数器、各功能控制器和各辅助计数器；
其中，发射模块包括探头和超声波发射电路，接收模块包括超声波接收电路，其包括放大电路和滤波电路；
总控单元dsp和发射模块、接收模块、cpld、和电源分配模块连接，而总控制单元dsp通过rs232总线连接计算机设备，其中的发射模块和接收模块电连接信号处理模块，计算机设备配置有数据处理软件，并将发射模块、接收模块、信号处理模块、总控单元dsp、cpld和电源分配模块设置于水下压力容器，然后与通过脐带电缆和计算机设备连接，其中，其测量流速的方法如下：
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(fs)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，信号i(n)相当于将x(n)乘以一个正弦波
(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):
其中，m＝1,2，……；
辅助量q(n)，其为x(n)与另一个频率为f0的正弦波的乘积，并且这个正弦波相位比i(n)中的超前90度；
将i(n)进行累加的过程，为对其进行低通滤波以及降频采样的过程，i(m)是i(n)中频率为δf的低频信号在采样频率为4f0/m的数字域中的数字信号。
(5)、在总控单元dsp中，对i(m)和q(m)信号分别进行fft变换，得到复频谱fi(w)和fq(w)，w为数字频率，取值为0,1,2,…n-1；其中，n为fft的变换长度；根据频移特性，若δf>0(对应流体相向探头运动)，则fft中同一频率点fq(w)的相位将超前于fi(w)；反之则fq(w)的相位将落后于fi(w)。
(6)、创建频谱信号f(w)，其取值如下：
(7)、计算f(w)的中心w0：
(8)、计算流体的平均流速v：
其中v0为流体中的声速，α为超声波探头与流速的夹角。
进一步的，所述发射频率(f0)的取值范围为500khz～2mhz，优选地，发射频率(f0)为1mhz。
进一步的，在步骤(4)中，对100个i(n)和q(n)信号分别进行累加和求和，即m＝100。
进一步的，在步骤(5)中，fft的变换长度n为4096。
本发明的有益效果在于：
1、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。其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。
2、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。使得该设计可以在逻辑门数较少，功耗成本较低的cpld上实现，无需使用逻辑门数多，但是功耗和成本较高的fpga，从而进一步降低系统功耗和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请的超声波测速计的结构设计图
图2为本申请的超声波流速计设计方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为了可以更好地理解本发明，下面结合实施例和附图1-2对本发明作进一步说明：
具体实施例一：
参见图1-2，本发明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(fs)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，信号i(n)相当于将x(n)乘以一个正弦波
(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):
其中，m＝1,2，……；
将i(n)进行累加的过程，可以视为对其进行低通滤波以及降频采样的过程。i(m)可以看做是i(n)中频率为δf的低频信号在采样频率为4f0/m的数字域中的数字信号。
(5)、在总控单元dsp中，对i(m)和q(m)信号分别进行fft变换，得到复频谱fi(w)和fq(w)，w为数字频率，取值为0,1,2,…n-1；其中，n为fft的变换长度；
步骤5中，对i(m)进行频谱分析，可以各个频率点上多普勒频移回波的强度。但是无法得知这个频移量|δf|的符号，即流体是相向探头运动，还是背向探头运动。因此，我们加入另一个辅助量q(n)，其可视为x(n)与另一个频率为f0的正弦波的乘积，并且这个正弦波相位比i(n)中的超前90度。因此，根据频移特性，若δf>0(对应流体相向探头运动)，则fft中同一频率点fq(w)的相位将超前于fi(w)；反之则fq(w)的相位将落后于fi(w)。
(6)、创建频谱信号f(w)，其取值如下：
(7)、计算f(w)的中心w0：
(8)、计算流体的平均流速v：
其中v0为流体中的声速，α为超声波探头与流速的夹角。
将相向运动的频谱幅度取正数，相反运动的频谱幅度取负数，通过步骤(6)得到每个频移点上流体反射波的信号强度谱线以及方向。并通过步骤(7)，将这些频移量以信号强度作为权值进行平均，就获得了整个流体的多普勒平均频移。再通过步骤(8)，根据多普勒频移与速度的关系，计算出流体的平均流速。其中，相向运动的流速为正值，相反运动的流速为负值。
具体实施例二：
参见图1-2，本发明的一种超声波流速计，包括发射模块、水下压力容器、脐带电缆、数据处理软件，计算机设备、cpld、总控制单元dsp、信号处理模块、接收模块和电源分配模块，其中cpld包括主计数器、各功能控制器和各辅助计数器；
其中，发射模块包括探头和超声波发射电路，接收模块包括超声波接收电路，其包括放大电路和滤波电路；
其中信号处理模块、发射模块、接收模块、cpld和总控单元均和电源分配模块电连接以便提供电源，而总控单元dsp分别和信号处理模块、发射模块、接收模块、cpld和电源分配模块信号连接，而总控制单元dsp通过rs232总线连接计算机设备，其中的发射模块和接收模块同时分别与信号处理模块信号连接，计算机设备配置有数据处理软件，并将发射模块、接收模块、信号处理模块、总控单元dsp、cpld和电源分配模块设置于水下压力容器，然后与通过脐带电缆和计算机设备连接；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。
其中数据处理软件用于控制相应的测量操作；
其测量流速的方法如下：
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(fs)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，信号i(n)相当于将x(n)乘以一个正弦波
(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):
其中，m＝1,2，……；
将i(n)进行累加的过程，可以视为对其进行低通滤波以及降频采样的过程。i(m)可以看做是i(n)中频率为δf的低频信号在采样频率为4f0/m的数字域中的数字信号。
(5)、在总控单元dsp中，对i(m)和q(m)信号分别进行fft变换，得到复频谱fi(w)和fq(w)，w为数字频率，取值为0,1,2,…n-1；其中，n为fft的变换长度；
步骤5中，对i(m)进行频谱分析，可以各个频率点上多普勒频移回波的强度。但是无法得知这个频移量|δf|的符号，即流体是相向探头运动，还是背向探头运动。因此，我们加入另一个辅助量q(n)，其可视为x(n)与另一个频率为f0的正弦波的乘积，并且这个正弦波相位比i(n)中的超前90度。因此，根据频移特性，若δf>0(对应流体相向探头运动)，则fft中同一频率点fq(w)的相位将超前于fi(w)；反之则fq(w)的相位将落后于fi(w)。
(6)、创建频谱信号f(w)，其取值如下：
(7)计算f(w)的中心w0：
(8)计算流体的平均流速v：
其中v0为流体中的声速，α为超声波探头与流速的夹角。
将相向运动的频谱幅度取正数，相反运动的频谱幅度取负数，通过步骤(6)得到每个频移点上流体反射波的信号强度谱线以及方向。并通过步骤(7)，将这些频移量以信号强度作为权值进行平均，就获得了整个流体的多普勒平均频移。再通过步骤(8)，根据多普勒频移与速度的关系，计算出流体的平均流速。其中，相向运动的流速为正值，相反运动的流速为负值。
进一步的，所述发射频率(f0)的取值范围为500khz～2mhz，优选地，发射频率(f0)为1mhz。
进一步的，在步骤(4)中，对100个i(n)和q(n)信号分别进行累加和求和，即m＝100。
进一步的，在步骤(5)中，fft的变换长度n为4096。
综上所述，本发明采用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。其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；
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。使得该设计可以在逻辑门数较少，功耗成本较低的cpld上实现，无需使用逻辑门数多，但是功耗和成本较高的fpga，从而进一步降低系统功耗和成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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