超声波流量计系统的探讨  八

4 系统软件设计

4.1 软件整体设计

系统软件总体框图如图4.1 所示：系统软件设计采取模块化设计方法，系统软件包含的主要功能模块有：初始化，超声波发射接收，中断，广义互相关计算，数据处理和人机交互等模块。

4.2 软件主程序流程

主程序的程序流程图如图4.2 所示。系统程序的整体设计流程如下：

1) 系统上电后自动调用初始化程序，初始化包括时钟初始化、中断初始化、GPIO 初始化、外设初始化等；

2) 初始化完成后，由F28335 发射超声波驱动脉冲经放大后驱动发射换能器发出超声波，接收换能器收到超声波信号后经过AD 转换将模拟量转换成数字量；

3) F28335 通过DMA 方式对转换后的数据全部读取完成，切换发射、接收探头并重复以上过程，接收逆流超声波信号。

4) 顺流、逆流数据均接收完成后，调用数据处理子程序，对数据进行广义互相关计算，通过峰值检测，数据处理获取流速；

5) 然后將流速信息通过LCD 液晶实时显示。

4.3 中断处理程序

DMA 完成数据传输后会产生中断信号，在中断程序中读取AD 转换的结果，并判断是否顺逆流信号都已经接收到，如果是，则对超声波信号进行数字信号处理，包括广义互相关计算、峰值检测等。

4.4 广义互相关程序

广义互相关函数的计算是整个程序设计的关键之一，时延估计的精度决定了超声波流量系统的测量精度，本系统采用基于SCOT加权的广义互相关时延估计算法。

5 系统创新

创新点主要包括以下几项：

1) 超声波驱动脉冲信号采用多脉冲方案，连续发射三个单脉冲作为超声换能器的驱动信号。相较于单脉冲驱动信号，该驱动方式能够有效的增强超声波回波信号的大小和质量。

2) 高速信号采集模块采用TI 高速AD 芯片ADS805，并通过F28335 的Xintf 外部扩展接口直接挂载，同时采用DMA 模块实时读取转换后的数据，不仅能够省去FIFO 缓冲单元而且能够有效降低F28335 负载，提高系统的实时性。

3) AD 时钟信号及DMA 同步信号采用F28335 的ePWM 模块产生，无需扩展诸如CPLD 等外部逻辑控制单元。既充分利用了F28335 丰富的片上外设资源又有效的压缩设计成本。

4) 时差测量采用SCOT 加权的广义互相关时延估计算法。该方法能够获得明显突出的相关峰，保证了时差测量精度。

6 评测与结论

6.1 系统指标

本次设计超声波流量计采用M1 型外夹式收发一体超声换能器，流量计的具体参数如表6.1 所示。

表6.1 超声波流量计系统指标

系统指标技术参数

适用管径(DN) 15~100

驱动电压9V

工作频率1MHz

常用安装方法V，Z 法

适用管材碳钢，不锈钢，铸铁等均匀密质管道

流速范围0~±32m/s

测量精度示值±0.1% 流速＞0.2m/s

6.2 系统测试

6.2.1测试仪器及系统安装

（一）测试仪器

系统测试仪器主要有：数字万用表、数字示波器和WD-5 直流稳压电源，大连源晟超声波流量计。

（二）系统安装

超声换能器的安装对超声信号质量的影响很大，安装时需要注意以下几点：

1) 换能器与管壁之间需要均匀的涂抹一层耦合剂，耦合剂选择导热硅脂。

2) 换能器安装之前，须将管壁外的涂层，铁锈等去除，将凹凸不平的地方打磨平整。

3) 在进行流量测量时，需要注意换能器安装位置，距弯管道、阀门、泵越远越好，上游距离泵最好不小于50D，距离流量控制阀不小于20D，距离弯管道部位不小于10D，下游的直管段也应大于5D。

超声波流量计