本文關(guān)鍵詞：基于ARM的時差法超聲波流量計研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

南京信息工程大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于ARM的時差法超聲波流量計研制 姓名：魏守包 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：系統(tǒng)分析與集成 指導(dǎo)教師：唐慧強 20080501

摘要
超聲波流量計以非接觸、精度高、使用方便等優(yōu)點，在氣象、石油、化工、 醫(yī)藥、水資源管理等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著數(shù)字處理技術(shù)和微
處理器技術(shù)的發(fā)展，超聲波流量計作為

一種測量儀表也得到了長足進(jìn)步。本課 題將ＡＲＭ微控制器用于流量測量儀表的研制，拓展了儀表的開發(fā)空間，符合嵌 入式技術(shù)的發(fā)展方向。 本文詳細(xì)介紹了超聲波時差法流量測量原理及基于ＬＰＣ２２１４的超聲波流量

計系統(tǒng)設(shè)計方案和軟硬件實現(xiàn)方法，并對測時算法進(jìn)行了詳細(xì)討論。通過分析 和借鑒國外超聲波流量測量的先進(jìn)技術(shù)和方法，得出了改進(jìn)的時差法測量方案。 系統(tǒng)硬件設(shè)計了超聲波發(fā)射、接收及放大電路，采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化接 收信號，并對ＡＲＭ系統(tǒng)電路中的電源電路，存儲器電路，通信接口電路等進(jìn)行 了詳細(xì)介紹。系統(tǒng)軟件詳細(xì)分析了嵌入式操作系統(tǒng)ｕＣｌｉｎｕｘ的移植方法，給出 構(gòu)建ＡＲＭ—ｕｃｌｉｎｕｘ平臺的步驟，并基于此平臺，完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計。測時算
法運用數(shù)字濾波技術(shù)提高信號信噪比，采用方差比檢驗方法和插值算法，提高 測時定位精度。 系統(tǒng)設(shè)計良好的人機交互界面和通信調(diào)試接口，提高了ＡＲＭ系統(tǒng)的軟件開 發(fā)調(diào)試效率；在保證流量計系統(tǒng)功能的同時，盡量簡化硬件電路設(shè)計，降低研 制成本，使設(shè)計更具合理性。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計；時間差；ＬＰＣ２２１４；ｕＣｌｉｎｕｘ；數(shù)字濾波器

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｕ１ｔｒａｓｏｎｉｃ

Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，

ｃｈｅｍｉｃａｌ，ｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｌ∞ｍａＩｌａｇｅｍｅｎｔ，ｆｏｒ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ。ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｅａｓｅ－ｔｏ－ｕｓｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｇｒｅａｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ
Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ，ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｎ Ａ Ｎｅｗ ｋｉｎｄ Ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ

ｉｎ也ｅ ｔｈｅｓｉｓ．ｗｈｉｃｈ ａｃｃｏｒｄｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｉｍｅ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｅｅ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ｉＳ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ａｌＳＯ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ＬＰＣ２２１４．ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｉｇｈｔｉｎｇ ｔｉｍｅ
ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｆｏｒｅｉｇｎ ａｄｖａｎｃｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｗａｙ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｆｉｇｈｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉＳ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ，ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｄｉｇｉｔａｌｉｚｅｄ ｂｖ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ Ａ／Ｄ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ
ａｒｅ

Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｙ ａｎｄ

ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅ ＬＰＣ２２ １４

ｈｕｍａｎ

ＡＲＭ ｓｙ’ｓｔｅｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｗｅｒ，ｍｅｍｏｒｙ， ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆａｃｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ＳＯＲｗａｒｅ ｉｓ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ＡＲＭ—ｕＣｌｉｎｕｘ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐｌａｔｆｏｒｍ．ａｌＳＯ ｔｈｅ ｓｔｅｐｓ ｈｏｗ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ＵＣＬｉｎｕｘ ｅｍｅｒｇｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ＡＲＭ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｈｅｉｇｈｔｅｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒｔ．ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｈｉｇｈ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｎｏｉｓｅ．Ｂｙ ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｖａｒｉａｎｃｅ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｉｓ ｂｅｉｇｈｔｅｎｅｄ． ｏｆ ｔｈｅ ＬＰＣ２２１４ ｏｎ ｃｈｉｐ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｂｕｇ ｍｏｒｅ ｅａｓｉｌｙ．ｎｌｉｓ ａｌＳＯ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｒｅｄｕｃｅｓ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｓｔｓ，ａｎｄ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ． Ｔｈｉｓ

ｄｅｓｉｇｎ

ｍａｋｅｓ ｇｏｏｄ

ｕｓｅ

ｉｎｔｅｒｆａｃｅ

ａｎｄ

ｄｅｂｕｇ ｐｏｒｔ

ｍａｋｅｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；ｔｉｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ；ＬＰＣ２２１４；ｕＣｌｉｎｕｘ；
ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ

ＩＩ

學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：

１、堅持以“求實、創(chuàng)新”的科學(xué)精神從事研究工作。 ２、本論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究 成果。 ３、本論文中除引文外，所有實驗、數(shù)據(jù)和相關(guān)材料均是真實的。 ４、本論文中除ｇｌ文和致謝的內(nèi)容外，不包其他人或其它機構(gòu)已 經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 ５、其他同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均己在論文中作了聲明并表示 了謝意。
、

作者簽名：氌瑙巳
日

期：．趔苧：垡

學(xué)位論文使用授權(quán)聲明
本人完全了解南京信息工程大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機構(gòu)送交論 文的電子版和紙質(zhì)版：有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制 并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱：有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有 關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索；有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版。保密 的學(xué)位論文在解密后適用本規(guī)定。

作者簽名：幽坦
日

期：皇塑』：�。海�

南京信息工程大學(xué)碩士論文

基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計研制

第一章緒論
１．１前言
流量計作為計量儀表，在現(xiàn)代社會中起著重要作用。其一為流體物資貿(mào)易核算儲運管 理和污水廢氣排放控制的總量計量；其二為流程工業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本 以及水利工程和環(huán)境保護(hù)等作必要的流量檢測和控制ｌｌ】�？梢�，關(guān)涉到國家經(jīng)濟(jì)命脈的石 油、天然氣的儲運和關(guān)涉到民生和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展的水資源的管理等領(lǐng)域都涉及到流量 計量問題。 為滿足不同種類、不同工況條件下流體流量測量的需要，多種原理的流量計先后被研 制并投入使用。如：速度式流量計、容積式流量計、差壓式流量計、電磁流量計、渦輪流 量計、渦街流量計、超聲波流量計等。種類繁多的流量計都有各自的適用范圍，也具有相 對的局限性，所以，沒有可適用于任何場合的流量計。但是，流量技術(shù)不斷發(fā)展?jié)M足人們 的生產(chǎn)生活需求，并日趨成熟。尤其是近３０年來，微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn) 入流量測量儀表，使測量儀表山現(xiàn)一次飛躍，儀表的功能更加豐富，可靠性得到顯著提高， 測量精度獲得大幅度的提升口Ｊ。

１．２超聲波流量計發(fā)展概述
超聲波用于流量的測量，已有近一百年的歷史。早在１９２８年Ｏ．Ｒｕｔｔｅｎ研制成功了世 界上第一臺超聲波流量計（ＵＳＦ，Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ），它是主要采用相位差法的ＵＳＦ。到 上世紀(jì)５０年代，基于頻差法的ＭＡＲＳＯＮ流量計出現(xiàn)，并用于測量航空焰料的流量。６０ 年代中期出現(xiàn)了連續(xù)波頻移法的ＵＳＦ，６０年代末又出現(xiàn)了多普勒效應(yīng)的ＵＳＦ。隨著電子技 術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入７０年代，性能日益完善的基于不同測量方法的ＵＳＦ投入市場。９０年代實 現(xiàn)了超聲波氣體流量計。 依照不同準(zhǔn)則，ＵＳＦ可劃分成多種不同的種類。如按照現(xiàn)場工況安裝方式的不同，可 以分為固定式ＵＳＦ和便攜式ＵＳＦ：按照供電方式，可分為２２０Ｖ交流式和內(nèi)各充電屯池式； 按照輸出方式的不同，可分為有４～２０ｍＡ的信號輸出型和無輸出型；按照內(nèi)部有無數(shù)據(jù)存 貯功能，可分為有貯存型和無存儲型；按照ＵＳＦ換能器放置方式不同，可分為夾裝式、插 入式、管段式【ｊ１；按照測量原理，可分為傳播時間法，多普勒法，波速偏移法，相關(guān)法， 噪聲法等。 多類型ＵＳＦ的出現(xiàn)及應(yīng)用，使其特點逐步得到體現(xiàn)： （１）適用范圍廣 超聲流量計的測量范圍一般可達(dá)２０：１ 到３００：１。流速從每秒幾厘米到每秒十幾米 傳播速度差法超聲波流量計的測量范圍可達(dá) 管徑從小于１厘米到幾米，工作溫度從低溫

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基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計研制

（如液態(tài)氧、液化天然氣）到上千度的高溫，允許工作壓力從接近真空到幾百個大氣壓，其 響應(yīng)時間從幾個毫秒（引擎控制）到２４小時（監(jiān)控管道流量）”１。 （２）對介質(zhì)幾乎無要求 可以測液體、氣體，甚至對雙向介質(zhì)的流體流量；測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、 壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響。 （３）對被測流體影響小 可實現(xiàn)非接觸式測量，不破壞流體的流場，無壓力損失：可實現(xiàn)對強腐蝕性、非導(dǎo)電 性、放射性流體的測量。 ＵＳＦ在流量測量領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅可以應(yīng)用于液體原油傳輸、氣體輸送、 釀酒、飲料及食品流體工業(yè)的流量計量，還可用于酸、堿化學(xué)介質(zhì)、醫(yī)藥流體高度危險等 領(lǐng)域。 超聲波氣體流量計的突出優(yōu)點，備受各國的關(guān)注。美國、英國、荷蘭、德國、加拿大、 俄羅斯等１０余國家已經(jīng)將ＵＳＦ批準(zhǔn)為天然氣貿(mào)易輸送系統(tǒng)的計量儀表。我國也對此進(jìn)行 論證，制定標(biāo)準(zhǔn)。１９９４年我國正式出版了由中國計量科學(xué)院組織有關(guān)專家起草、分別經(jīng)國 家技術(shù)監(jiān)督局和建設(shè)部批準(zhǔn)的“ＪＪＧ １９８—９４速度式流量計”的國家計量檢定規(guī)程（包括超聲 流量計）與“ＪＪＧ（建設(shè)）０００２．９４超聲流量計”（傳播速度差法、多普勒法）的部門計量檢定規(guī) 程俐。Ｃｏｎｔｒｏｌｏｔｒｏｎ公司和Ｐｌｏｙｓｏｎｉｃｓ公司的產(chǎn)品較多的采用數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)實 時超聲信號處理。在測量算法方法方面，利用改進(jìn)的時差法或者時差法與多普勒法的組合， 如Ｃｏｎｔｒｏｌｏｔｒｏｎ公司研制的４８０型超聲流量計，這樣使得產(chǎn)品的應(yīng)用范圍更廣。 我國對超聲波氣體流量計的研究起步相對較晚，與國外相比我國自行研制的產(chǎn)品在檢 測精度方面存在一定差距。目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的超聲波流量計多以單片機為系統(tǒng)核心，通

過較簡單的算法，實現(xiàn)計量。由于受單片機數(shù)據(jù)處理能力的限制，主要用于測量比較容易
的大管道流體測量，且精度和總體性能也不高。

１．３研究意義及主要工作內(nèi)容
超聲波氣體流量計在氣體流量計量領(lǐng)域具有重要地位，代表氣體計量領(lǐng)域的新發(fā)展趨 勢。縱觀國內(nèi)外的情況，ＵＳＦ技術(shù)在國外發(fā)展較為迅速，產(chǎn)品性能比較成熟可靠，但是由 于其引入價格較為昂貴：使得國內(nèi)該產(chǎn)品的應(yīng)用較為匱乏，雖然有部分產(chǎn)品出現(xiàn)，但是穩(wěn) 定性和可靠性不高，無法達(dá)到使用要求。為服務(wù)于我國四大世紀(jì)工程之一的西氣東輸工程，

服務(wù)于我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，研制設(shè)計我國自主產(chǎn)權(quán)的高精度、高靈敏度、低價位ＵＳＦ是必要
的。 設(shè)計采用３２位的ＡＲＭ處理器，結(jié)合新型時間測量算法，設(shè)計具有更強適用能力的低 功耗、低價位超聲波流量計，達(dá)到符合國外ＵＳＦ智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化等發(fā)展趨勢。主 要工作包括以下內(nèi)容：

２

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基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計研制

（１）確立方案 結(jié)合國內(nèi)外ＵＳＦ產(chǎn)品的現(xiàn)狀，確定系統(tǒng)實現(xiàn)方案。分析、比較并確立最優(yōu)可行方案。 本項目確立采用３２位的ＡＲＭ微處理器并結(jié)合時差實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的方案。 （２）硬件設(shè)計 完成模擬電路方面的超聲波的發(fā)射、接收、放大和信號數(shù)字化；數(shù)字電路方面的ＡＲＭ 硬件系統(tǒng)，人機接口電路設(shè)計；輔助電路方面的溫度測量與報警、通信接口等各功能模塊 的電路設(shè)計。 （３）軟件設(shè)計 完成ＡＲＭ啟動代碼編程，移植ｕＣｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)，實現(xiàn)驅(qū)動編程，完成系統(tǒng)軟件。 （４）算法分析 在分析接收信號特征的基礎(chǔ)上，通過數(shù)字濾波器對接收信號濾波處理，結(jié)合信號處理 技術(shù)，運用插值算法提高系統(tǒng)測時分辨率，并使用ＭＡＴＬＡＢ軟件工具對設(shè)計濾波器和算 法進(jìn)行了驗證。

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基于ＡＲＭ的時差沾超聲波流量計研制

第二章

時差法超聲波流量計的理論研究

２．１時差法流量測量原理
ＵＳＦ是通過檢測流體流動時對超聲波束（或超聲脈沖）的作用來測量體積流量的儀表。 測量的主要依據(jù)是：當(dāng)超聲波入射到被測流體后，流體中傳播的超聲波會載有流體流速的 信息。測量原理大致可分為有：傳播時間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法、噪聲 法等。應(yīng)用較多的是傳播時間法和多普勒效應(yīng)法。傳播時間法按測量具體參數(shù)不同，又分 為時差法、相差法和頻差法州。綜合各測量原理及其適用范圍，最終確定系統(tǒng)測量原理為 時差法。

時差法ＵＳＦ通過測量超聲波束在流體中的順、逆流傳播的時間差實現(xiàn)流量測量。夾裝
式測量原理如圖２—１所示。管外上、下游分別安裝一個超聲波換能器，用于輪循發(fā)射或接

收超聲脈沖。設(shè)管道的內(nèi)徑為ｄ，超聲波在靜止流體中的聲速為Ｃ，流體的平均流速為ｖ，，
當(dāng)超聲波在聲楔中的入射角為日時。聲波在管壁中的折射角為如，在被測流體中的折射角

為妒，則超聲波在被測流體中的順流傳播時間ｔ。，和逆流傳播時間ｆ，，，可表示為：

圖２－１夾裝式測量原理圖 ｄ

＾２

２面ｉ面麗面
ｄ

（２．１）

ｔ－２石ｉ面麗面 Ｌｃ—Ｖｒ ｓｌｎ驢）ｃ０８妒
由式（２一１）（２—２）可得傳播時１＇４差：
，

（２．２）

出刮ｚ?一ｔｕ

２歹ｉ２ｄ孟ｖ ｓｉ纛ｎ面
４

毋

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基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計研制

由于ｃ２＞＞ｖ；ｓｉｎ２咖
從而可得傳統(tǒng)時差法流速方程：

ｖ，＝—＿二一．△ｒ ２ｄｔａｎ≯
。

Ｐ２

（２－３）

即流速正比于順逆流傳輸時間差△ｆ。 瞬時流量即單位時間流過某一截面的流體量，簡稱流量，可分為體積流量和質(zhì)量流量。 體積流量是指單位時間內(nèi)流過的流體的體積。質(zhì)量流量指單位時間內(nèi)流過的流體質(zhì)量川。 這兩種不同的流量表示方法含義是一致的。文中測量流量指的是體積流量。

單位時間體積流量Ｑ的計算公式為：

Ｑ：可．ｓ：礦．絲：里．Ａｔ（２－４）
。４ ８ｔａｎ西

式中，可為管道橫截面上流體的平均流速（單位：ｍ／ｓ，當(dāng)流體均勻流動時約等于ｖ，）， Ｓ為與流速可相垂直的管道橫截面面積（單位：１１１２）。 由式（２．４）可見，在已知測量工況參數(shù)：管道內(nèi)徑ｄ，超聲波在靜止流體中的聲速ｃ， 超聲波在被測流體中的折射角≠的條件下，通過測量超聲波在被測流體中的順逆流傳播時

間差缸，便實現(xiàn)流體瞬時流量。

２．２測量算法的修正
２．２．１流速方程的修正 由上述時差法超聲波流量測量原理的分析可知，流量測量建立在ｃ２＞＞ｖ；ｓｉｎ２≯條件
下，實現(xiàn)準(zhǔn)確流量計量除準(zhǔn)確測量超聲波傳播時問的順逆流時間差外，還需精確給定波速

在管道內(nèi)的折射角毋。由超聲波傳輸特性可知，≯角隨流體中聲速ｃ的變化而改變，而ｃ 又是流體溫度的函數(shù)，因此，必須對毋進(jìn)行修正，減小溫度變化對測量的影響。
由順逆流傳輸時間方程（２?１Ｘ２－２）可得，

出２ｔ２１－－如２礦ｉ嵩豸面

２咖，ｓｉｎ西

ｒ＝ｔ．：＋ｆ２ｌ＝礦而２麗ｄｃ

由上兩式可得流體的平均流速方程：

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基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計研制

ｖ，２面‘了
再根據(jù)超聲波傳輸過程中滿足斯納爾（Ｓｎａｉｌ）定律，即

ｃ△ｆ

（２．５）

?－－－－－一＝一
—ｓｉｎ—０：！叢：—ｓｉｎ—￥
吒 ｃｌ
ｃ

（２．６）

其中ｃｏ、ｃ１、ｃ分別為超聲波在聲楔中縱波、管壁中縱波和被測流體中橫波的波速。 由式（２．５）（２．６）可得：

ｖ，＝二Ｌ．竺二
。

，

Ａｆ

ｓｉｎ０

（２．７）

Ｔ

比較傳統(tǒng)流體平均流速方程（２．３）和修正后的流速方程（２．５）可以看出兩種求解方 法的主要區(qū)別：修正后流量測量所需給定的參數(shù)為超聲波入射角０和聲楔中聲速矗。由于 在一般固體材料中超聲波受溫度的影響聲速變化比在流體中小一個數(shù)量級，所以，采用 （２．５）比（２．３）時要精確得多，在溫度變化不大的條件下，并能夠較好消除聲速變化與 折射角變化對計量的影響。當(dāng)然，在溫度大范圍變化的’隋況下（如超聲波換能器適用的高

低溫范圍－４０～２０００Ｃ），就必須對聲楔和管壁中的超聲波聲速進(jìn)行再修正。

２．２．２流量方程的修正
從流量方程的推理過程可知，流量測量所采ＩＥ｝ｊ的流速都是理想狀況下管道截面均勻分 布的面平均流速，而實際中流體的流動狀態(tài)并不是均勻分布的，一般可分為兩種：第一種 是層流狀態(tài)，即管內(nèi)的流體的流動主要是軸向的運動：第二種是紊流狀態(tài)，即管內(nèi)的流體 的流動不僅有軸向運動，還有劇烈的橫向流動ＦＪ。兩種不同流動狀態(tài)對應(yīng)著管內(nèi)的速度分 布也不同。 由于管道流體流速分布規(guī)律的復(fù)雜性，人們對流體的分布規(guī)律的研究僅限于理想管道 流，即光滑層流和光滑紊流條件下的流體流速分布規(guī)律”Ｊ。 流速較低或管壁粘性較大時，流體流動的狀態(tài)是平滑的層狀流動，主要是軸向的運動； 流速較高時或管壁粘性較小時，流體質(zhì)點呈現(xiàn)不規(guī)則的流動，即紊流，此時管內(nèi)流體既有 軸向也有橫向的流動。兩種不同狀態(tài)所對應(yīng)的管內(nèi)的速度分布也不同。層流狀態(tài)下的速度 分布為拋物線狀，而紊流的流速分布是以管道軸線為中心呈對數(shù)曲線對稱狀，也即管道內(nèi) 的速度分布趨于平坦，因此紊流狀態(tài)的速度分布比層流時均勻的多。 所以，精確計算流體的單位時間體積流量ｐ時，應(yīng)考慮流速在橫斷面的分布狀況，需 要采用一定的方法對流速分布進(jìn)行補償。修正后單位時間體積流量：

６

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ｏ：礦．Ｓ：蘭．絲（２－８）
～

Ｋ

４

其中ｄ為管道的內(nèi)徑，ｖ，為聲程上的線平均流速，可為面平均流速，Ｋ＝二土為波速
。

Ｖ

分布修正系數(shù)，與被測管道的阻力系數(shù)Ａ有關(guān)，

小１＋１．２５悖
式中九是流體雷諾數(shù)的函數(shù)，可表示為：
Ａ＝Ｏ．００３２＋０．２１１Ｒｅ。０２３７

（２＿９）

（２．１０）

所以修正系數(shù)Ｋ寫成雷諾數(shù)Ｒｅ的函數(shù)如下：

Ｋ＝ｌ＋０．０１、／６．２５＋４３１Ｒｅ。０

２３７

（２．１１）

由流體力學(xué)可知，雷諾數(shù)Ｒｅ是判斷流體流動狀態(tài)一個依據(jù)。一般認(rèn)為，Ｒｅ＝２３００視 為流體從層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的臨界判斷，其計算公式為：

Ｒ。：旦蘭ｄ
‘

（２．１２）

町

式中Ｐ為流體密密度，可為流體的平均流速，

＂為管道中流體的運動粘度，ｄ為管

道直徑�？梢姴煌黧w流動狀態(tài)下，計算流量時Ｒｅ和Ｋ的取值也應(yīng)隨著流體流動狀態(tài)動 態(tài)變換。因此如何方便快捷且比較精確的得到Ｋ值是提高流量計性能的關(guān)鍵問題之一。下 面就對如何方便的取得Ｋ值進(jìn)行分析。 通常認(rèn)為，在換能器的安裝起點前后有足夠的直管段前提下，Ｒｅ＝２３００為流體從層流

狀態(tài)到湍流狀態(tài)的臨界判據(jù)；Ｒｅ＞２３００為紊流狀態(tài)；Ｒｅ＜２３００流體就開始向?qū)恿鳡顟B(tài)過渡吼
層流狀態(tài)下，由于與管道（半徑為Ｒ）中心相距ｒ處的流速”同管道中心處最大流速

‰，滿足流速分布規(guī)律：

一心］２］
由此式，則管道直徑方向上的平均流速Ｖ 傳播路徑方向上的平均流速：

（２—１３）

也就是超聲流量計用于流量測量沿超聲波

。》“２ ｖ，
７

（２－１４）

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管道橫截面上的平均流速可：

一一Ｑｓ＝．＿ｆ‘ｖ刪，２７ｒｒｄｒ．＝魯＾２
Ｓ 石月２ ２丌Ｒ２

ｍａｘ

旺㈣

由式（２．１４）和式（２．１５）則：

Ｋ：皇：４
可 ３

（２．１６）

所以，在流體處于層流狀態(tài)時，即使流速有變化，Ｋ值卻保持不變，即ｖ，和ｖｍ。的比 值恒定。采用此修正系數(shù)�？梢院喕瘻y量復(fù)雜度。 當(dāng)流體處于素流狀態(tài)時，采用同樣的處理方法可以得到素流補償系數(shù)：

Ｋ：竺：塾生：１＋上（２－１７）
可 ２玎 ２胛

其中ｎ是隨Ｒｅ不同而變化的系數(shù)，此修正公式很好符合湍流狀態(tài)時的經(jīng)驗公式：

Ｋ＝Ｉ＋０．０１４６．２５＋４３１Ｒ；０２３７
當(dāng)流體狀態(tài)介于層流狀態(tài)與湍流狀態(tài)之間時運用經(jīng)驗公式：

（２—１８）

世２１．１１９＋Ｏ．０１１１９足
綜上可得修正后的流量方程為：

（２?１９）

ｏ：可．ｓ：皇．三生：魚蘭垡：．一Ａｔ（２－２０） Ｋ ４ ４Ｋｓｉｎ０ Ｔ
。

則從ｔ．到ｔ２時間段內(nèi)的累積流量為：

Ｗ＝ｒＱｄｔ
４１

從式（２－２０）可知，如果測量滿管均勻流動流體，在溫度變化不大且其他參數(shù)如管道 內(nèi)徑ｄ，入射角日和聲楔中的聲速“在使用前能夠精確給定前提下，測量精度與超聲波傳 播時間的準(zhǔn)確測量密切相關(guān)，只有準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量順逆流傳播時間，才能保證流量測量 精度。當(dāng)溫度在大范圍變化且考慮管壁的厚度ｈ時，還需要對該參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)實際 情況調(diào)整流速補償系數(shù)，對超聲波的傳輸時間進(jìn)行修正，才可實現(xiàn)精確的測量。因此，實 現(xiàn)儀器精確流量計量的關(guān)鍵是對順逆流傳播時間及其差值的測量。

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第三章超聲波流量計的總體設(shè)計

３．１系統(tǒng)總體設(shè)計方案總述
時差法超聲波流量計系統(tǒng)主要有以下功能：發(fā)送超聲波、接收并處理超聲波信號、數(shù) 據(jù)處理、測量結(jié)果顯示與存儲、上位機通信等。 設(shè)計以ＡＲＭ微控制器作為系統(tǒng)的控制與運算核心，運用ＡＲＭ芯片的高速處理技術(shù)。 提高超聲波流量測量的精度和實時性。系統(tǒng)總體的功能框圖如圖所示３－１。

圖３－１系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)方案中各功能單元可看作三個主要部分： （１）超聲信號收發(fā)部分 主要完成超聲波的發(fā)射、接收，信號調(diào)理以及收發(fā)切換控制。 （２）數(shù)字信號處理部分 主要完成接收信號的數(shù)字化及數(shù)字信號處理，數(shù)據(jù)存儲等，包括已調(diào)理信號的模數(shù)轉(zhuǎn) 換，數(shù)據(jù)輸入緩沖ＦＩＦＯ、ＦＬＡＳＨ數(shù)據(jù)存儲等功能單元。 （３）驅(qū)動服務(wù)部分 主要完成系統(tǒng)的人機交互，數(shù)據(jù)通信，包括人機接口的ＬＣＤ顯示及鍵盤，通信接口、 溫度檢測及報警電路等功能單元。 系統(tǒng)設(shè)計為降低硬件成本，同時也為簡化電路設(shè)計的復(fù)雜度，設(shè)計采用收發(fā)一體式換

能器，且順逆流測量共用信號處理電路，換能器與收發(fā)電路的連接由ＡＲＭ微控制器通過
收發(fā)切換單元進(jìn)行控制。信號處理部分，采用數(shù)字程控放大電路，增強系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能 力。驅(qū)動服務(wù)部分：測量前，通過鍵盤進(jìn)行相應(yīng)工作參數(shù)的設(shè)置：測量完成后，己存儲的 測量數(shù)據(jù)通過ＵＳＢ接口傳給上位機，方便上位機對測量數(shù)據(jù)的打印保存、統(tǒng)計等進(jìn)一步處 理：通信接口單元，輔助完成系統(tǒng)程序開發(fā)、調(diào)試和程序下載等。

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３．２流量測量過程
系統(tǒng)電路的工作過程： （１）系統(tǒng)上電后，ＡＲＭ微控制器初始化內(nèi)部功能模塊和系統(tǒng)外部電路單元，并通過 交互接口設(shè)定相應(yīng)的測量參數(shù)。 （２）ＡＲＭ控制發(fā)射電路進(jìn)行信號發(fā)射，發(fā)射驅(qū)動電路提供發(fā)射高壓脈沖激勵，激勵 發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波信號。ＡＲＭ微控制器啟動超聲波發(fā)射的同時，啟動內(nèi)部定時時中， 經(jīng)過適當(dāng)延遲后，通過ＰＷＭ匹配觸發(fā)啟動信號接收電路。超聲波通過被測量流體，由接 收換能器接收并經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后，進(jìn)行Ａ，Ｄ轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成，通過中斷觸發(fā)請求主控芯 片ＡＲＭ進(jìn)行接收信號數(shù)字處理。 （３）ＡＲＭ對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理，即判別接收信號波形的起點，求出傳輸時間， 并計算流體流量及數(shù)據(jù)存儲等。 完成一次流量測量，系統(tǒng)至少需要進(jìn)行順逆流各一次信號收發(fā)。測量過程中，主控制 器根據(jù)測量管道管徑大小，自動修正Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換啟動時間。通過多次重復(fù)測量，計 算平均值，提高流量測量精度。

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第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案的總體框圖，本章對具體硬件電路設(shè)計進(jìn)行說明。系統(tǒng)硬件可分為 以下三個主要功能模塊：第一部分ＡＲＭ系統(tǒng)電路模塊，包括系統(tǒng)電源、芯片時鐘和ＪＴＡＧ 接口電路；第二部分超聲波發(fā)送與接收電路模塊，包括換能器驅(qū)動電路、接收信號放大和 調(diào)理電路、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和ＦＩＦＯ緩沖電路；第三部分輔助電路部分，包括按鍵和顯示的人機接

口電路、上位機通信接口電路、溫度檢測和報警電路、數(shù)據(jù)存儲器電路等。

４．１ ＬＰＣ２２１

４芯片簡介

ＡＲＭ即Ａｄｗａｍｃｅｄ ＲＩＳＣ Ｍａｃｈｉｎｅ，可看做為一種技術(shù)，也可看做對一類微處理器的通 稱。自１９９０年Ａ ＲＭ公司正式成立以來，一直以ＩＰ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｐａｔｅｎｔ）提供者的身份向各 大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，其設(shè)計的芯核具有功耗低，成本低等顯著優(yōu)點，因此獲得 眾多的半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，在３２位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目 前，基于ＡＲＭ技術(shù)的微控制器約占３２位ＲＩＳＣ微處理器的７５％以上的市場份額【ｌ…。 當(dāng)前，ＡＲＭ微處理器主要有ＡＲＭ７系列、ＡＲＭ９系列、ＡＲＭ９Ｅ系列、ＡＲＭｌ０系列、 ＳｅｃｕｒＣｏｒｅ系列、ＳｔｒｏｎｇＡＲＭ系列和Ｘｓｅａｌｅ等系列。同時ＡＲＭ芯片還獲得了許多操作系統(tǒng) 供應(yīng)商如：Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ、ｕＣＬｉｎｕｘ、ＶｘＷｏｒｋｓ Ｎｕｃｌｅｕｓ、ｕＣ／ＯＳ．１１、ｐＳＯＳ和Ｐａｌｍ Ｏｓ等的 支持。 ＡＲＭ微處理器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線通訊等 領(lǐng)域。ＡＲＭ７系列內(nèi)核普遍支持ＴＤＭＩ四種功能模塊。其中各代表含義如下：Ｔ：Ｔｈｕｍｂ， 內(nèi)核指令集除包含３２位ＡＲＭ指令集外還支持１６位壓縮指令集Ｔｈｕｍｂ；Ｄ：Ｄｅｂｕｇ，內(nèi)核 支持在線調(diào)試功能，即內(nèi)核集成了邊界掃描鏈ＪＴＡＧ的調(diào)試結(jié)構(gòu)，可使ＣＰＵ進(jìn)入調(diào)試模式， 方便跟蹤內(nèi)核運行狀態(tài)；Ｍ：Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ，內(nèi)嵌硬件乘法器；ｈ 斷點和調(diào)試點。ＡＲＭ７系列微控制器具有如下特點： （１）功耗低，適用于對功耗要求較高的應(yīng)用； （２）具有嵌入式ＩＣＥ邏輯，調(diào)試開發(fā)方便： （３）對操作系統(tǒng)廣泛支持； （４）支持三級流水線結(jié)構(gòu)：
Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＩＣＥ

Ｌｏｇｉｃ，支持

（５）高密度指令代碼，兼容１６位Ｔｈｕｍｂ指令集：
（６）主頻最高達(dá)到１３０ＭＩＰＳ，能夠勝任絕大多數(shù)復(fù)雜的應(yīng)用。 目前，ＡＲＭ７微處理器主要應(yīng)用于中低端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端、Ｉｎｔｅｍｅｔ設(shè)備、移動電話、 多媒體嵌入式應(yīng)用和工業(yè)控制等領(lǐng)域【ｌ“。

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系統(tǒng)選用Ｐｈｉｌｉｐ公司ＬＰＣ２２１４，它是一款支持實時仿真和跟蹤的３２／１６位ＡＲ．Ｍ７ＴＤＭＩ．Ｓ 低功耗ＡＲＭ微控制器，采用１“引腳的ＬＱＦＰ封裝，帶有２個３２位定時器、９個外部中 斷、２個１６Ｃ５５０工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ＵＡＲＴ、７６路輸出的ＰＷＭ單元、２個ＳＰＩ接口、４００Ｋｂｐｓ的高速 １２Ｃ接口、１６ＫＢ的靜態(tài)ＲＡＭ、２５６ＫＢ高速Ｆｌａｓｈ、實時時鐘和看門狗等模塊。芯片獨特的 加速結(jié)構(gòu)使３２位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，使用１６位Ｔｈｕｍｂ模式可將代碼規(guī)模降 低超過３０％，而性能的損失卻很小。 ＬＰＣ２２１４微控制器的主要特性１１２］如下： （１）雙電源供電：內(nèi)核ＣＰＵ操作電源為１．８ｖ（±０．１５ｖ），Ｉ／Ｏ操作電源為３．３ｖ（±１０％）， 可承受５Ｖ電壓； （２）具有內(nèi)部代碼加密功能，是全球首款可加密的ＡＲＭ微控制器； （３）通過可編程的片內(nèi)鎖相環(huán)可控制ＣＰＵ的工作頻率，最高可達(dá)６０ＭＨｚ，片內(nèi)晶振 頻率范圍：１ ＭＩ－Ｉｚ～３０ ＭＨｚ；Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＩＣＥ．ＲＴ接口支持?jǐn)帱c和觀察點： （４）在前臺任務(wù)使用片內(nèi)ＲｅａｌＭｏｎｉｔｏｒ軟件調(diào)試時，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行； （５）具有多達(dá)１１２個可承受５Ｖ電壓的通用Ｉ／Ｏ口； （６）向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級和向量地址； （７）通過片內(nèi)Ｂｏｏｔ－ｌｏａｄｅｒ固件可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ＩＳＰ）和在應(yīng)用編程（ｔＡＰ）； （８）Ｆｌａｓｈ編程５１２字節(jié)僅需ｌｍｓ，單扇區(qū)或整片擦除僅需４００ｍｓ： （９）外設(shè)功能模塊可單獨使能或禁止，實現(xiàn)功耗最優(yōu)化。 ＬＰＣ２２１４支持兩個低功耗模式：空閑模式和掉電模式。在空閑模式中，指令的執(zhí)行被 停止，直到產(chǎn)生復(fù)位或中斷為止。外圍功能在空閑模式下繼續(xù)工作并可產(chǎn)生中斷喚醒處理 器。空閑模式使自身、存儲器和相關(guān)控制器以及內(nèi)部總線不再消耗功率。在掉電模式中，

振蕩器被關(guān)閉，系統(tǒng)中沒有任何內(nèi)部時鐘，處理器狀態(tài)和寄存器、外設(shè)寄存器和內(nèi)部ＲＡＭ
的值在掉電模式下保持不變。由于芯片所有動態(tài)操作都被暫停，芯片功耗降到最低幾乎為 零。外設(shè)功率控制器允許關(guān)閉不使用的外設(shè)，進(jìn)一步降低功率。ＬＰＣ２２１４體積小，功耗低， 特別適用于訪問控制。

４．２

ＡＲＭ系統(tǒng)電路設(shè)計

ＡＲＭ系統(tǒng)電路，實現(xiàn)ＡＲＭ微控制器的基本功能，其硬件設(shè)計主要包括：電源電路、
復(fù)位電路、時鐘電路、存儲器接口等。 ４．２．１

ＡＲＭ系統(tǒng)電源設(shè)計

ＬＰＣ２２１４為降低功耗采用低壓供電方式，而且內(nèi)核電壓和Ｉ／Ｏ電壓分開供電，內(nèi)核電 壓采用＋１．８Ｖ，Ｉ／Ｏ電壓采用＋３．３ｖ。為進(jìn)一步降低功耗，系統(tǒng)設(shè)計中所采用的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、 串口通信接口芯片ＭＡＸ２３２、ＺＬＧ７２９０也用低壓＋３．３Ｖ電源供電，而放大器和數(shù)字程控增
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益的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器使用傳統(tǒng)的±５Ｖ電源供電，超聲波驅(qū)動電源采用＋１２Ｖ。所以系統(tǒng)共需要 五種電源。電源電路如圖４．２所示。 系統(tǒng)設(shè)計先通過ＬＭ２５７５實現(xiàn)對＋９ｖ供電電源進(jìn)行電壓變換，得§Ｕ＋５ｖ的電壓。然后 對＋５Ｖ電壓，一路使用１ＣＬ７６６０實現(xiàn)－５Ｖ系統(tǒng)電源，一路使用ＴＰＳ７３ＨＤ３１８實現(xiàn)＋３．３Ｖ和 ＋１．８Ｖ的系統(tǒng)電源。其中ＬＭ２５７５電路中穩(wěn)壓芯片的輸入端接入４７０ｕＦ，３５ｖ的電容，是為 了抵消輸入時的電感效應(yīng)，防止穩(wěn)壓塊產(chǎn)生自激振蕩，保證穩(wěn)壓塊正常工作ＩＩ“。穩(wěn)壓塊的 輸出端接的電容，用于改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。ＴＰＳ７３ＨＤ３１８可輸出兩路電壓，每路輸出 電流最高可達(dá)７５０ｍＡｔ“Ｊ，能夠滿足ＡＲＭ的電源需求。

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圖４－２系統(tǒng)電源電路

４．２．２復(fù)位及晶振電路
可靠性是系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。考慮系統(tǒng)工作環(huán)境可能帶來的系統(tǒng)死機等嚴(yán)重影響。 系統(tǒng)設(shè)計手動復(fù)位電路。由于ＡＲＭ芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低， 對電源的紋波、瞬態(tài)相應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等方面提出了更高的要 求。系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)位電路使用內(nèi)含２Ｋ位ＥＥＰＯＭ存儲器的電源監(jiān)控芯片ＣＡＴｌ０２５，能夠 實現(xiàn)系統(tǒng)按鍵復(fù)位。此外ＣＡＴｌ０２５還內(nèi)含１．６秒的看門狗定時器電路”“，能夠使系統(tǒng)在外 界干擾等“掛起”或程序跑丟而“終止”時復(fù)位到已知狀態(tài)。電路原理如圖４．３所示。 電路采用３．３Ｖ電源供電，當(dāng)手動按下按鍵ｓ１時，ＭＲ為低電平，ＲＥＳＥＴ輸出低電平． 觸發(fā)ＬＰＣ２２１４的復(fù)位管腳１３５使芯片復(fù)位，使Ｉ／Ｏ口和外圍功能恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，處理器從 地址０開始執(zhí)行。當(dāng)無按鍵時，ＭＲ保持高電平，ＲＥＳＥＴ輸出也保持高電平，不觸發(fā)芯片

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復(fù)位。

圖４－３系統(tǒng)復(fù)位電路圖

ＬＰＣ２２１４微控制器內(nèi)部振蕩電路支持ＩＭＨｚ～３０ＭＨｚ外部晶振，如果片內(nèi)ＰＬＬ系統(tǒng)或 引導(dǎo)裝載程序被使用，輸入時鐘頻率應(yīng)在１０ＭＨｚ～２５ＭＩ－Ｉｚ�？紤]系統(tǒng)功耗和不同工作模式 對時鐘的要求不同，設(shè)計采用較低的工作頻率１１．０５９２ＭＨｚ，通過外部晶振實現(xiàn)，電路如圖 ４－４所示。采用該頻率晶振的另一原因是串口波特率實現(xiàn)更方便且精確，同時能夠支持芯片 內(nèi)部的ＰＬＬ功能和ＩＳＰ功能。其中Ｃ４６、Ｃ４７選用２０ｐＦ的磁介電容，并聯(lián)１Ｍ歐姆的電阻 Ｒ４５，使晶振更容易起振，且振蕩頻率較穩(wěn)定。

圖４－４系統(tǒng)時鐘電路

４．２．３系統(tǒng)地址空間分配
為滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序存儲的需要，系統(tǒng)設(shè)計了外部存儲器。ＬＰＣ２２１４外部空間分配 由ｎＣＳ０～ｎＣＳ３控制實現(xiàn)。設(shè)計使用１６位數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的讀寫都采用２字節(jié) 為一個單元，所以ＬＰＣ２２１４的最低位地址線Ａ０不用于地址譯碼。系統(tǒng)外部器件地址分配 如下：ｎＣＳＯ片選ＳＳＴ３９ＶＦｌ６０（ＮＯＲ Ｆｌａｓｈ）地址空間：０ｘ８０００００００～０ｘ８０１ＦＦＦＦＦ；ｎＣＳｌ 片選Ｋ１８６４１６８６Ｃ（ＲＡＭ）地址空間：０ｘ８１００００００～０ｘ８１３ＦＦＦＦＦ；ｎＣＳ３和地址線Ａ２ｌ譯 碼片選Ｋ９Ｆ２８１６ＱＯＣ（ＮＡＮＤ
Ｆｌａｓｈ

Ｍｅｍｏｒｙ）地址空間：０ｘ８３２０００００。

系統(tǒng)中片外ＲＡＭ采用Ｋ１８６４１６８６Ｃｉｌ“，容量為４Ｍ＊１６Ｂｉｔ；片外ＦＬＡＳＨ，一個是ＳＳＴ

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公司的ＮＯＲ ＦＬＡＳＨ芯片ＳＳＴ３９ＶＦｌ６０Ｉｌ ７１，容量為１Ｍ＊１６Ｂｉｔ（存放移植ｕＣＬｍｕｘ時的 Ｂｏｏｌｏａｄｅｒ代碼），另一個是ＮＡＮＤ Ｆｌａｓｈ存儲器Ｋ９Ｆ２８１６ＱＯＣ［”Ｊ，容量為８Ｍ＊１６ｂｉｔ（存放 ｕＣＬｉｎｕｘ操作系統(tǒng)代碼和程序及數(shù)據(jù)）。電路如圖４．５所示。外部存儲器共用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總 線和地址總線，只是ＬＰＣ２２１４的地址線從Ａｌ開始，依次分別同外部存儲器的地址線Ａ０ 連接。寫控制信號１１ＷＥ來控制和讀控制信號ｎＯＥ與控制芯片的讀寫引腳直接相連。芯片 的選通信號按照上述系統(tǒng)地址空間分配中的分配方式進(jìn)行連接。其中為實現(xiàn)單字節(jié)的讀寫 ＲＡＭ芯片ＫＩＢ６４１６８６Ｃ，使用ｎＢＬＳ０（低８位Ｆ０ Ｅｌ使能端）和ｎＢＬＳＩ（高８位ｌ，ｏ口使 能端）進(jìn)行控制。ＬＰＣ２２１４對于ＮＡＮＤ
ＦＬＡＳＨ

Ｋ９Ｆ２８１６ＱＯＣ的控制，采用將地址線Ａ２０

與芯片的ＣＬＥ連接，Ａ１９與ＡＬＥ連接，所以，Ｋ９Ｆ２８１６ＱＯＣ的數(shù)據(jù)地址為０ｘ８３２０００００， 命令控制字為０ｘ８３３０００００；地址鎖存使能為０ｘ８３２８００００。

圖４＿５系統(tǒng)片外存儲器電路

４．３超聲波收發(fā)電路設(shè)計

４．３．１超聲波換能器特陛及選用
超聲波換能器（或稱為傳感器、探頭）是能將交流電信號轉(zhuǎn)換成機械振動而向介質(zhì)中輻 射（或發(fā)射）超聲波，或?qū)⒊晥鲋械臋C械振動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的裝置。超聲波換能 器按工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。本設(shè)計中采用最常用的壓電式換能 器完成高頻聲能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。壓電式換能器的核心是壓電材料。在受到壓力時，

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壓電陶瓷材料的表面會產(chǎn)生電荷，且電荷量與所加的作用力成正比，當(dāng)壓力捎失時電荷也 消失。 換能器正是利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)超聲波收發(fā)的。在接收超聲波時，壓電 材料接收到超聲波時將產(chǎn)生軸向交替的壓縮和拉伸形變，發(fā)生交替的極化，在兩端面上出 現(xiàn)符號相反的束縛電荷，將聲能轉(zhuǎn)換為電能即正壓電效應(yīng)；換能器在發(fā)射超聲波時，將適 當(dāng)?shù)慕蛔冸娦盘柺┘拥綁弘姴牧仙�，即將壓電材料置于交變電場中，壓電材料�?nèi)部電荷中 心發(fā)生偏移，對應(yīng)的宏觀表現(xiàn)為發(fā)生了形變，產(chǎn)生振動，便實現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)化為聲能，即負(fù) 壓電效應(yīng)ｌｌ…。 壓電換能器的阻抗特性和工作點：通常壓電換能器在諧振頻率附近的集總參量等效電 路如圖４．６Ａ所示。

１』
＾ Ｂ

圖４－６換能器等效電路國

其中．ｃＯ是靜態(tài)電容，是在壓電振子遠(yuǎn)離諧振頻率時的電容：Ｌ、ｃ和Ｒ分別是動態(tài)電 感、動態(tài)電容和動態(tài)電阻，它們分別是由壓電振子的質(zhì)量、機械順性和機械內(nèi)耗力阻折算 過來的等效電路參量。 換能器的等效電納：

】，＝Ｇ＋歸＝Ｇｌ＋＿，（島＋馬）

：，∞ｃｎ＋————三—一．
。 。

＝瓦而Ｒ＋ｊ［ａ，Ｃｏ一《耠】
Ｒ－Ｉ－／（ｃｏＬ一１，∞Ｃ、
式中Ｇ和Ｂ分別為換能器的等效電導(dǎo)和電納。 由上述換能器的等效電納公式可知，當(dāng)工＝ｌｌ（２７ｒＬＣ），Ｌ和Ｃ處于諧振狀態(tài)，動態(tài)支路 表現(xiàn)為純阻。即換能器處于串聯(lián)諧振。 在串聯(lián)諧振時，換能器的等效動態(tài)電感Ｌ和動態(tài)電容Ｃ諧振，電路中的Ｒ和Ｃｏ并聯(lián) 等效成Ｒ ７和Ｃ ７串聯(lián)電路如圖４．６Ｂ所示。此時通過給換能器串聯(lián)一個匹配電感，調(diào)節(jié)電

感使其與Ｃ’在頻率點Ｚ處諧振，則換能器和匹配電路組成的輸入端在頻率為Ｚ時表現(xiàn)為
純阻，消除換能器工作時的無功分量，提高換能器的工作效率。所以，串聯(lián)諧振用于發(fā)射 超聲波信號。當(dāng)換能器處于并聯(lián)諧振，通常用于接收超聲波信號。

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超聲波的發(fā)射與接收利用了壓電陶瓷的逆壓電教應(yīng)和正壓電效應(yīng)。超聲波發(fā)射電路設(shè)

計基本原理是在超聲波傳感器內(nèi)的壓電陶瓷上施加交變的電壓信號。超聲波信號接收利用
壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，當(dāng)超聲波接收換能器接收到來自發(fā)射換能器的超聲波信號時，如 果超聲波頻率與壓電陶瓷片固有頻率相等，則發(fā)生共振，壓電陶瓷兩端出現(xiàn)交變的電壓信 號。 由于超聲波的輻射特性與其振動頻率和換能器的輻射面積有關(guān)，頻率越高，波束越窄， 定向傳播和反射能力也就越強；輻射面積越大，超聲波的波束角就越小。頻率較低的超聲 波在空氣中耦合良好，超聲波在空氣介質(zhì)中傳播，頻率愈高，聲能被吸收衰減也愈大，聲

波的傳播距離就愈小；反之，聲波頻率愈低，聲能的吸收衰減也愈小，聲波的傳播距離就
愈大。 考慮上述因素，并兼顧系統(tǒng)設(shè)計重點、難點和開發(fā)效率，設(shè)計試驗性樣機忽略聲楔和 管壁厚度對超聲波輻射的影響，所咀，選用直接空氣耦臺式超聲波換能器ＴＣＴ４０－１６，其中 心頻率為４０ｋＨｚ，聲帶寬１．２ｋＨｚ，等效電容值為２０００ｐＦ，聲壓標(biāo)準(zhǔn)１０２ｄＢ ｒａｉｎ，接收靈敏 度．８５ｄＢ ｍｉｎ，是接收發(fā)射一體式換能器。

４．３．２發(fā)射電路設(shè)計
由上－－ｄ＂節(jié)的分析可知，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波信號，采用電感電容匹配電路 使換能器處于諧振時，壓電陶瓷產(chǎn)生足夠大的振動能量，發(fā)出大功率超聲波信號。由串聯(lián)

諧振公式確定ＬＣ諧振電路中的電感量。

工．：—乓
４

（２玎ｎ２ｃ

其中：，——超聲波中心頻率，廠＝４０ｋＨｚ Ｃ——超聲波傳感器等效電容量，Ｃ＝２０００ｐＦ
通過計算可知，構(gòu)成ＬＣ諧振電路的電感量為７．９２ｍＨ，考慮到實際中超聲波換能器中 心頻率不可能完全相等４０ｋＨｚ，換能器的等效電路參數(shù)隨工作條件和信號頻率的變化而變 化，且７．９２ｍＨ的電感不易購買，所以，對電感電容匹配電路進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)射匹配電路如

圖４．７所示．在電路中串聯(lián)匹配電睿ＣＡ，能夠使得電路在滿足Ｃ。＜＜（Ｃ＋Ｃｏ）的條件下，
降低Ｃｏ和Ｒ的改變，對等效電路總電抗的影響，而且匹配電路感性變化的幅度也大得多”ｏｌ。

圖４—７超聲波發(fā)射匹配電路

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在滿足選取條件，ＣＡ＜＜（ｃ＋Ｃｏ）和（２ｚｃｆ）２（Ｃ＋ｃｏ）２Ｒ２＜１０＿４的條件下，依據(jù)經(jīng)驗
值，選�。茫剑担悖铮剑保埃睿�，ＣＡ＝２２ｐＦ＜１／１００＂（ｃ＋ｃｏ），所以，此時匹配電感值經(jīng)過計算 為１．３２ｍＨ．在本系統(tǒng)中選用了電感量在０．１ｕＨ．３５ｍＨ范圍內(nèi)的可調(diào)電感作為諧振匹配電感， 通過調(diào)節(jié)電感量達(dá)到與超聲波換能器構(gòu)成諧振的要求。 超聲波發(fā)射電路中，需要給換能器高壓脈沖激勵才可以發(fā)射超聲波。電路設(shè)計用模擬 開關(guān)來切換發(fā)射信號，所以每一個換能器均設(shè)計了如圖４－８所示的發(fā)射電路。 從發(fā)射電路可知，當(dāng)Ｔ．０ｕＴ為低電平時，ＮＭＯＳ場效應(yīng)管ｑｌ截止，ＰＭＯＳ場效應(yīng)管Ｑ２的 Ｕ衢接近零電壓，Ｑ２截止，輸出低電平：當(dāng)Ｔ ＯＵＴ為高電平時，場效應(yīng)管Ｑ１導(dǎo)通，Ｑ２的柵 極經(jīng)過電阻Ｒ０１、Ｒ０２分得使Ｕ岱小于其一２Ｖ左右的門限電壓，從而Ｑ２導(dǎo)通，輸出高電平。 因此，可以通過Ｔ ＯＵＴ端來產(chǎn)生正向高壓脈沖以激勵換能器發(fā)射超聲波。

Ｔ

圖４—８超聲波發(fā)射電路

發(fā)射電路的其中一路控制端Ｔ ＯＵＴ，由ＬＰＣ２２１４的內(nèi)部定時器Ｔｉｍｅｌ產(chǎn)生的周期脈沖 輸出與ＰｗＭ４匹配輸出相與給出，實現(xiàn)周期性的控制發(fā)射電路并提供發(fā)射換能器所需頻率的 脈沖信號。發(fā)射電路中的高壓由ＭＡＸ６３２升壓芯片提供，以驅(qū)動超聲波發(fā)射電路工作。ＭＡＸ６３２ 電路連接簡單，功耗低【２１Ｉ，能夠滿足電路工作的要求．設(shè)計電路如圖４－９所示。

圖４－９升壓電路
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４．３．３超聲波接收電路
接收電路的作用是將接收換能器所接收的超聲振動轉(zhuǎn)換為微弱電信號進(jìn)行適當(dāng)放大等 處理，以滿足后繼的調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路工作需要。由于壓電材料的換能器輸出阻抗較高，因 此換能器接收到信號以后，需要通過阻抗變換與接收電路較好匹配，才能更好提高接收電 路對信號的識別和處理能力。 實際超聲波在傳輸過程中會受傳輸距離影響會發(fā)生信號能量衰減，受到外界環(huán)境噪聲 及電路噪聲、電源噪聲等干擾會使接收信號疊加噪聲等。基于上述原因，電路設(shè)計充分考 慮以下幾點：第一，換能器輸出與放大電路應(yīng)滿足最佳匹配，使電路接收靈敏度最高；第 二，放大器應(yīng)有較大的增益，能夠?qū)ⅲ恚黾壍奈⑷踅邮招盘�，放大到合適范圍，同時信號 的動態(tài)范圍很大；第三，放大器有足夠的帶寬，讓有用信號通過；第四，放大器要具有較 低的噪聲且能夠抑制一定的電路噪聲。所以，設(shè)計需要對接收到的較為微弱接收信號進(jìn)行 放火等處理，以方便以后的流量計量。接收電路設(shè)計如圖４—１０所示。

Ｌ

＾ ＩＩＲ０４
Ｙ

一
一

Ｄ１

Ｄ２

【】 匕

圖４—１０接收電路

由于本系統(tǒng)中超聲波換能器是收發(fā)一體式換能器，換能器不僅與發(fā)射驅(qū)動電路相連， 也與接收電路相連，在進(jìn)行接收超聲信號時，發(fā)射信號不可避免地進(jìn)入接收電路，由于其 幅度遠(yuǎn)大于接收信號，所以，會對接收信號的處理將造成很大影響。信號接收電路采用并 聯(lián)限幅電路田Ｊ。設(shè)計中，引入限流電阻及二極管把輸入電壓限制在０．３Ｖ以內(nèi)，接收信號中 夾雜的發(fā)射信號幅值受到了抑制，而峰峰值較小的接收信號可以在輸出端順利得到。后繼 接收電路采用精密集成運算放大器，實現(xiàn)換能器接收機信號處理電路之間的阻抗匹配。
Ｕｌ ０

圈４－１１模擬通道屯源控制電路
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超聲波發(fā)射與接收之間的功能切換通過控制電路實現(xiàn)，接收電路的開啟與關(guān)閉通過帶 有控制端的電源穩(wěn)壓芯片完成。當(dāng)換能器用作接收器工作時，ＡＲＩ控制器控制發(fā)射控制端
Ｔ

ＯＵＴ保持為低電平，不對換能器施加脈沖信號，此時開啟與換能器相連的接收通路的放

大器供電電源：當(dāng)換能器用于發(fā)射信號時，關(guān)閉其接收通路的放大器供電電源。其中一路 放大器的供電電源控制如圖４－１１所示，ＭＩＣ５２０７—５芯片的使能控制信號ＣＲ＿２由ＡＲＭ微控 制器控制給出，。此種方案將系統(tǒng)電源穩(wěn)壓田１對模擬通道接收放大器供電，控制收發(fā)的切換， 消除了采用模擬開關(guān)等器件可能帶來的開關(guān)信號干擾，且能夠降低系統(tǒng)的功耗。 超聲波換能器在進(jìn)行收發(fā)切換時，考慮到發(fā)射電路的高電壓交變會造成電路中電壓或 電流信號的振蕩，這種振蕩信號的振蕩頻率與超聲波頻率很接近，所以，如果將此干擾信 號引入后面的模擬信號處理電路可能造成很大的測量誤差。由于，這種振蕩干擾信號隨發(fā) 射脈沖群信號的發(fā)出而產(chǎn)生，且在較短的時間內(nèi)持續(xù)存在，所以，為盡可能的降低和消除 由于發(fā)射電路可能引起的對接收電路的干擾，在發(fā)射脈沖控制發(fā)射換能器進(jìn)行信號輸出前， 應(yīng)關(guān)閉該換能器的接收模擬通路，經(jīng)過短暫延時，在干擾信號消失后，再打開另一換能器 的接收模擬通路電源，開啟接收電路，實現(xiàn)對有效信號進(jìn)行接收處理。

４．３．４信號調(diào)理電路
調(diào)理模塊采用三級信號處理模式。第一級前置預(yù)放大級，首先對超聲波接收電路輸出 的幅值很小有效信號進(jìn)行預(yù)放大濾波處理。采用高速低輸入噪聲精密儀用放大器ＯＰ３，其 增益帶寬積大于４０ＭｔｔｚＥ”】，能夠滿足對４０ｋＨｚ頻率的超聲信號進(jìn)行２０倍的初步放大預(yù)處理。 電路如圖４—１２所示。信號放大的倍數(shù)由電阻Ｒ０１７和Ｒ０１６決定。為使接收到得信號能夠 在放大器線性范圍內(nèi)進(jìn)行放大，在運算放大器的調(diào)零端接入一個２５Ｋ的電位器，對放大器 進(jìn)行調(diào)節(jié)。

Ｃ０

ｎＥ生衛(wèi)——＿Ｊ

圖４一１２前置預(yù)放大電路

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第二級數(shù)字程控主放大級。本級電路完成對信號的中心放大功能。為滿足不同環(huán)境條 件下系統(tǒng)抗干擾能力的智能化，實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的超聲波信號輸入，系統(tǒng)設(shè)計可依據(jù)采集 現(xiàn)場狀況自動調(diào)節(jié)信號放大增益�？紤]系統(tǒng)設(shè)計成本，由于專用程控集成放大器價格較昂

貴，且程控增益值較少，數(shù)字程控放大采用０Ｐ３７和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器］）ＡＣ０８３０實現(xiàn)，電路如圖
４—１３所示。

程控數(shù)字宣＇
圖４—１３數(shù)字程控放大電路

數(shù)字程控放大的原理：放大電路利用ＤＡＣ０８３０內(nèi)部精密光刻Ｒ－２Ｒ電阻網(wǎng)絡(luò)１２５］構(gòu)成放 大器０Ｐ３７的輸入和反饋電阻。ＤＡＣ０８３０內(nèi)部Ｒ一２Ｒ電阻網(wǎng)絡(luò)如圖４—１４所示。由于ＤＡＣ０８３０ 采用高穩(wěn)定度薄膜電阻構(gòu)成Ｒ－２Ｒ反向梯形網(wǎng)絡(luò)，并采用數(shù)字型Ｎ溝道電流控制開關(guān)控制 ＯＵＴＩ和ｏＵＴ２管腳的電流輸出，且滿足：Ｉ”ｔ＝（Ｖ，ｏ＃Ｒ）?（Ｄ／２”），所以．程控電路的增益

Ａ＝—Ｕ０。以Ｊ．。一２８／ｏ＝一２５６／Ｄ。增益可由程控數(shù)字量輸入Ｄ（可取值范圍為１～２Ｌ１）進(jìn)行數(shù)字
調(diào)節(jié)，并擴大了增益范圍。其中Ｎ為轉(zhuǎn)換器位數(shù)，Ｒ為內(nèi)部Ｒ一２Ｒ梯形網(wǎng)絡(luò)電阻。程控電路 實際的增益值，通過后續(xù)處理電路中的比較器，基于比較狀況由主控制器ＬＰＣ２２１４給定。

加Ｔ２
ｏＩＴＴｌ Ｒｉｂ

圖４—１４ ＤＡＣ０８３０內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

第三級電壓提升電路。信號經(jīng)數(shù)字程控放大后，依然是交流信號，所以，為實現(xiàn)系統(tǒng) 數(shù)字信號處理，需要對調(diào)理后信號進(jìn)行Ａ／ｏ轉(zhuǎn)換。根據(jù)選用的ＭＤ轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計要求， 對信號進(jìn)行電壓提升，設(shè)計的電壓提升電路采用加法電路。設(shè)計電路如圖４－１５所示。

２ｌ

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圖４—１５電壓提升電路

接收信號經(jīng)過調(diào)理電路的三級處理，一般情況下能夠滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。為確保調(diào) 理后信號有較好的幅值特性，同時也信號電平范圍在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的允許范圍內(nèi)，設(shè)計采用 ＬＭ３９３比較電路１２６’對調(diào)理后的信號電平進(jìn)行預(yù)先測量。電壓比較電路如圖４—１６所示。比較 電路，將調(diào)理后電壓限定在可以接受的允許范圍內(nèi)，并為數(shù)字程控放大電路提供了放大倍 數(shù)控制的依據(jù)，同時也為在較接近接收信號前沿啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供了可行的時間參考。

圖４—１６電壓比較電路

４．３．５

Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路

超聲波接收信號的數(shù)字化處理由ＡＲＭ芯片ＬＰＣ２２１４完成，而實現(xiàn)接收信息的量化，需 要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

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考慮到數(shù)字信號處理中，保證信號的波形盡可能的完整，信號采樣應(yīng)達(dá)到足夠的分辨 率；同時考慮到信號處理的時間限制、數(shù)據(jù)量的大小和Ａ／Ｏ芯片的價格等要素，并結(jié)合 ＬＰＣ２２１４的信息處理能力，設(shè)計采樣率初定為ＩＯＭＳＰＳ，選用低功耗８位模數(shù)轉(zhuǎn)換器
ＴＬＶ５５１０ｐ

７１，以ＩＯＭＳＰＳ對接收信號進(jìn)行量化。對于４０ｋＨｚ的超聲接收信號，每個周期的量

化點數(shù)為：１０Ｍ／４０ｋ＝２５０�？紤]到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率和產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可能對系統(tǒng)造成的影響，系統(tǒng) 將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)經(jīng)１６３８４ｘ９ｂｉｔ的ＦＩＦＯ ＩＤＴ７２０６Ｌ３５緩沖¨”后再交給ＬＰＣ２２１４，以降低對主 控制芯片的實時性要求。采用１６Ｋ存儲單元的ＦＩＦＯ，一次至少可以暫存６４個周期的數(shù)據(jù)， 能夠滿足系統(tǒng)要求。為防止園Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率與ＬＰＣ２２１４的讀外部數(shù)據(jù)速率存在差異 可能造成的數(shù)據(jù)丟失或混疊，保證轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，此部分需要Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時鐘和 ＦＩＦＯ寫時鐘嚴(yán)格同步。電路設(shè)計由ＬＰＣ２２１４統(tǒng)一控制，ＴＬＶ５５１０和ＩＤＴ７２０６Ｌ３５的電路連 接如圖４－１７所示。

圖４—１７ Ａ／Ｄ與ＦＩＦＯ接口電路

為實現(xiàn)將數(shù)據(jù)精確的從Ａ／Ｄ時鐘域同步到主控制器ＬＰＣ２２１４的時鐘域，滿足ＴＬＶ５５１０ 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)實時接收的需要，并實現(xiàn)完整且及時的讀取已轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。設(shè)計將ＩＤＴ７２０６的寫面 控制端與ＴＬＶ５５１０轉(zhuǎn)換時鐘ＣＬＫ采用同頻時鐘，并利用ＩＤＴ７２０６豐富的狀態(tài)標(biāo)識（空ＥＦ、 滿ＦＦ、半滿ＨＦ），在一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后以中斷方式通知主控制器ＬＰＣ２２１４進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)ＩＤＴ７２０６到ＬＰＣ２２１４的數(shù)據(jù)傳輸同步�？紤]到ＴＬＶ５５１０輸入輸出存在約４個時鐘周期 的延遲，所以在從ＦＩＦＯ中讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時應(yīng)舍去前４個無效數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)精確定位采集數(shù) 據(jù)的開始和結(jié)束點。

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４．４系統(tǒng)外圍電路設(shè)計

４．４．１人機接口
系統(tǒng)采用矩陣式鍵盤和ＬＣＤ顯示實現(xiàn)人機交互。用戶通過鍵盤對完成流量計測量參數(shù) 設(shè)置和相關(guān)的系統(tǒng)操作與控制。設(shè)計采用具有１２Ｃ總線接口的ＺＬＧ７２９０進(jìn)行鍵盤掃描，該

芯片采用３．３Ｖ電源供電㈣。
設(shè)計將ＺＬＧ７２９０中斷輸出信號與ＬＰＣ２２１４的外部中斷引腳Ｅ１ＮＴ３相連，當(dāng)有按鍵按 下時，ＺＬＧ７２９０通過中斷通知主芯片。芯片復(fù)位引腳ＲＥＳ與系統(tǒng)的復(fù)位信號直接相連，即 在系統(tǒng)上電復(fù)位或手動復(fù)位時，ＺＬＧ７２９也不同時復(fù)位。按鍵信息使用１２ｃ接口與微控制器 ＬＰＣ２２１４進(jìn)行交互。鍵盤電路設(shè)如圖４—１８所示。

圖４—１８系統(tǒng)鍵盤電路

系統(tǒng)信息顯示采用點陣圖形液晶模塊ＴＧ２４０１２８實現(xiàn)。液晶顯示模塊（ＬＣＭ）的邏輯 電平與ＡＲＭ系統(tǒng)的＋３．３ｖ電平相符，所以無需進(jìn)行電平變換ｐ”Ｉ。考慮到顯示模塊工作電 源是＋５Ｖ而ＬＰＣ２２１４是十３．３Ｖ系統(tǒng)，所以在總線上串接４７０歐姆的保護(hù)電阻進(jìn)行連接。模 塊沒有地址總線，其顯示地址和顯示數(shù)據(jù)均通過ＤＢ０～ＤＢ７口實現(xiàn)，ＬＰＣ２２１４通過Ａ１引腳 控制模塊處理命令／數(shù)據(jù)（ｃ／Ｄ）。此種連接方式ＬＰＣ２２１４可以使用１６位總線對圖形液晶模 塊進(jìn)行操作。ＬＣＤ模塊的讀寫控制引腳由ＬＰＣ２２１４直接控制給出。片選由ｎＣＳ３和Ａ２３ 譯碼產(chǎn)生，當(dāng)ｎＣＳ３＝１，Ａ２３＝Ｉ時，ＬＣＤ被選中，并通過ＡＩ對命令和地址進(jìn)行譯碼．所 以ＬＣＤ數(shù)據(jù)地址為０ｘ８３８０００００，命令為０ｘ８３８００００２。模塊的ＬＥＤ背光等由Ｐ１．２２引腳通 過ＮＰＮ型三極管進(jìn)行控制，當(dāng)控制引腳為高電平時，背光燈點亮，為低電平時，背光燈熄
２４

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滅�？烧{(diào)電阻Ｗ５０用來調(diào)節(jié)液晶顯示的對比度。點陣圖形液晶模塊ＴＧ２４０１２８的數(shù)據(jù)傳輸、 命令控制，狀態(tài)讀取接口電路如圖４—１９所示。

圖４—１９

Ｌ∞顯示接口電路

４．４．２

ｄＴＡＧ仿真調(diào)試接口
ｔｅｓｔ ａｃｔｉｏｎ

ＪＴＡＧ（ｊｏｉｎｔ

ｇｒｏｕｐ，聯(lián)合測試行動小組）作為１ＥＥＥ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，主要用于芯

片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。Ｊ１ＡＧ技術(shù)在芯片內(nèi)部封裝專門的測試電路ＴＡＰ（Ｔｅｓｔ
Ａｃｃｅｓｓ

Ｐｏｒｔ，測試訪問口），通過ＪＴＡＧ［１，，１－接專用測試工具可對芯片內(nèi)部器件的運行狀態(tài)

進(jìn)行跟蹤、測試和訪問。ＪＴＡＧ仿真結(jié)果與真實的運行環(huán)境更為接近，調(diào)試程序在目標(biāo)板上 執(zhí)行，仿真更接近于目標(biāo)硬件。ＪＴＡＧ連接方便，價格相對便宜，是～種簡潔高效的開發(fā)調(diào) 試嵌入式系統(tǒng)的方法”“。各管腳功能說明如下表。
表４－１

ＪＴＡＧ管腳功能說明

引腳名稱
１３ＴＲＳＴ ＴＤＩ

輸入／輸出（Ｉ／Ｏ）
Ｉ ｌ Ｉ Ｉ ０ Ｏ

ＰＩＮ描述 ＪＴＡＧ異步復(fù)位輸入 測試數(shù)據(jù)輸入 測試模式選擇 測試時鐘 返回的測試時鐘輸出 測試數(shù)據(jù)輸出

ＴＭＳ
ＴＣＫ ＲＴＣＫ ＴＤＯ

設(shè)計采用ＡＲＭ公司提出的標(biāo)準(zhǔn)２０腳ＪＴＡＧ仿真調(diào)試接口。ＪＴＡＧ信號與ＬＰＣ２２１４的 連接屯路如圖４．２０所示。ＴＡＧ接口上的信號ｎＴＲＳＴ與ＬＰＣ２２１４的Ｐ１．３ｌ引腳連接。以便 控制ＬＰＣ２２１４使得其內(nèi)部的ＪＴＡＧ接口電路的復(fù)位。在ＲＴＣＫ引腳上接一個４．７ｋ歐姆的下 拉電阻，使得系統(tǒng)復(fù)位后ＬＰＣ２２１４內(nèi)部ＪＴＡＧ接口使能，以便直接進(jìn)行ＪＴＡＧ仿真調(diào)試【３２】。

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：ｏ ｏ Ｐｌ ２９ ＴＣＫ

Ｐｌ ２６丑ＴＣＫ

１５２ ７Ｋ

ｏ，：，，¨＂＂ ”

ｏ¨¨Ｍ¨¨加

圖４—２０

ＪＴ＾Ｇ接口電路

４．４．３溫度測量和報警電路
溫度測量電路如圖４－２１Ａ所示，采用１２ｃ接口的溫度傳感器集成電路模塊ＬＭ７５，可測 量溫度范圍．５５。Ｃ～１２５。Ｃ，測量精度為：０．５。Ｃ。ＬＭ７５直接將測量的溫度轉(zhuǎn)換成了數(shù) 字量【３…，簡化了系統(tǒng)控制器的信息處理。設(shè)計ＬＭ７５工作電源電壓為３．３Ｖ（滿足電源電壓 范圍３．０ｖ～５．５Ｖ），與復(fù)位控制芯片ＣＡＴｌ０２５同掛到一條１２ｃ總線上。因為系統(tǒng)僅使用一 片ＬＭ７５器件，所以將芯片的選擇引腳Ａ０～Ａ２接地，其地址為０ｘ９０。由于ＬＭ７５的Ｏ．ｓ． 溫度超限輸出引腳是開漏輸出，所以將該引腳通過１０Ｋ的電阻上拉。 當(dāng)檢測溫度超過由控制器對ＬＭ７５設(shè)定的穩(wěn)定范圍時，超限輸出Ｏ．Ｓ．輸出為低電平， 中斷觸發(fā)微控制器進(jìn)行溫度超限報警。報警電路采用ＰＮＰ三極管進(jìn)行驅(qū)動，電路如圖４．２ｌ

Ｂ所示。當(dāng)報警控制信號ＰＷＦ為低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴：當(dāng)輸出為高電平時，
三極管截止，蜂嗚器停止蜂鳴。此種連接方式，由主控制器通過軟件編程判別、控制報警 蜂鳴器的開和關(guān)，軟件控制方式靈活方便。

＾

Ｂ

圖４—２ｌ溫度測量和報警電路

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４．４．４串行通信接口
系統(tǒng)設(shè)計了通信接口電路，方便與上位機或其他設(shè)備進(jìn)行信息交換。ＬＰＣ２２１４包含２ 個ＵＡＲＴ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＡｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＲｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄＴｒａｎｓｍｉａｅｒ，通用異步收發(fā)器）。ＵＡＲＴｌ包含 完全的調(diào)制解調(diào)器握手接口，ＵＡＲＴ０只有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)線。它們都內(nèi)置波特率發(fā)生器， 包含１６字節(jié)收發(fā)ＦＩＦＯ，接收器ＦＩＦＯ觸發(fā)點可為１，４，８和１４字節(jié)，寄存器符合１６Ｃ５５０ 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計選用ＵＡＲＴ０接口作為系統(tǒng)的串行通信接口。
ＶＤＤ３ ３

／ｏ ｌ

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Ｏ

書翟■

Ｃ１＋ Ｃ１． －７２＋
Ｃ２．

ＶＣＣ Ｖ｛
Ｖ． ＧＮＤ Ｔ兒Ｎ

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圖４—２２

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ＴｘＤ０ ＲｘＤＯ

＼Ｏ－
Ｕ冉Ｒ１Ｄ｜＝ｆ

Ｒ２砒船０Ⅵ ｌ她Ｘ２３２

ＲＳ２３２電平轉(zhuǎn)換電路

串行通信采用ＲＳ２３２－ｃ標(biāo)準(zhǔn)，美國電子工業(yè)協(xié)會（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，ＨＡ） 把ＲＳ２３２－Ｃ定義為：“在數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備之間使用串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換的接 口”。ＲＳ２３２．Ｃ標(biāo)準(zhǔn)是一種硬件協(xié)議，用于連接ＤＴＥ（Ｄａｔａ 和ＤＣＥ（Ｄａｔａ
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｔｅｒｍｉｎａｌ

Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，數(shù)據(jù)終端設(shè)備）

Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，數(shù)據(jù)通信設(shè)備）兩種設(shè)備。協(xié)議采用的是負(fù)邏輯

電平方式，－５ｖ～．１５Ｖ對應(yīng)邏輯…１，＋５Ｖ～＋１５Ｖ對應(yīng)邏輯“０”。而對應(yīng)３．３Ｖ的ＬＰＣ２２１４
系統(tǒng)其接口符合Ｌ、，１ＹｒＬ標(biāo)準(zhǔn)：邏輯“ｌ”對應(yīng)２ｖ～３．３Ｖ，邏輯…０’對應(yīng)０ｖ～Ｏ．４Ｖ。所
以使用ＭＡＸ２３２進(jìn)行ＲＳ２３２電平轉(zhuǎn)換［３４］０ＲＳ２３２，ｃ標(biāo)準(zhǔn)定義了９針和２５針兩種Ｄ型插頭， 本系統(tǒng)采用的是較常用的９針插頭，方便以后與上位機通信。由于ＬＰＣ２２１４對ＵＡＲＴ０僅 提供了收發(fā)數(shù)據(jù)線，所以設(shè)計只需要連接ＲＸＤ、ＴＸＤ和ＧＮＤ到輸出口，簡化了電路設(shè)計。 電路連接如圖４．２２所示。

４．４．５以太網(wǎng)接口
網(wǎng)絡(luò)接口用于設(shè)計時的程序調(diào)試下載及數(shù)據(jù)通信。由于ＬＰＣ２２１４沒有集成片內(nèi)以太網(wǎng) 通信接口，選用臺灣ＤＡＶＩＣＯＭ公司的低壓＋３．３ｖ供電以太網(wǎng)接口芯片ＤＭ９０００Ａ，它支持
ＭＩＩ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＩＥＥＥＳ０２．３ｕ／ｘ，１０／１００ ＰＨＹ’８／１６接Ｅｌ，支持Ａｕｔｏ ＭＤＩ—Ｘ等功能，內(nèi)嵌１６ＫＢ

ＳＲＡＭ用于收，發(fā)緩沖㈨。

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圖４—２３網(wǎng)絡(luò)接口電路

網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計如圖４．２３所示，ＤＭ９０００Ａ的數(shù)據(jù)線ＳＤ０～ＳＤｌ５與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線直 接相連，讀寫控制信號分別與ＬＰＣ２２１４的ｎＯＥ和ａＷＥ引腳連接，片選端ｎＣＳ ＮＥＴ由ｎＣＳ３ 引腳和Ａ２２經(jīng)譯碼給出，片選地址為０ｘ８３４０００００。ＥＥＣＳ接低電平，設(shè)置數(shù)據(jù)總線寬度為 １６ｂｉｔ。數(shù)據(jù)命令選擇引腳由Ａ１控制，當(dāng)ＡＩ為高電平時訪問數(shù)據(jù)端口，為低電平時為內(nèi)部 寄存器地址輸入口。中斷信號ＩＮＴ連接控制器外部中斷３輸入引腳ＰＯ．２０。ＴＸＯ＋，ＴＸＯ－， ＲｘＩ＋，ＲＸＩ．?dāng)?shù)據(jù)線通過ＨＲ９０１１７０Ａ連至Ｉｕ４５以太網(wǎng)接口。 ４．４．６

ＵＳＢ接口

ＵＳＢ總線用于ＵＳＢ設(shè)備與主機之間高速、可靠數(shù)據(jù)傳輸。ＵＳＢ支持的數(shù)據(jù)傳速率有 低速１．５Ｍｂｐｓ，全速１２Ｍｂｐｓ，高速４８０Ｍｂｐｓ。系統(tǒng)集成了ＵＳＢ接口以滿足大批量數(shù)據(jù)傳 輸?shù)男乱�，如：�?shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)信息打印等。

圖４—２４ ＵＳＢ接口電路

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系統(tǒng)設(shè)計采用帶并行總線的接口芯片ＰＤＩＵＳＢＤｌ２，設(shè)計系統(tǒng)為ＵＳＢ設(shè)備。電路連接 如圖４．２４所示。芯片ＰＤＩＵＳＢＤｌ２的片選信號ｎＣＳ Ｕ由ＬＰＣ２２１４的ｎＣＳ２控制給出。命令 數(shù)據(jù)切換控制引腳ＡＤＯ由ＬＰＣ２２１４的地址線Ａ０控制，所以接口的數(shù)據(jù)地址為０ｘ８２００００００， 命令地址為０ｘ８２０００００１。當(dāng)ＬＰＣ２２１４的Ａ０為０時，總線Ｄ０～Ｄ７上為數(shù)據(jù)，當(dāng)Ａ０引腳 輸出Ｉ時，總線上為命令。

４．５硬件抗干擾設(shè)計
由于系統(tǒng)中包含數(shù)字電路和模擬電路，進(jìn)行ＰＣＢ設(shè)計時應(yīng)注意電路間的抗干擾處理， 降低器件間的電磁干擾。為保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的運行，根據(jù)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種干 擾，設(shè)計時主要從以下幾個方面增強系統(tǒng)抗干擾措施。 １．模塊化設(shè)計 將模擬電路和數(shù)字電路在電路板中劃分為不同的兩個區(qū)域。數(shù)字器件和模擬器件，數(shù) 字信號線和模擬信號線，分開布放。系統(tǒng)中，盡可能的將存儲器等遠(yuǎn)離模擬器件。品振電 路盡量和芯片器件靠近，降低晶振可能產(chǎn)生的影響。對于未使用的易受干擾的引腳，采用 上拉或下拉處理，以保證系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定，默認(rèn)為輸入的引腳拉高或拉低，以降低功耗， 默認(rèn)是輸出的引腳，可懸空。 ２．電源抗干擾設(shè)計 電源濾波和退耦是電源抗干擾的主要措施。電源穩(wěn)壓單元電路中采用大容量電解電容 減少高頻干擾進(jìn)入電源系統(tǒng)，同時為避免數(shù)字電路和模擬電路使用同一電源，采用電感將 模擬電源和數(shù)字電源相互隔離，降低數(shù)字電路高頻開關(guān)噪聲通過電源對模擬電路的影響。 ３．地線抗干擾 為了降低系統(tǒng)中多種地線（模擬地，信號地，電源地，數(shù)字地）問的干擾，采用模塊 分區(qū)“一點接地”處理原則，不同種類的地線自成體系．然后在電源的輸入處一點接地。 ４．配置去耦電容 系統(tǒng)中高頻芯片的電源輸入端引入去高頻電容。電源和地，在電源和地之間分布合理 的電容，濾除開關(guān)噪聲等干擾，在電源端引入大容量電解電容去低頻。 ５．重要信號線的特殊處理 電源線和地線加粗處理降低電路板走線參數(shù)等的影響。對重要的調(diào)理信號線和模數(shù)轉(zhuǎn) 換、ＦＩＦＯ電路實施地線包圍措施。 此外，為適應(yīng)系統(tǒng)小尺寸的需要，大多數(shù)芯片采用貼片式封裝，布線采用最短路徑優(yōu) 先規(guī)則，手動和自動布線相結(jié)合方式。

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第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件是系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)功能依靠軟件控制實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件建立在硬件基礎(chǔ)之上，且 與硬件電路緊密相連，所以，系統(tǒng)軟件設(shè)計參照硬件電路采用模塊劃分的方法實現(xiàn)。ＡＲＭ 微控制器功能的優(yōu)勢在于對操作系統(tǒng)的支持。系統(tǒng)軟件設(shè)計建立在ｕＣｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)平臺 上實現(xiàn)。

５．１軟件總體方案
系統(tǒng)軟件總體上可分為三大模塊：超聲波收發(fā)模塊、通信模塊、控制模塊。超聲波收 發(fā)模塊主要完成信號的收發(fā)的控制。通信模塊主要完成數(shù)據(jù)的通信交互和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存，涉 及到通信接口芯片驅(qū)動編程和程序調(diào)用等。控制模塊主要完成人機交互系統(tǒng)的實現(xiàn)、各硬 件模塊的調(diào)配控制、接收信號中第一周期波前沿的到達(dá)時間的判斷等。其中接收波前沿的 準(zhǔn)確判斷相對比較困難，需要采用信號處理方法，通過數(shù)學(xué)工具在時域上對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理。 可見，此種方案設(shè)計的系統(tǒng)是一個多任務(wù)實時系統(tǒng)，無論從系統(tǒng)實際的性能需要，還 是從ＳＯＣ技術(shù)發(fā)展的主流來看，嵌入式操作系統(tǒng)的引入是必須的。這樣可以直接提高系統(tǒng) 在多任務(wù)應(yīng)用下的工作效率和響應(yīng)速度ｐｑ。 由于基于ＡＲＭ７ＴＤＭＩ核的微控制器ＬＰＣ２２１４沒有硬件ＭＭＵ模塊，而ｕＣｌｉｎｕｘ操作 系統(tǒng)針對嵌入式系統(tǒng)特點，在標(biāo)準(zhǔn)Ｌｉｎｕｘ基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)減裁形成的代碼緊湊且高度優(yōu)化 的ＬｉｎｔＬｘ，適用于沒有ＭＭＣ的ＣＰＵ，且ｕＣＬｉｎｕｘ完全符合ＧＵＮ／ＧＰＬ公約，代碼開放， 沿襲了主流Ｌｉｎｕｘ的絕大部分特性和優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、完備 的對文件系統(tǒng)的支持以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的ＡＰＩ等ｐ”。

５．２

ＬＰＣ２２１４啟動代碼設(shè)計
ＬＰＣ２２１４中多數(shù)硬件功能模塊可軟件編程配置，通過軟件設(shè)置其需要的工作狀態(tài)。因

此在微控制器進(jìn)入操作系統(tǒng)控制之前，需要通過直接面向微控制器內(nèi)核和硬件控制器的啟 動代碼完成對系統(tǒng)的初始化ｐ“。啟動代碼一般用匯編語言實現(xiàn)。包括：異常向量表定義、 堆棧初始化、系統(tǒng)變量初始化、中斷系統(tǒng)初始化、Ｉ／Ｏ初始化、外圍器件初始化、地址重映 射等操作。 同其它嵌入式系統(tǒng)類似．啟動代碼完成ＬＰＣ２２１４器件的初始化后，便從匯編程序語言 跳轉(zhuǎn)至Ｃ語言程序ｐｗ。而系統(tǒng)器件的控制，由高級語言實現(xiàn)。由于ＬＰＣ２２１４支持異常向量

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表重映射功能，所以，要設(shè)置外部硬件ＢＯＯＴｌ：０引腳和存儲器映射寄存器ＭＥＭＭＡＰ控 制中斷向量表的來源，實現(xiàn)不同操作模式下依照應(yīng)用需要使用中斷，且無需考慮中斷處理 代碼空間的邊界等。芯片ＬＰＣ２２１４上電復(fù)位，默認(rèn)ＭＥＭＭＡＰ＝０，運行片內(nèi)固化的ＢＯＯＴ

程序，ＢＯＯＴ程序根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置ＭＥＭＭＡＰ值進(jìn)行中斷向量地址映射，并跳轉(zhuǎn)到中斷
向量表復(fù)位入口地址０ｘ００００００００，然后進(jìn)入啟動代碼。ＬＰＣ２２１４典型的啟動代碼流程如圖 ５．１所示。

圖５－１

ＬＰＣ２２１４啟動代ｉ馬路程

（１）中斷異常向量表定義 異常向量表定義了ＬＰＣ２２１４中每個異常事件和相應(yīng)的處理程序之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)異 常發(fā)生時，硬件強制ＰＣ指針指向向量表中相應(yīng)的異常，以便實現(xiàn)異常處理。ＬＰＣ２２１４中 斷向量表位于從地址０開始的連續(xù)８＊４字節(jié)的存儲空間，每個異常占用１個字（３２ｂｉｔ），也 就是４字節(jié)的存儲空間，共可定義７種異常，其中１個字用于作為ＢＯＯＴ程序判斷用戶程 序是否有效的標(biāo)志。即當(dāng)向量標(biāo)志所有數(shù)據(jù)３２位累加和為０時，用戶程序有效。所以在７ 種異常定義好后，通過查看編譯后的向量表存儲空間中所有３２位命令控制字，計算并設(shè)置 好標(biāo)志字，芯片復(fù)位后才能脫機運行用戶程序。 （２）初始化外部總線控制器 根據(jù)系統(tǒng)使用的ＬＰＣ２２ １４片內(nèi)外設(shè)和管腳連接形式，設(shè)置管腳的連接控制方式。外部 總線控制器的初始化．完成對外部存儲器組控制的設(shè)置。其中包括選用的存儲芯片的位寬， 讀寫訪問時序等。由于一般系統(tǒng)的運行速度瓶頸在于對存儲器的訪問，所以存儲器訪問時 序設(shè)置關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。按照１６ｂｉｔ系統(tǒng)的位寬，設(shè)置存儲器組控制寄存器 的總線線寬度控制位ＭＷ＝０１，此時地址線Ａ０可用作非地址線。 （３）初始化各模式下的堆�？臻g ＬＰＣ２２１４支持７種運行模式，可以很好的支持操作系統(tǒng)并提高工作效率。除用戶模式 外的其他六種特權(quán)模式都有獨立的ｓＰ（堆棧指針寄存器）。因此，啟動程序需要對用到各種

模式分配堆�？臻g，并賦予ｓＰ一定的初始地址值。堆�？臻g分配的實現(xiàn)方法是：由系統(tǒng)復(fù)

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位后默認(rèn)工作的管理模式．改變處理器程序狀態(tài)寄存器中的模式位，切換到其他五種異常
模式，并對ｓＰ賦值。因為Ｕｓｅｒ模式和系統(tǒng)模式有相同的ｓＰ，且Ｕｓｅｒ模式不能直接操作 ＣＰＳＲ，所以，用戶模式的堆�？臻g，可在系統(tǒng)模式下進(jìn)行分配。 （４）初始化各部分的時鐘 ＬＰＣ２２１４內(nèi)核可通過內(nèi)部鎖相環(huán)（ＰＬＬ）將外部晶振輸入倍頻到更高的頻率下工作，而片 內(nèi)外設(shè)也可通過設(shè)置ＶＰＢ分頻器，工作在相對較低的頻率上。所以，應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計需要， 初始化系統(tǒng)和外設(shè)時鐘。因為系統(tǒng)采用晶振Ｆｏｓｃ １１．０５９２ＭＨｚ，系統(tǒng)需要的內(nèi)核頻率Ｆｃｅｌｋ

＝４＊Ｆｏｓｃ，鎖相環(huán)ＣＣＯ頻率Ｆｃｅｏ＝４＊Ｆｃｃｌｋ，外設(shè)頻率Ｆｐｃｌｋ＝Ｆｃｃｌｋ／４，所以設(shè)置ＶＰＢ分 頻值為０，ＰＬＬ分頻值Ｍ＝Ｆｏｓｃ／Ｆｃｃｌｋ＝－４，倍頻值Ｐ＝Ｆｅｃｏ／（Ｆｃｃｌｋ＊２戶２，設(shè)置 ＰＬＬＣＦＧ＝（Ｍ－１）ｌ（Ｐ＜＜５）－０ｘ４４。 （５）初始化向量中斷處理函數(shù) ＬＰＣ２２１４片內(nèi)外設(shè)可以產(chǎn)生向量中斷，啟動代碼為運用中斷方式發(fā)生的處理器中斷事 件，就需要對向量中斷的優(yōu)先級、中斷向量號、中斷函數(shù)的入口地址、中斷事件的控制等 進(jìn)行初始化。 （６）跳轉(zhuǎn)Ｃ主函數(shù) 完成系統(tǒng)初始化工作后，設(shè)置好由匯編程序跳轉(zhuǎn)到Ｃ語言函數(shù)的寄存器，通過匯編跳 轉(zhuǎn)就可進(jìn)入Ｃ主函數(shù)程序。進(jìn)入主程序后，便可咀采用較高級的Ｃ語言進(jìn)行模塊化應(yīng)用程 序設(shè)計。
’

５．３

ｕＣＬｉｎｕｘ操作系統(tǒng)移植
操作系統(tǒng)移植就是根據(jù)硬件，對操作系統(tǒng)內(nèi)核和支持模塊進(jìn)行剪裁，定制出能夠按照設(shè)

計要求運行于嵌入式硬件之上精簡操作系統(tǒng)。移植操作系統(tǒng)通常需要經(jīng)歷下列過程：建立 交叉編譯環(huán)境，為定制移植系統(tǒng)創(chuàng)建好軟硬件環(huán)境；通過交叉編譯工具在宿主機按照需要 對內(nèi)核裁剪、初始化設(shè)置、設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)置、運行庫設(shè)置等一系列步聚來完成系統(tǒng)定 制【帥】；對移植內(nèi)核進(jìn)行加載。對基于ＡＲＭ的ｕＣｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)平臺構(gòu)建過程中的４個關(guān) 鍵問題說明如下：

５．３．１建立宿主機交叉編譯環(huán)境
建立交叉編譯環(huán)境的主要原因在于，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)沒有足夠的硬件資源供編譯器 完成程序設(shè)計過程中的編譯調(diào)試等，因而，嵌入式系統(tǒng)的編譯工程只好設(shè)在高性能的主機 （宿主機）上完成。構(gòu)建交叉編譯環(huán)境，就是在運行Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)的ＰＣ機上創(chuàng)建適用于 嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的交叉編譯工具環(huán)境。Ｌｉｎｕｘ Ｆ的交叉編譯環(huán)境主要包括針對目標(biāo)系統(tǒng) 的編譯器ｇｅｅ；調(diào)試工具ｂｉｎｕｔｉｌｓ；標(biāo)準(zhǔn)ｃ庫ｇｌｉｂｃ和Ｉｉｎｕｘ內(nèi)核頭文件幾個部分，用于完成 編譯ｕＣｌｉｍＬＸ移植內(nèi)核和編譯生成可運行在目標(biāo)系統(tǒng)（ＬＰＣ２２１４）上的程序。

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ｕＣｌｉｎｕｘ的交叉編譯器有兩種工具鏈（ｔｏｏｌｃｈａｉｎ卜一嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中用來編譯系
統(tǒng)內(nèi)核以及應(yīng)用程序的工具集［４１１：一種用于編譯內(nèi)核以生成固定位置的可執(zhí)行映像，另一 個用于編譯用戶態(tài)的程序以生成位置無關(guān)可執(zhí)行代碼（ＰＩＣ，Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｄｅ）。由于 嵌入式系統(tǒng)中，ｕＣｌｉｎｕｘ支持的可執(zhí)行的文件格式為ｆｌａｔ ｂｉｎａｒｙ格式，所以需要工具軟件將 編譯生產(chǎn)的可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換成為ｆｌａｔ ｂｉｎａｒｙ格式。 實現(xiàn)方法：環(huán)境構(gòu)建需要從自由軟件組織或其它網(wǎng)絡(luò)共享資源下載交叉編譯器軟件包

ａｒｍ—ｅｌｆ－ｇｃｃ－ｘｘｘ．ｔａｒ．ｇｚ、調(diào)試工具ａｒｍ－ｅｌｆ－ｇｄｂ—ｘ“．ｒｐｍ和ａｍ－ｅｌｆ－ｂｉｎｕｔｉｌｓ－ｘｘｘ．ｒｐｍ（包含
ａｓｓｅｍｂｌｅｒ、ｌｉｎｋｅｒ和對目標(biāo)文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換等操作的應(yīng)用程序）等開源開發(fā)工具軟件。復(fù)制 到宿主機并解壓安裝，設(shè)置環(huán)境變量等，建立宿主機編譯和調(diào)試環(huán)境。

５．３．２定制內(nèi)核
ｕＣｌｉｎｕｘ內(nèi)核的移植按照對所移植處理器的支持程度不同，大致可以分為３個層次１４”。 結(jié)構(gòu)層次的移植、平臺層次的移植和板級移植。對已經(jīng)支持的硬件架構(gòu)，移植主要考慮修 改與硬件開發(fā)平臺相關(guān)的內(nèi)存類型和大小、外圍設(shè)備的配置等具體參數(shù)。 根據(jù)系統(tǒng)電路和配置需要，選用系統(tǒng)源代碼文件包ｕＣｌｉｎｕｘ．ｄｉｓｔ．２００４０４０８．ｔａｒ．ｇｚ進(jìn)行設(shè) 定。內(nèi)核配置有三種命令配置方式，它們的配置效果是一致，它們是ｍａｋｅ ｅｏｎｆｉｇ．ｍａｋｅ
ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ，ｍａｋｅ

ｘｃｏｎｆｉｇ，分別對應(yīng)于命令行界面、文本菜單界面和窗口圖形界面。以文

本菜單界面配置方式為例，將ｕＣｌｉｎｕｘ源碼包解壓到／ｕｓｒ／ｓｒｃ／目錄下，從控制臺進(jìn)入新生成 目錄ｕＣｌｉｎｕｘ．ｄｉｓｔ，正確配置Ｍａｋｅｆｉｌｅ文件后，從提示符方式下進(jìn)入該目錄，輸入ｍａｋｅ ｍｅｎｕｃｏｎｆｉｇ命令，系統(tǒng)彈出文本菜單。根據(jù)項目要求對ＡＲＭ廠商、內(nèi)核及其版本、支持 的函數(shù)庫和支持的用戶程序等定制。 需要特別說明的是在內(nèi)核配置（Ｃｍｔｏｍｉｚｅ
Ｋｅｒｎｅｌ

Ｓｅｔｔｉｎｇｓ）中要完成包括系統(tǒng)類型、

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、串口驅(qū)動、內(nèi)存管理、塊設(shè)備管理、字符設(shè)備的管理、文件系統(tǒng)、ＵＳＢ支持等 主要選項設(shè)置。本項目需要選定支持的網(wǎng)絡(luò)功能。 在用戶程序配置中，主要完成包括一些與系統(tǒng)核心相關(guān)程序文件、庫函數(shù)、文件系統(tǒng) 應(yīng)用程序，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序、一些工具函數(shù)等的配置。 然后依次輸入命令： ｍａｋｅ ｄｅｐ：建立源代碼文件的依賴關(guān)系：
ｍａｋｅ

ｒｏｔｏｒｓ：生產(chǎn)ＵＳＥＲ ＭＯＤＥ的工具集；

ｍａｋｅ ｉｍａｇｅ：生成文件ｒｏｍｆｓ．ｏ： ｍａｋｅ：完成內(nèi)核編譯。 解決配置中可能存在的問題，很多時候需要重復(fù)上述步驟，以使定制的內(nèi)核最終能夠 達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。完成內(nèi)核編譯后，在／ｕｓｒ／ｓｒｃ／ｕＣｌｉｎｕｘ－ｄｉｓＶｉｍａｇｅ目錄中便生成移植內(nèi)核代碼 和文件系統(tǒng)的目標(biāo)文件ｉｍａｇｅ．ｂｉｎ，文件系統(tǒng)的映像文件ｒｏｍｆｓｉｍｇ：在 ／ｕｓｒ／ｓｒｃ／ｕＣｌｉｎｕｘ－ｄｉｓＶｌｉｎｕｘ．ｘｘｘ目錄中生成已編譯的內(nèi)核文件ｌｉｎｕｘ文件為ｅｌｆ格式。將生成

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的內(nèi)核文件ｌｉｎｕｘ利用工具軟件ａｒｒａ－ｅｌｆ－ｏｂｊｃｏｐｙ轉(zhuǎn)換為嵌入式系統(tǒng)可執(zhí)行的ｂｉｎ格式文件 ｌｉｎｕｘ．ｂｉｎ，至此ｕＣｌｉｎｕｘ可移植內(nèi)核定制完成。

５．３．３根（ｒｏｏｔ）文件系統(tǒng)制作
文件是操作系統(tǒng)最基本的資源，是ｕＣｌｍｌｕ‘進(jìn)行操作單元。而嵌入式系統(tǒng)中定制的移 植內(nèi)核默認(rèn)生成不支持動態(tài)擦寫保存的ｒｏｍｆｓ文件系統(tǒng)。所以，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)擦寫和 保存，采用從ｒａｎｌ中劃分出一塊內(nèi)存虛擬成“硬盤”（通常稱為ｒａｍｄｉｓｋ設(shè)備，設(shè)備文件為 ／ｄｅｖ／ｒａｍＯ）。ｒｏｏｔ文件系統(tǒng)就是將ｒａｍｄｉｓｋ作為一種設(shè)備掛載（ｍｏｕｎｔ）到內(nèi)核上。 實現(xiàn)步驟： （１）創(chuàng)建ｂｓ＊ｅｏｕｎｔ字節(jié)的塊設(shè)備文件：
ｄｄ ｉｆ＝／ｄｅｖ／ｚｅｒｏ ｏｆ＝ｒａｍ．ｉｍｇ ｂｓ＝１０２４ ｃｏｕｎｔ＝－８００

（２）格式化塊設(shè)備：
ｍｋｅ２ｆｓ—ｍ０一Ｆ ｒａｍ．ｉｍｇ

（３）按照相同的目錄結(jié)構(gòu)將ｒｏｍｆｓ．ｉｍｇ中的必須文件復(fù)制到ｒａｍ．ｉｍｇ中。 其中ｒａｍｄｉｓｋ映象文件的大小可依據(jù)移植目標(biāo)系統(tǒng)的特性確定。

５．３．４系統(tǒng)加載
嵌入式系統(tǒng)上ｕＣｌｉｎｕｘ內(nèi)核的運行有ＲＡＭ加載和Ｆｌａｓｈ上直接運行兩種方式。ＲＡＭ 加載方式是把內(nèi)核壓縮文件存放到Ｆｌａｓｈ上，系統(tǒng)啟動時將壓縮內(nèi)核解壓到ＲＡＭ中然后執(zhí) 行；Ｆｌａｓｈ運行方式是將內(nèi)核的可執(zhí)行映像文件燒制到ｆｌａｓｈ上，系統(tǒng)啟動時直接在Ｆｌａｓｈ 上某個地址開始逐句執(zhí)行。無論何種運行模式，系統(tǒng)內(nèi)核的加載需要在一個叫做Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ 的程序來引導(dǎo)。項目通過Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序，實現(xiàn)啟動ＬＰＣ２２１４的及內(nèi)核引導(dǎo)和接收宿主機 數(shù)據(jù)文件的寫入。 解決了以上問題，將定制好的內(nèi)核和虛擬根文件系統(tǒng)下載到設(shè)計系統(tǒng)的Ｆｌａｓｈ存儲空 間中，便建立好了ＡＲＭ嵌入式ｕＣｌｉｎｕｘ開發(fā)平臺，為后續(xù)的程序設(shè)計開發(fā)做好基礎(chǔ)。

５．４系統(tǒng)程序設(shè)計
系統(tǒng)軟件由超聲波收發(fā)模塊、通信模塊、控制模塊三大功能模塊組成。整個系統(tǒng)是在 控制模塊的監(jiān)控卜，運行的，超聲波收發(fā)和通信模塊可以看作系統(tǒng)完成特殊功能的系統(tǒng)應(yīng)用， 屬于應(yīng)用程序�？刂颇K管理系統(tǒng)的全部資源，協(xié)調(diào)各部分軟硬件有序工作，是系統(tǒng)程序 的主線。主要任務(wù)包括命令識別、數(shù)據(jù)顯示、自我診斷等。 系統(tǒng)控制模塊的流程如圖５－２所示。系統(tǒng)上電復(fù)位初始化完成后，設(shè)置好中斷優(yōu)先級， 便進(jìn)入控制模塊�？刂颇K實質(zhì)是一個超級循環(huán)，當(dāng)外部控制事件發(fā)生時，以中斷方式進(jìn) 行相應(yīng)事件處理。外部控制事件包括：鍵盤事件、數(shù)據(jù)傳輸、流量測量等。

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圖５－２控制模塊流程圈

鑒于超聲波收發(fā)模塊對時間的嚴(yán)格要求，輪詢方法控制會造成大量的ＡＲＭ處理器資 源浪費，所以采用底層的驅(qū)動程序直接觸發(fā)硬件時鐘方式，完成對超聲收發(fā)的操控。對于 系統(tǒng)中通信接口、溫度測量、數(shù)據(jù)存儲、按鍵、顯示等單元的管理，采用動態(tài)驅(qū)動模塊加 載方式在需要時才進(jìn)行加載。

５．４．１驅(qū)動程序原理
設(shè)各驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和外部設(shè)備之間的接口Ｈ３］，是可動態(tài)加載或靜態(tài)編譯到 內(nèi)核中的介于底層硬件與上層應(yīng)用程序之間的軟件模塊，是一組預(yù)先定義好的標(biāo)準(zhǔn)接口下 針對特定硬件實現(xiàn)特定功能的軟件模操作。ｕＣｌｉｎｕｘ中以文件的形式管理設(shè)備，系統(tǒng)操作硬

件就像操作普通文件一樣對設(shè)各文件進(jìn)行操作。驅(qū)動程序是眾多類型模塊中的一種，它為
上層應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。用戶應(yīng)用程序可以通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)調(diào)用獲得與特 定驅(qū)動程序無關(guān)的驅(qū)動程序提供的各種硬件操作功能，實現(xiàn)對硬件的操作和管理。 用戶應(yīng)用程序能夠通過驅(qū)動程序?qū)ν獠吭O(shè)備進(jìn)行控制操作所需要具備一定的條件，以 動態(tài)加載方式對ＧＰＩＯ口驅(qū)動控制為例，總結(jié)如下： （１）構(gòu)建相應(yīng)的驅(qū)動模塊ｇｐｉｏ．ｏ 此處將ＧＰＩＯ驅(qū)動模塊的文件命名為ｇｐｉｏ．ｏ；編寫驅(qū)動模塊程序時，需包含 ｑｉｎｕｘ／ｋｅｍｅｌ．ｈ＞和＜ｌ Ｊｎｕｘ／ｍｏｄｕｌｅ－ｂ＞頭文件。模塊至少要實現(xiàn)兩個函數(shù)： 成將模塊注冊到系統(tǒng)內(nèi)核：
ｍｏｄｕｌｅ ｍｏｄｕｌｅ

ｊＩ】ｉｔｏ完

ｅｘｉｔ（）實現(xiàn)將模塊從內(nèi)核中注銷。對于字符驅(qū)動程序的

注冊是向系統(tǒng)ｃｈｒｄｅｖｓ數(shù)組中相應(yīng)主設(shè)備號下標(biāo)的元素位置插入被注冊驅(qū)動程序的名字和 設(shè)備操作結(jié)構(gòu)ｆｉｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ的指針。字符設(shè)備驅(qū)動程序的注冊由函數(shù)ｉｎｔ
ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｃｈｒｄｅｖ

（ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｍａｊｏｒ，ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ＋ｎＲｍｅ，ｓｔｒｕｃｔｆｉｌｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ＋ｆｏｐｓ）實現(xiàn)，設(shè)各注銷則通過函數(shù)
ｉｎｔ ＢＲｒｅｇｉｓｔｅｒ ｉｍ ｇｉｓｎｕ（ｖｅｄ ｈｃ＿ ｎａｍｅ） ｄｅｎｍａｊｏｒ，ｃｏｎｓｔｒｃｈａｒ 。現(xiàn)實
＋

ｕＣｌｉｎｕｘ系統(tǒng)將驅(qū)動程序中對硬件設(shè)備的操作函數(shù)如常用操作ｏｐｅｎ（）、ｒｅａｄＯ、ｗｒｉｔｅ（）、 ｉｏｃｔｌＯ、ｒｅｉｅａｓｅＯ等封裝在ｆｉｌｅ

類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并通過虛擬文件系統(tǒng)．ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ（ＶＦＳ）

提供給用戶統(tǒng)一接口。用戶根據(jù)需要完成對相關(guān)操作函數(shù)的定義后，便可方便的在應(yīng)用程

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序中通過統(tǒng)一接口的系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的控制和操作。 （２）創(chuàng)建ＧＰＩＯ設(shè)備所對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點文件 由于ｕＣｌｉｎｕｘ系統(tǒng)對于設(shè)備的管理，采用設(shè)備節(jié)點文件的形式來完成的，所以，在完

成設(shè)備的驅(qū)動程序設(shè)計后，需要建立相應(yīng)設(shè)備的節(jié)點文件，這樣操作系統(tǒng)對該設(shè)備的控制
就可以通過對節(jié)點文件的操作來完成。 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點文件命令如下：
ｍｋｎｏｄ／ｄｅｖ／Ｐ０
ｃ

１２６ ０

其中ｃ代表字符設(shè)備，１２６為默認(rèn)的主設(shè)備號，此處的主設(shè)備號必須與定義內(nèi)核模塊 時注冊和注銷函數(shù)中的主設(shè)備號相同，０為次設(shè)備號。 （３）驅(qū)動程序模塊加載到內(nèi)核 要實現(xiàn)對設(shè)備的操作，完成上述步驟后，只要將設(shè)備驅(qū)動加載到內(nèi)核，應(yīng)用程序便可 對設(shè)備進(jìn)行訪問控制。加載驅(qū)動程序模塊到內(nèi)核的方法，可以在系統(tǒng)啟動時加載，也可在 系統(tǒng)啟動后．手動動態(tài)加載。手動加載命令如下：
ｉｎｓｍｏｄ ｇｐｉｏ

執(zhí)行此命令，系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動模塊中的ｍｏｄｕｌｅ ｉｎｉｔ０將模塊加載到操作系統(tǒng)內(nèi)核，即注 冊驅(qū)動程序，并處理注冊過程中可能產(chǎn)生的錯誤。 完成以上過程后，用戶應(yīng)用程序就可通過標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用控制和操縱硬件設(shè)備。完成控 制操作后，如若不再需要該模塊，可以通過ｒｍｍｏｄ ｇｐｉｏ命令，通知系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用
ｍｏｄｕｌｅ

ｅｘｉｔＯ卸載ＧＰＩＯ設(shè)備。

微控制器實現(xiàn)多任務(wù)功能的重要方式是支持中斷。采用驅(qū)動編程的好處之一就是可以 在內(nèi)核空間使用系統(tǒng)中斷。使用中斷的設(shè)備驅(qū)動程序在使用中斷之前必須預(yù)先向系統(tǒng)申請 中斷號，登記中斷處理程序，以便在指定中斷到來時，能夠?qū)崿F(xiàn)特定的服務(wù)（１ＳＲ）。 在驅(qū)動程序中，通過調(diào)用ｒｅｑｕｅｓｔ＿ｉｒｑ（）函數(shù)，將中斷號與特定中斷服務(wù)例程綁定起來。 驅(qū)動程序中申請和釋放中斷號的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)定義為：
＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜ｌｉｎｕｘ／ｓｃｈｅｄ．ｈ’

申請中斷號：
ｉｎｔ

ｒｅｑｕｅｓｔ＿ｉｒｑ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ

ｉｎｔ ｉｒｑ， ｉｒｑ，ｖｏｉｄ ｄｅｖ＿ｉｄ，ｓｔｒｕｅｔ ｐｔ＿ｒｅｇｓ＋ｒｅｇｓ），

ｖｏｉｄ（＋ｈａｎｄｌｅｒ）（ｉｎｔ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ ｆｌａｇｓ，

ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ＋ｄｅｖｉｃｅ＿ｎａｍｅ，

ｖｏｉｄ＋ｄｅｖ＿ｉｄ）；

釋放中斷號：
ｖｏｉｄ

ｆｒｅｅ＿ｉｒｑ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ

ｉｎｔ

ｉｒｑ，ｖｏｉｄ＋ｄｅｖ＿ｉｄ）；

其中，ｈａｎｄｌｅｒ指向驅(qū)動程序提供的中斷服務(wù)例程，ｉｒｑ則是請求與中斷服務(wù)例程綁定

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的中斷號。一旦申請成功，中斷號則為注冊的中斷服務(wù)例程獨占，除非使用共享中斷。中 斷處理程序在中斷期間運行。

５．４．２超聲波收發(fā)程序設(shè)計
系統(tǒng)中超聲波收發(fā)控制的驅(qū)動程序通過一個字符型設(shè)備實現(xiàn)。超聲波收發(fā)控制的實質(zhì) 是：主控制器ＬＰＣ２２１４通過控制其內(nèi)部時鐘Ｔｉｍｅｌ發(fā)出頻率ｆｓ＝４０ｋＨｚ的周期脈沖進(jìn)行信 號發(fā)射，而超聲波信號的接收，通過控制用于接收控制的ＧＰＩＯ管腳進(jìn)行輸出電平切換。 與通常字符設(shè)備驅(qū)動程序不同之處是，為避免因引入操作系統(tǒng)而可能產(chǎn)生的對硬件操作的 延遲，提高系統(tǒng)時間精確度，在啟動發(fā)送的同時啟動用于信號控制的ＰＷＭ時鐘，在ＰＷＭ 定時匹配時，通過匹配控制改變匹配引腳的輸出實現(xiàn)對接收電路進(jìn)行信號接收控制。 超聲波收發(fā)驅(qū)動程序模塊中，主要完成對定時器和ＰＷＭ設(shè)備的初始化及其操作控制

等函數(shù)。對于ＰＷＭ設(shè)備同其他塊設(shè)備驅(qū)動程序一樣，首先需要實現(xiàn)ＰＷＭ初始化ｐｗｍ＿ｉｎｉｔ０
和撤銷ｐｗｍ ｃｌｅａｎ（）以便在模塊ｍｏｄｕｌｅ
ｍｏｄｕｌｅ

ｉｎｉｔＯ時加載ＧＰＩＯ設(shè)備到內(nèi)核和在模塊退出

ｅｘｉｔ（）時卸載驅(qū)動。實現(xiàn)設(shè)備打開和關(guān)閉的接口函數(shù)ｏｐｅｎ ｐｗｍ０和ｒｅｌｅａｓｅ ｐｗｍＯ

及實現(xiàn)對ＰＷＭ進(jìn)行控制操作的ｉｏｃｔｌ ｐｗｍ０函數(shù)，同時還需要實現(xiàn)負(fù)責(zé)讀取高速Ａ他轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)例程。 驅(qū)動程序?qū)Γ校祝偷哪Ｊ皆O(shè)置、周期設(shè)置、占空比設(shè)置、輸出使能、禁止使能都通過
ｉｏｅｔｌ

件ｌｉｎｕｒｄｉｏｃｔｌ．ｈ，命令宏定義的實質(zhì)是通過宏ＩＯ（ｔｙｐｅ，ｒｆｆ）建立命令號。夠ｐｅ為設(shè)備在驅(qū)動 程序中的魔數(shù)（設(shè)定值可參考ｌｉｎｕｘ／Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ／ｉｏｃｔｌ－ｎｕｍｂｅｒ．ｔｘｔ），它是８位寬
（ＩＯＣ ＴＹＰＥＢＩＴＳ）數(shù)值，ｒｉｒ為命令的順序號，它是８位寬（ＩＯＣ ＮＲＢＩＴＳ）數(shù)值。命令定義

完成后，依據(jù)不同的命令字所對應(yīng)的不同操作，在ｉｏｃｔｌ ｐｗｍ（）函數(shù)中通過ｓｗｉｔｃｈ－ｃａｓｅ語句
對不同命令調(diào)用頭文件中ｉｏ．ｈ的命令宏ｏｕｔｌ（ａ，ｐ）等，實現(xiàn)對ＰＷＭ相應(yīng)寄存器完成操作等 處理。由于系統(tǒng)采用定時器產(chǎn)生發(fā)射周期脈沖，所以在打開ＰＷＭ設(shè)備操作中也對定時器 進(jìn)行初始化。 因為系統(tǒng)外設(shè)頻率Ｆ口ｃｌｋ等于系統(tǒng)晶振頻率Ｆｏｓｅ＝１１．０５９２ＭＨｚ，采用Ｔｉｍｅｌ實現(xiàn)占空 比５０％的４０ｋＨｚ的超聲波發(fā)射脈沖，當(dāng)設(shè)定定時器Ｔｉｍｅｌ預(yù)分頻值ＴＩＰＲ＝０ｘ００時，設(shè)置 定時匹配寄存器Ｔ１ＭＲｌ＝Ｆｐｃｌｋ／２／４００００／（Ｔ１ＰＲ＋Ｉ）＝Ｏｘ８Ａ，匹配寄存器Ｔ１ＥＭＲ＝０ｘ８０，實現(xiàn) 當(dāng)計時器ＴＣ與匹配寄存器ＴＩＭＲＩ匹配后，匹配通道ＭＡＴｌ．０對應(yīng)引腳Ｐｏ．１２輸出翻轉(zhuǎn)（默 認(rèn)輸出為低），Ｔ１ＴＣＲ＝０ｘ０１啟動定時器可得到４０ｋＨｚ的脈沖。對于發(fā)射脈沖信號的控制采 用ＰＷＭ４實現(xiàn)，當(dāng)設(shè)置預(yù)分頻值寄存器ＰＷＭＰＲ＝０ｘ００時，設(shè)置ＰＷＭ４的時鐘周期為Ｎ（主 控制器依據(jù)比較器測量的波峰時間給定）個時鐘周期，則時鐘周期控制寄存器 ＰＷＭＭＲ０＝Ｎ＊Ｆｐｃｌｋ／４００００／（ＰＷＭＰＲ＋Ｉ）。為實現(xiàn)每次超聲波發(fā)射時產(chǎn)生五個周期脈沖信號， 滿足精確控制Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的啟動與停止．降低信號接收的時間偏差，信號控制結(jié)合ＰＷＭ５ 和ＰＷＭ２實現(xiàn)。設(shè)置ＰＷＭ４的邊沿控制比數(shù)值ＰＷＭＭＲ４＝５＋Ｆｐｃｌｋ／４００００／（ＰＷＭＰＲ＋１）

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＝０ｘ５６６（單邊沿時，起始輸出為高電平），設(shè)置ＰＷＭ５的匹配比較寄存器ＰＷＭＭＲ５＝ ＰＷＭＭＲ４＋ＤＥＬＡＹ ＣＹＣＬＥ．設(shè)置ＰＷＭ２的匹配比較寄存器ＰＷＭＭＲ２＝ ＰＷＭＭＲＳ＋ＡＣＱ ＣＹＣＬＥ，在ＰＷＭ４匹配時，脈寬調(diào)制器（７６引腳）ＰＯ．８輸出低電平，信 號停止發(fā)射：在ＰＷＭ５匹配時，脈寬調(diào)制器（４引腳）Ｐ０．２１輸出低電平，啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換； 在ＰＷＭ２匹配時，脈寬調(diào)制器６９引腳Ｐｏ．７輸出翻轉(zhuǎn)與ＰＷＭ５相或控制Ａ／Ｄ停止轉(zhuǎn)換并 產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)交由用戶程序完成處理后，一路信號的一個收發(fā)周期完成。 其中一路信號的收發(fā)控制時序如圖５．３所示。一路信號接收完成后，切換到另一路采用 ＰＷＭ６控制信號的發(fā)射周期，ＰＷＭ５和ＰＷＭ２進(jìn)行相同的控制步驟完成反向的信號接收。 中斷服務(wù)程序向系統(tǒng)申請數(shù)據(jù)交換區(qū)，并將外部ＦＩＦＯ硬件緩沖中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取到 交換區(qū)。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)交換區(qū)后，由系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用程序通過讀交換區(qū)狀 態(tài)命令調(diào)用ｉｏｃｔｌ０系統(tǒng)可以獲得數(shù)據(jù)區(qū)狀態(tài)，并可將操作后的狀態(tài)改變回寫。需要注意的 是，為了避免出現(xiàn)中斷例程與用戶程序同時對緩沖區(qū)狀態(tài)進(jìn)行修改而可能產(chǎn)生的問題，對 于交換區(qū)狀態(tài)的操作在驅(qū)動程序中使用了原子指令方式實現(xiàn)。
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——一個收發(fā)周期‘“””“卜—；；！ｉｉ；磊ｉ１
產(chǎn)生中斷

ｉ

圈５－３一路收發(fā)控制時序

超聲波收發(fā)程序的工作原理是：用戶收發(fā)控制程序首先調(diào)用ＧＰｌ０驅(qū)動模塊函數(shù)ｏｐｅｎ 打開用于收發(fā)控制的ＰＷＭ設(shè)備節(jié)點文件，ｏｐｅｎ操作的實質(zhì)是初始化定時器，向系統(tǒng)申請 內(nèi)存區(qū)、申請中斷號等資源。設(shè)備硬件電路和內(nèi)部定時器初始化等準(zhǔn)備工作完成后，用戶 程序在需要進(jìn)行收發(fā)控制的時刻，通過ｉｏｃｔｌ０命令啟動內(nèi)部定時器發(fā)射周期脈沖，同時ＰＷＭ 控制管腳啟動控制，當(dāng)定時時間到后，ＰＷＭ根據(jù)設(shè)定的匹配動作產(chǎn)生定時匹配，完成超聲 波信號的收發(fā)控制。一次收發(fā)控制結(jié)束后，ＰＷＭ觸發(fā)系統(tǒng)中斷。中斷服務(wù)程序?qū)⑼獠浚疲桑疲?硬件中的數(shù)據(jù)讀取到交換區(qū)，然后中斷返回。用戶測時程序，通過循環(huán)檢測交換區(qū)中數(shù)據(jù) 的狀態(tài)，確認(rèn)數(shù)據(jù)有效后，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)濾波和傳輸時間處理完成流量測量。

５．４．３顯示驅(qū)動程序設(shè)計
操作系統(tǒng)內(nèi)棱中提供將顯示設(shè)備抽象為幀緩沖區(qū)的ＦｒａｍｅＢｕｆｆｅｒ，為顯示驅(qū)動開發(fā)提供 了系統(tǒng)接口。在圖形模式下系統(tǒng)允許應(yīng)用程序直接對顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫和Ｉ／Ｏ控制操作。 幀緩沖區(qū)是抽象化的硬件圖像設(shè)備，系統(tǒng)將顯示設(shè)備節(jié)點映射到虛擬地址空間后，用戶程 序通過對設(shè)備節(jié)點文件進(jìn)行讀寫操作，通過幀緩沖區(qū)就可以反映到ＬＣＤ上。內(nèi)核將幀緩沖 區(qū)ＦｒａｍｅＢｕｆｆｅｒ的所有操作都封裝在結(jié)構(gòu)體ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ中。顯示驅(qū)動模塊程序設(shè)計主要

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完成結(jié)構(gòu)體中相關(guān)操作函數(shù)的定義，將具體操作與系統(tǒng)硬件相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對ＬＣＤ控制器的 寄存器操作。
ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ

ｆｏ＿ｆｏｐｓ＝｛ 嚴(yán)打開設(shè)備文件＋／

ｏｗｎｅｒ：ＴＨＩＳ＿ＭＯＤＵＬＥ，
ｏｐｅｎ： ｒｅａｄ： ｆｂ＿ｏｐｅｎ， ｆｂ＿ｒｅａｄ，

ｗｒｉｔｅ：ｔｂ＿ｗｒｉｔｅ， ｉｏｃｆｌ：ｌｂ ｉｏｅｔｌ， ｍｍａｐ： ｒｅｌｅａｓｅ： ｆｂ＿ｍｍａｐ， ｆｂ ｃｌｏｓｅ，

嚴(yán)設(shè)備文件控制操作＋， 嚴(yán)關(guān)閉設(shè)備文件＋，

）； 結(jié)構(gòu)體定義中，ｒｅａｄ／ｗｒｉｔｅ實現(xiàn)對緩沖區(qū)的讀，寫操作；ｉｏｃｔｌ操作用于讀取和設(shè)定顯示參 數(shù)；ｍｍａｐ操作實現(xiàn)幀緩沖區(qū)的物理地址到用戶空間的虛擬地址映射。完成空間映射后，

直接對緩沖區(qū)讀寫操作，就可以實現(xiàn)圖形顯示了。

５．４．４鍵盤與溫度測量程序設(shè)計
鍵盤電路芯片和溫度測量電路采用１２Ｃ總線與ＬＰＣ２２１４進(jìn)行通信。它們屬于同種設(shè)備， 具有相同的主設(shè)備號，采用同一驅(qū)動程序完成底層操作，設(shè)備的區(qū)分通過從設(shè)備號完成。 １２Ｃ設(shè)備的驅(qū)動模塊類似于基于ＧＰｌ０口的ＰＷＭ設(shè)各，完成模塊中設(shè)備的注冊注銷和設(shè)備 文件的打開、關(guān)閉、讀、寫和ｉｏｃｔｌ（）函數(shù)定義便可。只是溫度的測量值需要微控制器ＬＰＣ２２１４ 主動讀取，而鍵盤按鍵的則通過中斷通知主控制器實現(xiàn)。

５．４．５串口通信中斷服務(wù)程序設(shè)計
當(dāng)控制模塊接收到控制命令請求進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸時，程序?qū)⑻D(zhuǎn)至串口通信中斷服 務(wù)子程序，啟動ＵＡＲＴ０通過ＭＡＸ２３２芯片同外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。ＵＡＲＴ０的初始化設(shè)置為 ８位數(shù)據(jù)位，１位停止位，無奇偶校驗，通信波特率為１１５２００。ｕＣｌｉｎｕｘ中通過對結(jié)構(gòu)體ｓｔｒｕｃｔ ｔｅｒｍｉｏｓ的成員賦值完成對串口的設(shè)置。結(jié)構(gòu)體的在頭文件ｔｅｒｍｉｏｓ，ｈ中定義如下：
ｓｔｒｅｅｔ

ｔｅｒｍｉｏ｛
ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｃ＿ｉｆｌａｇ： 嚴(yán)ｉｎｐｕｔ ｍｏｄｅ ｆｌａｇｓ＋， ｐｏｕｔｐｕｔ ｍｏｄｅ ｆｌａｇｓ＋／ 件ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｆｌａｇｓ＋， ｐｌｏｃａｌ ｍｏｄｅ ｆｌａｇｓ ４ｉ ／串ｌｉｎｅ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅ＋， 嚴(yán)ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ＋／

ｕｎｓｉｇｎｅｄ
ｕｎｓｉｇｎｅｄ

ｓｈｏｒｔ ｃ＿ｏｆｌａｇ； ｓｈｏｒｔ ｃ＿ｃｆｌａｇ；

ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｃ＿ｌｆｌａｇ； ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ
ｃ

ｌｉｎｅ：

ｃ＿ｃｃ［Ｎｃｃ］；

）； 對結(jié)構(gòu)體的操作系統(tǒng)提供了方便的系統(tǒng)調(diào)用如獲取串口屬性ｔｃｇｅｔａｔｔｒ（ｆｄ，＆Ｏｐｔ）；設(shè)置波 特率ｃｆｓｅｔｉｓｐｅｅｄ（＆Ｏｐｔ，Ｂ１１５２００）；ｐ Ｂ１１５２００為ｕＣｌｉｎｕｘ中的宏對應(yīng)為１１５２００Ｂｐｓ＋，：

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ｅｆｓｅｔｏｓｐｅｅｄ（＆Ｏｐｔ，Ｂ１１５２００）；設(shè)置串口屬性ｔｅｓｅｔａｔｔｒ（ｆｄ，ＴＣＡＮＯＷ，＆Ｏｐｔ）等。 串行通信接口ＵＡＲＴ０的數(shù)據(jù)傳送和接收通過系統(tǒng)調(diào)用ｗｒｉｔｅ（ｉｎｔ
ｓｉｚｅ＿ｔ ｆｄ，ｃｏｎｓｔ ｖｏｉｄ＋ｂｕｒ，

ｃｏｕｎｔ，ｌｏｆｆ＿ｔ＋！』ｏｓ）和ｒｅａｄ（ｉｒａ ｆｄ，ｖｏｉｄ幸ｂｕｅ

ｓｉｚｅ＿ｔ

ｃｏｕｎｔ，ｌｏｆｆ＿ｔ＋ｆ』ｏｓ）實現(xiàn)。在串口的

驅(qū)動模塊中完成這兩種操作函數(shù)的定義。串行通信接口中斷處理流程如圖５－４所示。

圖５－４

ＵＡＲＴＯ中斷處理流程圈

５．４．６網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸采用面向連接的ＴＣＰ通訊協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量。ｕＣｌｉｎｕｘ支持 ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議且具有豐富的ＡＰＩ，所以，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動編程實現(xiàn)也相對比較方便。網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備驅(qū)動模塊編程同字符設(shè)備類似，只是操作函數(shù)封裝在ｎｅｔ ｄｅｖｉｃｅ結(jié)構(gòu)中，設(shè)備注冊時采 用系統(tǒng)函數(shù)ｒｅｇｉｓｔｅｒ ，在注銷設(shè)各時調(diào)用 ｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒ＿ｎｅｔｄｅｖＯ �；� ＴＣＰ ０ｖｅｄｔｅｎ＿絡(luò)網(wǎng)的議協(xié) 通信程序由服務(wù)端和客戶端兩部分組成，服務(wù)端需要監(jiān)聽連接，在接收到客戶端請求并與 之建立連接后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信服務(wù)；客戶端需要主動請求連接服務(wù)器，也在連接成功 后才可進(jìn)行通信服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信流程圖如圖５－５所示。
ＰＣ機客戶端

圖５－５

ＴＣＰ網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

薰一蔞

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軟件設(shè)計將系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信中的角色定義為服務(wù)端，當(dāng)外部客戶端有命令請求進(jìn)行網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時，系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)子程序向客戶端（ＰＣ機）傳送采集數(shù)據(jù)信息。 ５．４．７

ＵＳＢ通信程序設(shè)計

移植內(nèi)核提供的ＵＳＢ ｃｏｒｅ包含支持ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序的ＡＰＩ和ＵＳＢ主機控制器驅(qū)動 程序，為ＵＳＢ驅(qū)動程序提供了訪問和控制ＵＳＢ硬件的統(tǒng)一程序接口，因而方便了ＵＳＢ設(shè) 備的驅(qū)動程序的設(shè)計。在ＵＳＢ設(shè)備的驅(qū)動模塊加載到內(nèi)核時，通過系統(tǒng)調(diào)用
ｕｓｂ

ｒｅｇｉｓｔｅｒｄｒｉｖｅｒ（）將ＵＳＢ設(shè)備注冊到ＵＳＢ ｃｏｒｅ，當(dāng)需要卸載ＵＳＢ設(shè)備時，調(diào)用

ｕｓｂ＿ｄｅｒｅｇｉｓｔｅｒ＿＿ｄｒｉｖｅｒ（）從內(nèi)核中注銷?
中斷入口

圖５－６ ＵＳＢ中斷通信流程

系統(tǒng)設(shè)計的ＵＳＢ接口用作ＵＳＢ設(shè)備，其通信程序流程如圖５－６所示，實現(xiàn)與ＵＳＢ主 機的信息交互，完成流量測量數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。

４ｌ

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第六章測時算法設(shè)計
接收超聲脈沖信號是流量計獲得流動信息的來源，超聲信號的質(zhì)量直接影響流量計性 能。視換能器為理想器件，不計換能器本身對信號的影響，但由于信號在傳輸過程中不可 避免的受到環(huán)境噪聲、電路噪音、電源噪聲等干擾，甚至嚴(yán)重時有效期望信號被湮沒，所 以，接收信號中疊加有噪聲，如若接收信號中噪聲過強，會使得系統(tǒng)準(zhǔn)確度的降低，傳播 時間測量存在較大誤差，流量測量受到影響且無法得到保證。 超聲信號處理算法的是超聲波流量計的核心。系統(tǒng)中采用的信號處理方法是：首先對 被噪聲污染的接收信號進(jìn)行濾波處理，將噪聲影響最大可能的降低，然后，對濾波后的信 號進(jìn)行特性分析，計算出超聲波傳輸時間。其中，超聲傳輸時間確定的方法是：通過閾值 對濾波處理的數(shù)字信號進(jìn)行脈沖回波定位，當(dāng)檢測到信號幅值達(dá)到閾值電平時，跟蹤其后 的第一個過零點，以此零電平交點為基準(zhǔn)，進(jìn)行檢測。檢測的過零位置可能有多個，通過 統(tǒng)計算法改善檢測的性能，最終確定信號波的達(dá)到時刻。

６．１信號濾波
數(shù)字濾波器采用有限精度算法完成離散時間系統(tǒng)輸入數(shù)字量到輸出數(shù)字量的變換，實 現(xiàn)信號處理。具有高精度、高可靠性、靈活性大、便于集成等優(yōu)點，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)字濾波技術(shù)在語言信號處理、圖像信號處理、醫(yī)學(xué)生物信號處理以及其他領(lǐng)域得到了越 來越廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字濾波器分為無限長單位脈沖響應(yīng)ＩＩＲ濾波器和有限長單位脈沖響應(yīng)ＦＩＲ濾波器。 ＩＩＲ濾波器可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，經(jīng)濟(jì)而效率高；相同性能 指標(biāo)的濾波器，ＦＩＲ所要求的階數(shù)比ＩＩＲ高５～１０倍，成本較高，信號延時也較大。 由于接收信號較弱及加法電壓提升電路漂移引起的接收波形零位偏移，必須采取濾波

措施以減小噪聲并濾除直流成分【４“。由于試驗系統(tǒng)實際工作時接收信號是中心頻率在 ４０ｋＨｚ附近的窄頻帶信號�；谏鲜鲈�，系統(tǒng)算法采用ＩＩＲ濾波器中的橢圓帶通濾波器
對接收信號進(jìn)行處理。 考慮到ＩＩＲ濾波器存在非線性相位偏移。為消除非線性相位延遲，實現(xiàn)系統(tǒng)的零相位 濾波，可以采用ＦＲＲ或ＲＲＦ方法。ＦＲＲ方法是：先將輸入信號序列順序濾波（ｒｏｒｗａｒｄ ｆｉｌｔｅｒ），然后將所得結(jié)果反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后序列再次通過濾波器（ｒｅｖｅｒｓｅ ｆｉｌｔｅｒ），所得結(jié)果 再次反轉(zhuǎn)后得到輸出（ｒｅｖｅｒｓｅ ｏｕｔｐｕｔ），此過程便可實現(xiàn)精確零相位濾波；ＲＲＦ方法與ＦＲＲ

方法類似，只是先反轉(zhuǎn)信號序列反轉(zhuǎn)，然后再進(jìn)行類似處理。系統(tǒng)中采用ＦＲＲ方法實現(xiàn)零
相位濾波。

４２

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６．１．１｜ＩＲ濾波原理

Ｎ階ＩＩＲ型數(shù)字濾波器的傳輸ｚ變換傳遞函數(shù)Ｈ（ｚ）如式（６．１）。式中Ａ（ｚ）為濾波器
的分母多項式，召（＝）為濾波器的分子多項式；使４（：。）＝０的ｚ，值稱為濾波器的“極點”，

使Ｂ（０）＝ｏ的乙值稱為‘‘零點”。由于傳遞函數(shù)中分母多項式爿（ｚ）的存在，所以，需要
特別考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，只有當(dāng)極點都在Ｚ平面的單位圓內(nèi)部時，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。

Ⅲ＝籌篆殺等精２器
近特性電好。

睜”

ＩＩＲ數(shù)字濾波器可以用圖６—１所示的直接型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“”。由其傳遞函數(shù)可知橢Ｉ虱濾波 器是一種存在零、極點型濾波器。它在通帶和阻帶都具有等波紋特性，因此通帶、阻帶逼

圖６－１

ＩＩＲ直接型結(jié)構(gòu)

６．１．２濾波器性能分析
由于橢圓ＩＩＲ濾波器是通過執(zhí)行前向和時間反轉(zhuǎn)處理運算來實現(xiàn)零相位濾波的，所以， 濾波器的階次比由系數(shù)Ａ和Ｂ描述的原濾波器的階次要提高一倍。該濾波器與原濾波器相 比，具有兩倍的通帶波紋和最小阻帶衰減。為實現(xiàn)在保證良好濾波效果的基礎(chǔ)上，盡量減 少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運算量，濾波器的階數(shù)應(yīng)盡可能的不要太高。根據(jù)接收超聲信號特征，設(shè)計

的發(fā)送超聲信號頻率為．ｆ＝４０ｋＨｚ，為實現(xiàn)較高精度的時間分辨率，對信號的采樣頻率為
ＩＯＭＨｚ，首次濾波指標(biāo)達(dá)到通頻帶為［２０ｋＵｚ，２００ｋＨｚ］，設(shè)置通頻帶主要是考慮到常用的超 聲波換能器的頻率范圍。阻帶衰減７０ｄＢ，通帶紋波為０．０１ｄＢ，用３階橢圓帶通濾波器。通 過計算可以得到濾波傳遞函數(shù)系數(shù)為：ｂ＝（０．００１５，一０．００２９，０．００１２，０．００００，一０．００１２， ０．００２９，一０．００１５），ａ＝（１．００００，一６．６２９２，１３．２２３０，一１６．５９２２，１１．７３１１，一４．４３１４，０，６９８７）。

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濾波器的六個極點Ｐ＝（０．９０１３＋０．１７４２１，０．９０１３—０．１７４２ｉ，０．９９６９＋０．００６８ｉ， ０，９９６９－０．００６８ｊ，０．９９０８，０．８４２１）均在ｚ平面的單位圓內(nèi)，濾波器是穩(wěn)定的。濾波器的 頻域特性如圖６－２所示。

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ＩＩＲ寬帶通時濾波器頻域特性

縮小通帶寬度再次濾波，設(shè)置通頻帶［ｆ一鱸。Ｚ＋△，］，△廠＝１０ｋＨｚ，所以系統(tǒng)的
實際通頻帶）ｂ［３０ｋＨｚ，５０ｋＨｚ］，阻帶衰減７０ｄＢ，通帶紋波為０．ＯｌｄＢ，用３階的帶通橢圓型 濾波器，得到傳遞函的系數(shù)：ａ＝（１－００００，一３．１４１２，３．９９２４，一２．９９６２，１．６４９７，一０．５６０４， ０．０５６２），ｂ＝（０．１２９８，一０．０１３４，一０．３６２４，０．００００，０．３６２４，０．０１３４，一０．１２９８），濾波器極點Ｐ
＝（０．０７１３＋０．６４８５ｉ，０．０７１３—０．６４８５ｉ，０．９６７２＋０．０６７７ｉ，０．９６７２—０．０６７７ｉ，０．９０９８，０．１５４５）

也均在ｚ平面的單位圓內(nèi)，濾波器是穩(wěn)定的。濾波器的頻域特性如圖６—３所示。
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圖６－３ ＩＩＲ?guī)ㄝ^窄時濾波器頻域特性

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數(shù)字濾波算法的效果，運用ｍａｔｌａｂ數(shù)據(jù)處理工具得到處理處理后的波形如圖６—４所示。 序列Ｆ為較寬帶寬的濾波效果，由于此次濾波器帶寬較寬，較好的顯現(xiàn)了接收波形的輪廓， 使噪聲干擾降低，提高了信號的信噪比，但仍然存在較大的紋波。序列Ｌ為再次濾波后的 數(shù)據(jù)。此次濾波后突出了接收波的振蕩波形，但產(chǎn)生的振蕩干擾了第一接收周期的判別。 此序列用于定位波形過零點。

６．２測時算法
濾波后．序列Ｆ突顯了接收波的波形，但由于振蕩，拓展的振蕩波形難于判別起始周 期。序列Ｌ仍存在較大紋波噪聲，小幅波形振蕩較明顯，難于判別信號的起始點。針對上

述兩種濾波后生產(chǎn)序列的特點，系統(tǒng)采用的過零接收點的定位算法描述如下：
以接收波中最大值Ａｍ的１／２作為門限閾值，從序列Ｌ中搜索過閩值點，并把首個過 閾值點的周期為參考周期，在與參考周期相對應(yīng)的序列Ｆ中，從閩值點向后１／２個周期向 后查找過零點ｚ，以ｚ點作為基準(zhǔn)，然后，通過求算序列Ｌ與相應(yīng)周期的序列Ｆ的方差比，

通過其比值來判斷接收信號的起點。
搜索算法如下： （１）初始化標(biāo)志位； （２）以０．５Ａｗ的閾值在序列Ｌ中搜索參考周期，并在Ｆ序列中找到過零點ｚ為準(zhǔn)點； （３）在序列Ｌ中取基準(zhǔn)點ｚ的前、后各１／４個周期數(shù)據(jù)組成新的數(shù)據(jù)序列，并求其方差 值ｏ－，２；同樣方法，�。菩蛄兄邢鄬�(yīng)數(shù)據(jù)序列也求其方差值仃。２； （４）檢驗選取的兩個數(shù)據(jù)序列段的方差比仃，２／仃，２，假定：口，２＝盯，。，如果檢驗Ｏ－，２， 盯。２有明顯的不等，則判定為當(dāng)前檢驗周期不是接收波周期；如果判斷兩方差明顯 相等，則判定當(dāng)前檢驗周期是接收波周期： （５）檢驗對當(dāng)前波的判定標(biāo)志位是否被設(shè)置，未設(shè)置則置位標(biāo)志位；已設(shè)置則轉(zhuǎn)（６）； （６）檢測己設(shè)置的標(biāo)志位和當(dāng)前判定是否同性質(zhì)，如果非同性質(zhì)，轉(zhuǎn)（７）；同性質(zhì)為非 接收波則ｚ點后移～個周期，重復(fù)步驟（３），同性質(zhì)為接收波則ｚ點前移～個周期， 重復(fù)步驟（３）； （７）檢測當(dāng)前判定波的性質(zhì)，若判定認(rèn)為是接收波，則實際接收波起點Ｐ應(yīng)為ｚ點前移 一個周期的過零點，如果判定認(rèn)為是非接收波，則實際接收波的起點Ｐ應(yīng)為ｚ點； （８）對Ｌ序列在Ｐ所在的區(qū)域段進(jìn)行內(nèi)部插值，然后在精確定為晟終的接收波起始點Ｓ， 輸出Ｓ點的時間，算法結(jié)束。

由統(tǒng)計學(xué)知：一般對于兩個正態(tài)總體｛～Ｎ∞，，Ｊ？），ｑ～Ｎ扯：，口；）在未知均值未知

“及Ⅳ２。檢驗兩個樣本的方差是否相同，即檢驗Ｈｏ：仃Ｌ２＝ｏ－Ｆ２。當(dāng)Ｈｏ成立時，利用統(tǒng)
計量Ｆ＝群／簧～Ｆ（啊一１，％一１）可以進(jìn)行Ｆ檢驗，對給定的檢驗水平ａ，可求得滿足

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Ｐ｛Ｆ（礙一１，ｎ２—１）≤＾）＝ａ／２，Ｐ｛Ｆ（ｎｌ一１，ｎｚ一１）≥屯｝＝ａ／２的＾和九，所以Ｉｌ。的拒 絕域為：（０，＾）ｕ（ｔ，４－００），接受域為：（＾，ｔ）［４６１。
基于上述統(tǒng)計學(xué)知識，可以對濾波后截取的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行方差比假設(shè)檢驗分析。對

１０ＭＳＰＳ的采樣數(shù)據(jù)，每個超聲波信號周期有１０Ｗ，＝＝２５０個采集數(shù)據(jù)。采用９９％置信度， 則有Ｆｍ．。。ｓ（０．０１）＝１．５２。因此，當(dāng)計算得Ｆ＝砰／霹＜１．５２時，假設(shè)成立，即為超聲波的

接收波形。反之，躑／ｇ＞Ｌ ５２時，判別為非接收波形。通過ｍａｔｌａｂ對算法進(jìn)行檢驗，
處理的輸出結(jié)果如圖６－４所示。

１∞

。

ｌ～序列Ｆ
序列Ｌ ．斗檢測點

自

：

；

若 芭
甘＿

譬

∞世島 睜磚一
Ｉ

￥

ｌ

．１∞
０ ０?５ １ １ ５ ２ ２．５ ３

３．５

４

時閫Ｉｓ）ｘ１０＂‘ 圖６－４濾波后的接收波波形圖

由基準(zhǔn)點ｚ開始，通過對兩數(shù)據(jù)序列中以基準(zhǔn)參考點的半個周期數(shù)據(jù)進(jìn)行方差比檢驗， 驗證比較效果，可以提高波形起點的定位精度。上圖中給出的是約１０ｃｍ直徑距離時測得的 數(shù)據(jù)，檢查確定的起始點位置即傳播時間為＾，＝２９０９，因Ａ／Ｄ采樣頻率為１０～ＩＳＰＳ，能夠使 系統(tǒng)時間分辨率達(dá)到ｕ 測得瞬時流量。

ｓ級。同理，可求出相反方向上的超聲傳播時間ｔ…通過流量公式，

６．３測量誤差分析
時差法超聲波流饅計是將被測流體的管壁材質(zhì)的聲速，管道的壁厚等作為已知條件， 通過檢測超聲波信號在流體中沿順流方向和逆流方向的傳播時間從而計算出流速和流量的 測量儀表．屬于間接測量儀表。因此，系統(tǒng)測量誤差，既包括所給定現(xiàn)場測量條件所引起

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的系統(tǒng)測量的誤差，也包括流量計自身的所產(chǎn)生的誤差。 本系統(tǒng)采用的傳播時間差法通過精確定位接收超聲信號的起始點來測量超聲波在被測

流體中傳輸?shù)亩稍綍r間，再由修正后的流速方程ｖ，２言齋‘等計算流體流速，進(jìn)而得到
流體的瞬時流量：

Ｄ：可．ｓ：蘭．竺：魚！堡：．一Ａｔ
。

Ｋ

４

４Ｋ ｓｉｎ０

Ｔ

式中：

ｃｎ——聲楔中的超聲聲速； ｄ——管道內(nèi)徑； Ｋ——波速分布修正系數(shù)； 日——超聲波進(jìn)入聲楔的入射角； 出——流體中逆順流超聲傳播時間之差；

Ｔ－－流體中逆順流超聲傳播時間之和。
等都會給流量測量引入誤差： （１）聲楔聲速

由流量計算公式可知，上述參數(shù)及流體的流速分部實際狀況、系統(tǒng)的硬件性能及延時

由于聲楔中的聲速是與環(huán)境相關(guān)的物理量，當(dāng)聲楔溫度變化時其中傳輸?shù)某暡ǖ穆?速也將隨著有所變化，雖然比同條件下流體中的變化量要小。但在高精度流量測量，因此 種溫度變化而產(chǎn)生的誤差不可忽略時也要予以修正。 （２）管道內(nèi)徑 由流體流量計算公式可以看到，流量與管徑的平方成正比，因此，在給定的內(nèi)徑如若 存在０．１％的誤差時，將使流量的計算產(chǎn)生０．２％的誤差。所以，在實際測量中，應(yīng)采用精度 較高的儀器對管道進(jìn)行測量，或?qū)y量裝置應(yīng)盡可能的安裝在標(biāo)準(zhǔn)的管道處進(jìn)行測量，以 減小由于管道不規(guī)則等對流量測量的影響。 （３）波速分布 流體的狀態(tài)對波速分布存在較大影響，根據(jù)流體力學(xué)原理，流體流速增大時，管壁對 流體的阻力加大，沿管徑方向從管壁到管道中間的流體的流速差別會變大，因此，管道中 流速的分布越復(fù)雜，由流體動力學(xué)修正得到的流速與實際流速的差別也會加大。所以，流 體的狀態(tài)對測量精度也存在較大影響。 （４）超聲波在聲楔中的入射角 原理式中的入射角是指換能器安裝時對聲楔的入射角，實際換能器的安裝角度取決于 換能器的制造工藝，只能控制在一定的允許誤差范圍內(nèi)。此外測量中需要一對換能器用于 收發(fā)，對每個換能器其安裝角度偏差的大小、方向以及聲阻抗也不盡相同。因此，要減小 因為安裝的入射角產(chǎn)生的誤差，需耍選用高性能的換能器并進(jìn)行精確的安裝。

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（５）超聲波的傳輸時間 時差法流量測量技術(shù)的關(guān)鍵是精確計算出超聲波的傳輸時間。由上述分析可知，采用 方差比檢驗和內(nèi)部插值方法，可以較好的定位計算出傳輸時間。但是，考慮到超聲波信號

的接收發(fā)射等存在或多或少的電路延時和換能器電聲轉(zhuǎn)換延時，所以，還需要進(jìn)行一定的
修正，以進(jìn)一步減小誤差。 系統(tǒng)硬件中系統(tǒng)晶振的頻率抖動和漂移也是產(chǎn)生測量誤差的一種因素。綜上，在盡可 能降低人為因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差影響前提下，提高時差法超聲波流量測量精度的關(guān)鍵是 提高系統(tǒng)的時間檢測能力。采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部插值，可以進(jìn)一步減小測時誤差，更精確的 地定位波形起點，取得高測量分辨率。通過內(nèi)部插值，結(jié)合方差比檢驗方法，能夠在較短 時間內(nèi)定位接收信號的起始點，縮短數(shù)據(jù)處理時間，并提高系統(tǒng)的測量精度。

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第七章結(jié)束語
隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息處理計算的高速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到了越來越 廣泛的運用。ＡＲＭ微控制器在智能儀器儀表開發(fā)和工業(yè)控制領(lǐng)域，以其高性能、低成本、 低功耗等優(yōu)點在應(yīng)用中得到廣泛地認(rèn)可。 基于嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用的特點，通過認(rèn)真學(xué)習(xí)研究ＡＲＭ微控制器的基本組成和工 作原理，并結(jié)合實際運用，對嵌入式平臺的軟硬件進(jìn)行擴展。嘗試將ＡＲＭ新技術(shù)運用到 傳統(tǒng)儀器儀表中，選擇設(shè)計開發(fā)一種以ＡＲＭ微控制器為主控制芯片的時差法超聲波流量 計。 針對嵌入式系統(tǒng)和時差法超聲波流量計的特點，主要完成了以下工作。 １．對時差法超聲波流量計的測量的基本原理進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)出改進(jìn)的測量公 式；并給出了提高流量測量精度的修正方法。 ２．對超聲波換能器特點進(jìn)行了分析，完成了以ＬＰＣ２２１４微控制器為硬件核心的系統(tǒng)

電路設(shè)計，并在ＡＲＭ硬件基礎(chǔ)之上，移植了ｕＣｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)，構(gòu)建了ＡＲＭ－－Ｌｉｎｕｘ嵌
入式系統(tǒng)開發(fā)平臺。嵌入式ｕＣｌｉｎｕｘ為系統(tǒng)軟件開發(fā)提供了豐富的軟件資源，使系統(tǒng)能夠 方便地實現(xiàn)多任務(wù)管理。同時，也使得系統(tǒng)軟件的開發(fā)更具有靈活性和廣闊的空間。 ３．流量測量的數(shù)據(jù)處理部分，研究了超聲波流量計的聲時測量問題，給出了基于過零 點檢測的方差比超聲波初始回波的判定算法，系統(tǒng)中設(shè)計了溫度測量電路，能夠使系統(tǒng)靈 活地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。 當(dāng)然，由于設(shè)計系統(tǒng)所涉及知識的廣闊性和復(fù)雜性以及個人能力、時間有限，系統(tǒng)設(shè) 計是實驗性樣機，尚不具備根據(jù)溫度、壓力等要素對流量進(jìn)行自動校正的能力。如若要進(jìn) 一步完善和改進(jìn)，完成完整產(chǎn)品，仍需要繼續(xù)投入很多的工作。

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基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計珂ｆ制

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ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ

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Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ

Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＴＰＳ７３ＨＤ３１８

ＤＵＡＬ－ＯＵＴＰＵＴ

ＬＯＷ－ＤＲＯＰＯＵＴ

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ｘ

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Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｔｅｐ－Ｕｐ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ

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【２６】Ｔｅｘａｓ ［２７１

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Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ＴＬＶ５５ １０．８ Ｂｉｔ Ｈｉｇｈ ｓｏｅｅｄ Ａｎａｌｏｇ－ｔｏＤｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ．１９９４．

［２８】Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

Ｄｅｖｉｃｅ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．ＩＤＴ７２０６ ＣＭＯＳ

ＡｓＹＮｃＨＲＯＮｏｕｓ １６３８４×９ｂｉｔ

ＦＩＦＯ．１９９６．

［２９１ ＺＬＧ７２９０，１２ｃ接口鍵盤及ＬＥＤ驅(qū)動芯片數(shù)據(jù)手冊，廣州周立功單片機發(fā)展有限公司． 【３０】２４０Ｘ１２８點陣圖形點陣液晶顯示模塊ＴＧ２４０１２８．深圳市歐普迪科技開發(fā)有限公司． ［３１］ＯＰＥＮ－ＪＴＡＧ開發(fā)小組．ＡＲＭ ＪＴＡＧ調(diào)試原理ＴＷＥＮＴＹＯＮＥ，ＯＣＴ，２００４ 【３２】周立功等編著．ＡＲＭ嵌入式系統(tǒng)開發(fā)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，２００４，１２． ［３３】Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．ＬＭ７５．Ｄｉｇｉｔａｌ
ｗｉｔｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ

ＷＡＴＣＨＤＯＧ

Ｔｗｏ—Ｗｉｒｅ

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基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計研制

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Ｈｕｉｑｉａｎｇ，Ｈｕａｎ Ｗｅｉｙｉ，ＬｉＰｉｎｇ，Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ
Ｏｌｌ

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基于ＡＲＭ的時差法超聲波流量計研制

攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
【１］魏守包，唐慧強．基于嵌入式ＡＲＭ－ｕＣｌｉｎｕｘ的ＺｉｇＢｅｅ網(wǎng)絡(luò)設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器

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基于ＡＲＭ的時差洼超聲波流量計研制

致謝
首先，特別感謝我的指導(dǎo)老師唐慧強教授，在我攻讀碩士的兩年多生活、

學(xué)習(xí)和科研過程中給予的精心指導(dǎo)和關(guān)懷。我碩士論文的開題，系統(tǒng)設(shè)計，論 文撰寫等都得到了導(dǎo)師的指導(dǎo)和幫助。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識和敬 業(yè)精神使我受益匪淺，在他的培養(yǎng)下成長是我畢生的榮幸。導(dǎo)師不僅為我們創(chuàng) 造了良好的實驗條件，且培養(yǎng)了我們團(tuán)結(jié)互助的團(tuán)隊精神。在此謹(jǐn)向唐老師致
以最誠摯的敬意。

同時，感謝氣象臺的方忠進(jìn)老師在生活上對我的無私關(guān)懷和照顧，在學(xué)習(xí)
上的支持和幫助。 其次，感謝智能儀器儀表實驗室的所有師兄弟姐妹。在同他們的日常生活 和學(xué)習(xí)交流中，使我深受啟發(fā)，學(xué)習(xí)到很多有益知識。 最后，感謝我的家人和朋友，感謝他們一直以來的支持、關(guān)愛和信任。 在本文完稿之際，向所有給予我?guī)椭�、關(guān)心和支持的老師、同學(xué)、朋友及 親人表示深深的謝意。

基于ARM的時差法超聲波流量計研制
作者： 學(xué)位授予單位： 魏守包 南京信息工程大學(xué)

相似文獻(xiàn)(10條) 1.學(xué)位論文 鐘連學(xué) DN80型工業(yè)超聲波燃?xì)獗淼难兄?2006
超聲波流量測量技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種新型的流量測量技術(shù)，它利用超聲波在流體中傳播時所載的流體流速信息來測量流體流量，具有非 接觸、精度高、測量范圍寬和維護(hù)方便等優(yōu)點，特別適用于臨時管道、大口徑管道和危險性流體的流量測量。近年來，隨著大規(guī)模集成電路與數(shù)字信號 處理技術(shù)的發(fā)展，新型探頭材料與工藝的研究，聲道配置及流體動力學(xué)的研究，超聲波流量測量技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，顯示了它強勁的技術(shù)優(yōu)勢，成 為一種重要的流量測量方法。本文詳細(xì)介紹了超聲波流量測量技術(shù)的基本原理，在借鑒和吸收國內(nèi)外先進(jìn)的超聲波流量測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了基 于傳播時間差法的系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件的功能，并對儀表做了現(xiàn)場的測試�？紤]到氣體流量測量存在的難點，本文著重討論和解決了 以下方面的問題。 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的問題。一是采用了延遲窗口接收技術(shù)，以減小干擾脈沖對測量結(jié)果的影響；二是根據(jù)接收信號脈沖寬度的特點，采用 脈沖寬度檢測電路來識別接收信號；三是用復(fù)雜可編程邏輯器件XilinxXC2C128CPLD對系統(tǒng)大部分的數(shù)字電路進(jìn)行了集成化設(shè)計，達(dá)到了既簡化電路設(shè)計 ，又提高了系統(tǒng)可靠性的目的。 提高系統(tǒng)的精度和測量范圍的問題。一是設(shè)計出了匹配良好的發(fā)射和選頻接收放大電路，提高了收發(fā)電路的工作效率和接收信號的信噪比；二是使 用程控放大來提高放大電路的動態(tài)范圍，并結(jié)合特殊的管道反射聚焦的方式，以適應(yīng)不同氣體流速的需要；三是采用雙門限比較法、高速數(shù)據(jù)采集和相 應(yīng)的數(shù)字信號處理技術(shù)來減小噪聲干擾和因接收信號幅度不同而引起相位誤差；四是對流速修正系數(shù)進(jìn)行了分析和研究。 低功耗的問題。本文從硬件和軟件兩個方面入手，硬件方面通過采用低功耗的器件和電路、較低的工作電壓和合適的時鐘頻率等措施，軟件方面通 過采用動態(tài)的電源管理、可變的瞬時流速采樣周期和低功耗的操作模式等措施，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。 現(xiàn)場測試表明，儀表功耗低，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在較寬的測量范圍內(nèi)具有較好的測量精度。

2.期刊論文 劉曉宇.楊江.LIU Xiao-yu.YANG Jiang 時間比例放大技術(shù)在超聲波流量計中的應(yīng)用 -傳感技術(shù)學(xué)報 2007,20(2)
利用超聲波時差法測量小口徑管道中的流體流速時,傳播時間差很小,不易測量.針對這一難點,借鑒"游標(biāo)卡尺"的測量思路,介紹了時間比例放大技術(shù) ,提出了實用的微小時間差測量方法,對時間差先放大,后測量,且放大比例可以通過反饋自動調(diào)節(jié).該方法具有結(jié)構(gòu)簡單,分辨率高等優(yōu)點.

3.學(xué)位論文 閆菲 多脈沖時差法超聲波流量計的設(shè)計與實現(xiàn) 2006
工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中，流量測量必不可少，由于超聲波流量計可以將超聲換能器夾裝在管道外面進(jìn)行非接觸測量，無需中斷管道，設(shè)計和安 裝方便，并且滿足大部分工業(yè)生產(chǎn)的精度要求，近年來得到了廣泛應(yīng)用。 本設(shè)計采用了多脈沖時差法測量技術(shù)，增強了系統(tǒng)的抗干擾性，改善了測量效果。系統(tǒng)的硬件部分以MSP430F155為控制核心，選用了高精度時間數(shù) 字轉(zhuǎn)換器TDC-GPII和復(fù)雜可編程邏輯器件ispLSI1032等芯片。充分發(fā)揮了ispLSI1032的在系統(tǒng)可編程性，設(shè)計了超聲波退耦合脈沖定時器、抗干擾濾波 器、數(shù)字單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等電路，實現(xiàn)了多脈沖的時間差測量，進(jìn)一步提高了硬件抗干擾性，并且完成了系統(tǒng)時鐘同步和電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)。 通過芯片內(nèi)部的門電路傳播時延實現(xiàn)系統(tǒng)傳播時間的測量，可以達(dá)到較高的測量精度，與傳統(tǒng)的通過高速數(shù)字計數(shù)器測時的方式相比，有很大的優(yōu) 勢，可以在較低的頻率下完成電路的設(shè)計，避免了高頻電路設(shè)計中所帶來的更繁雜的電磁兼容等方面的問題。 軟件設(shè)計是基于嵌入式實時操作系統(tǒng)SmallRTOS430的實現(xiàn)。SmallRTOS430是由μC/OS-Ⅱ和SmallRTOS51經(jīng)過改寫和移植而來，最大限度的減少了操 作系統(tǒng)本身的代碼量和所需的內(nèi)存空間。整個軟件系統(tǒng)以任務(wù)為單位，任務(wù)的實現(xiàn)相互獨立，簡化了軟件的開發(fā)過程，縮短了開發(fā)周期，增強了系統(tǒng)的 可靠性。 本文設(shè)計的時差法超聲波流量計，采用了TDC-GPII測量傳播時間差，保證了較高的測量精度；使用ispLSI1032完成了多脈沖情況下時間差的確定和 超聲波退耦合脈沖定時器、抗干擾濾波器等硬件抗干擾電路，改善了超聲波流量計的測量效果。

4.學(xué)位論文 杜海明 偽碼相關(guān)時差法超聲波氣體流量計的研究 2007
超聲波流量計作為一種非接觸、易于安裝維護(hù)的儀表在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在天然氣計量領(lǐng)域，雖然孔板流量計仍是最主要的手段，但超聲 波流量計具有無可動部件、無壓損、測量精確度高等優(yōu)點，它的潛力和后發(fā)優(yōu)勢是很明顯的。隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實用問題的探索，超聲波流量計一 定會在這一領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用�；ハ嚓P(guān)時差法結(jié)合了傳統(tǒng)時差法和相關(guān)法，繼承了它們的優(yōu)點，又克服了時差法觸發(fā)時刻不容易確定、時間差難以直接 精確測量，相關(guān)法被測對象不確定性、易受駐波影響等缺點。 本文將偽隨機碼引入到互相關(guān)時差法的超聲信號處理中來，它以其優(yōu)良的雙值自相關(guān)和周期性，可以實現(xiàn)對微小時間差的精確測量。對影響偽碼相 關(guān)結(jié)果的重要參數(shù)，如：碼元長度，采樣頻率，偽隨機序列總長度，偽隨機序列周期個數(shù)等，進(jìn)行了理論的分析，得出了參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)硬件電路 主要包括超聲信號的發(fā)射、接收和處理部分。發(fā)射部分設(shè)計了兩種方案：數(shù)字式任意波形發(fā)生器和直接數(shù)字頻率合成器。這兩種方式均能直接產(chǎn)生經(jīng)過 調(diào)制的偽隨機ASK(或FSK)信號，但它們有各自的優(yōu)缺點和適用范圍。超聲信號接收處理電路的作用是從放大濾波后的信號中解調(diào)出偽隨機信號，并將其 穩(wěn)定在一個固定的范圍之內(nèi)。這一部分電路由數(shù)字、模擬芯片實現(xiàn)，其中自動增益放大電路通過FPGA進(jìn)行控制。使用任意波形發(fā)生器對本課題選用的 SensComp發(fā)射/接收型壓電陶瓷超聲換能器進(jìn)行了移頻編碼與調(diào)幅編碼特性實驗研究，發(fā)現(xiàn)該換能器不適合進(jìn)行移頻編碼，當(dāng)進(jìn)行調(diào)幅編碼時，需要選擇 合適的參數(shù)。通過實驗方法選擇了兩種適用的偽隨機調(diào)幅編碼信號。系統(tǒng)調(diào)試成功后，將本設(shè)計偽碼相關(guān)時差法超聲波氣體流量計在天津大學(xué)過程檢測 與控制實驗室的常壓氣體流量實驗裝置上進(jìn)行了試驗測試，結(jié)果符合時間差與流速成線形關(guān)系的趨勢，并且隨著流速的增大，誤差逐步的減小。對測試 結(jié)果的誤差來源進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了解決和進(jìn)一步完善設(shè)計的方案。

5.期刊論文 王根平.Wang Genping 基于微處理器的數(shù)字超聲波流量計 -自動化儀表2007,28(1)
研究設(shè)計了一種以微計算機處理器為核心,根據(jù)時差法原理來測量流量的數(shù)字超聲波流量計,該數(shù)字超聲波流量計具有測量精度高、測量范圍大、工 作穩(wěn)定可靠的特點.具體的實現(xiàn)過程是利用信號相關(guān)的數(shù)字處理方法計算出超聲波在流體中的上行信號和下行信號的時間差,從而可換算出所測量的流量 值.實驗結(jié)果顯示,這種數(shù)字超聲波流量計能達(dá)到很高的精度.隨著數(shù)字處理技術(shù)和處理器件的發(fā)展,數(shù)字超聲波流量計將具有越來越大的優(yōu)勢.

6.學(xué)位論文 尹倫海 小管徑低流速液體流量超聲檢測方法的研究 2005
隨著超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展,超聲波流量計廣泛應(yīng)用于冶金、電力、環(huán)保、醫(yī)療等行業(yè).超聲波流量計的測量精度受被測流體的溫度、壓力、粘度、 密度等參數(shù)影響較小,又可以制成非接觸及便攜式檢測儀表,故可以檢測其他類型儀表所難以檢測的強腐蝕性、非導(dǎo)電性及易燃易爆的流量.目前,國內(nèi)生 產(chǎn)的超聲波流量計可以檢測的最小管徑為12mm,而管徑低于12mm的超聲波檢測儀表正在研制中;國外也僅有幾家超聲波儀表企業(yè)的產(chǎn)品可以檢測較小管徑 的液體流量.本論文研究的目的就是研制出能夠檢測管徑在12mm以下的超聲波流量計,并且具有一定的實用性.本檢測系統(tǒng)采用平均時間差法進(jìn)行流量測量 ,提高了檢測精度,使小管徑的流量檢測成為可能.微控制器采用高性能DSP芯片TMS320LF2407,使儀表的運行速度較快,實時性較好;系統(tǒng)程序采用匯編語言 編寫,以保證檢測系統(tǒng)的實時性;采用硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合方法,提高抗干擾能力;同時采用自適應(yīng)的軟件濾波方法,達(dá)到最優(yōu)濾波;檢測系統(tǒng)采用液 晶顯示器顯示測量結(jié)果,同時采用CAN現(xiàn)場總線通信方式通信,可遠(yuǎn)距離監(jiān)控.本系統(tǒng)檢測精度可靠,抗干擾性強,非常適于工業(yè)控制及惡劣環(huán)境中檢測.論文 最后對以后的工作進(jìn)行了展望,提出了新的目標(biāo).

7.學(xué)位論文 閻明 高精度微功耗時差法超聲波流量計的設(shè)計 2007
隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，流量的測量如今已經(jīng)不可或缺，超聲波流量計由于其不接觸被測物質(zhì)，測量準(zhǔn)確度幾乎不受介質(zhì)溫度、壓力等參數(shù)的影

響，無須中斷管道等優(yōu)點，近年來已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。 本系統(tǒng)利用時差法的測量原理，采用數(shù)字電路的抗干擾接收波形處理技術(shù)，提高了測量效果。系統(tǒng)選用了高精度時間間隔測量芯片TDC-GP2用于時間 的測量以及控制發(fā)射脈沖，以超低功耗的MSP430F155單片機作為系統(tǒng)的核心，用于控制及計算處理，并使用CPLD ispMACH4064完成了接收波形脈沖的提 取和接收波形自動增益控制的功能。 利用CPLD完成對收波信號的處理，大大提高了脈沖提取的精度，有效的去除了干擾，為時間間隔的高精度測量奠定了基礎(chǔ)。 采用GP2通過芯片內(nèi)部門電路的傳播時延進(jìn)行系統(tǒng)傳播時間的測量，與傳統(tǒng)的高速計數(shù)器相比，具有極高的精度，并可以在1MHz的頻率下完成電路 ，避免了高頻電路的干擾等復(fù)雜問題。 在嵌入式工作平臺IAR Embedded Workbench下使用C語言，完成了硬件之間的控制與數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了工業(yè)自動化儀表所需要的測量流程。采用C語 言編程，大大提高了軟件開發(fā)的工作效率，提高了程序的可靠性、可讀性和可移植性。方便了設(shè)計的繼續(xù)完善與擴展。 本文設(shè)計的時差法超聲波流量計，采用測時芯片測量傳播時間差，使用CPLD完成接收波形提取的硬件抗干擾電路，保證了較高的系統(tǒng)測量精度；應(yīng) 用單片機的低功耗和較快的計算能力，完成了系統(tǒng)控制和處理的穩(wěn)定性；較好地改善了超聲波流量計的測量效果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。 通過對本流量計進(jìn)行正確的安裝、校驗調(diào)整并準(zhǔn)確設(shè)置現(xiàn)場參數(shù)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)大概1％的測量精度。

8.學(xué)位論文 趙宇洋 基于相關(guān)算法的編碼超聲氣體流量計研究 2008
超聲波流量計作為一種非接觸、易于安裝維護(hù)的儀表在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其在天然氣計量領(lǐng)域，超聲波流量計的潛力和優(yōu)勢十分明顯。雖 然孔板流量計仍是主要測量手段，但超聲波流量計具有無可動部件、無壓損、測量精確度高等優(yōu)點，另外隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實用領(lǐng)域的探索，超聲 波流量計將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。 本文將偽隨機編碼信號引入了相關(guān)時差法超聲流量計的信號處理中。相關(guān)時差法是傳統(tǒng)時差法與相關(guān)算法對結(jié)合，兼具二的者優(yōu)點，并且克服了時 差法觸發(fā)時刻不易確定、時間差難以直接精確測量，相關(guān)法被測對象不確定、易受駐波影響等缺點。偽隨機編碼碼信號以其優(yōu)良的自相關(guān)特性，可以實 現(xiàn)對微小時間差的精確測量。本文針對巴克序列，m序列以及L序列進(jìn)行了理論分析及相關(guān)試驗，比較了各編碼方式的特性，并對影響相關(guān)結(jié)果的重要參 數(shù)，如：碼元寬度，采樣頻率，序列長度，序列周期個數(shù)等，確定了選取標(biāo)準(zhǔn)。 系統(tǒng)硬件電路主要包括超聲信號的發(fā)射、接收和處理部分。發(fā)射部分設(shè)計了數(shù)字式任意波形發(fā)生器，直接產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的偽隨機編碼信號。超聲信 號接收處理電路的作用是從放大濾波后的信號中解調(diào)出偽隨機編碼信號，并將其穩(wěn)定在一個固定的范圍之內(nèi)。 使用任意波形發(fā)生器對本課題選用的SensComp發(fā)射/接收型壓電陶瓷超聲換能器進(jìn)行了調(diào)幅編碼特性實驗研究，得出參數(shù)選擇的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)調(diào)試成功 后，分別用巴克序列、m序列、L序列三種不同編碼方式激勵超聲換能器，比較優(yōu)劣；并將本設(shè)計偽碼相關(guān)時差法超聲波氣體流量計在天津大學(xué)過程檢測 與控制實驗室的常壓氣體流量實驗裝置上進(jìn)行了試驗測試，對測試結(jié)果的誤差來源進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了解決和進(jìn)一步完善設(shè)計的方案。

9.期刊論文 陳楚.王衛(wèi)星.吳敏.蔡坤.CHEN Chu.WANG Wei-xing.WU Min.CAI Kun 谷物收獲超聲波流量計的前期研 究 -農(nóng)機化研究2007,""(12)
以多普勒法的谷物收獲超聲波流量計為研究對象,進(jìn)行谷物收獲系統(tǒng)和超聲波流量計的前期研究.超聲波流量計是利用流體對超聲波的影響來測量流 量的儀表,傳統(tǒng)的測量原理一般為時間差法,測量精度低,只能對液體或者氣體進(jìn)行流速測量;而采用多普勒測量法則可以達(dá)到更高的測量精度,并且嘗試對 谷物(固體)的流速進(jìn)行測量.

10.學(xué)位論文 呂云飛 相位差法超聲流量計技術(shù)的研究 2005
本論文的研究對象是相位差法超聲波流量計。相位法超聲波流量計是向盛有流動液體的管道中順流方向和逆流方向交替的發(fā)射超聲波寬脈沖。流速 就是總的傳播液體傳播時間和順逆流方向傳播時間差的函數(shù)。在本論文中，對能提高整個系統(tǒng)性能的幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的理論研究，并給出了具 體電路實現(xiàn)方法。主要工作如下：1.研究了時差式超聲波流量計的測量原理，對理論公式進(jìn)行了推導(dǎo)并給出了時差法超聲波流量的測量原理圖。然后根 據(jù)流體力學(xué)的有關(guān)知識，對管道流體流速分布規(guī)律特別是流速分布修正系數(shù)進(jìn)行了討論。最后從理論上對超聲波在流體中的傳播特性進(jìn)行分析，為具體 的電路實現(xiàn)打下了堅實的理論基礎(chǔ)。2.討論整個系統(tǒng)硬件電路的幾個關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)方法，包括換能器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇、接收電路和信號檢測電路 以及采用現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)設(shè)計高精度計數(shù)電路和對傳播時間差的精確測量。3.在本論文中，結(jié)合軟件工程給出了流量計流量計算軟件和控制 軟件的流程框圖，并對軟件的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的說明。4.對影響流體流量測量的各種因素進(jìn)行了仔細(xì)的分析、研究，采用突出主要誤差的分配原則，對 各種可能誤差進(jìn)行了誤差合成。最終給出了實驗方案和結(jié)果。

本文鏈接： 下載時間：2010年5月26日



  本文關(guān)鍵詞：基于ARM的時差法超聲波流量計研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。