CN112097842B - 一种基于全相位fft超声波信号的相位检测方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全相位FFT超声波信号的相位检测方法及电路。本发明的超声波相位检测方法由时钟发生器产生两个频率相近的正弦信号分别用于激励与混频，并通过差频技术将混频后的参考信号与回波目标信号的相位信息从高频转换为低频信号，再由16位ADC对信号同步采样，通过全相位预处理后进行FFT计算，得到准确的相位结果。本发明通过一系列信号处理，降低了ADC的采样频率，从而提高了ADC的采样精度，再通过全相位FFT计算顺、逆流的相位，提高了相位法测量流量的精度。

Description

一种基于全相位FFT超声波信号的相位检测方法及电路

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，涉及一种全相位FFT超声波信号的相位检测方法及电路。

背景技术

超声波流量计具有无可动部件、非接触测量、无压损及可在线维护等优点，是流量计的主要发展趋势。相位差法在超声波流量计中的应用得到进一步研究，它通过顺流接收回波与逆流接收回波之间的相位差与流体的流速呈正相关的原理计算流速，该方法无需捕捉接收回波特征点，可选择任意稳定的顺逆流回波信号片段进行相位检测，减小测量误差。

传统相位差检测方法通过模拟电路处理信号获得，其电子测量器件的灵敏度易受外界干扰而影响相位测量的精度，而数字化相位检测方法不依赖于电子器件的性能，并且可以实现在线优化。

现有的数字化相位测量方法有过零检测法、相关法和频谱分析法等。过零检测法的误差与信号的幅值、采样频率和数据采集的精度有关，该方法计算量小，但抗噪性能较差且受采样频率的限制。相关法可以有效抑制与目标信号不相关的干扰信号，具有较强的抗干扰能力，但存在非整周期采样条件下其测量精度不够高，对此有相关文献提出了插值法、多重互相关法等以减小测量误差，但其计算量大且仍未完全消除非整周期采样产生的误差。频谱分析法常采用FFT算法，但由于采样数据截断，会导致FFT谱泄漏、相位谱紊乱等问题。

由于以上三种数字化的相位测量方法都需要对顺、逆流超声波回波信号高速采样，但是超声波流量计换能器的激励频率为1MHz，直接对超声波回波信号采样需要较高成本的高速ADC采样芯片，并且对电路的要求较高，信号周期短，测量难度较大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种全相位FFT超声波信号的相位检测方法及电路。

本发明由时钟发生器产生两个频率相近的正弦信号分别用于激励与混频，并通过差频技术将混频后的参考信号与回波目标信号的相位信息从高频转换为低频信号，再由16位ADC对信号同步采样，超声波采样信号通过全相位预处理后进行FFT计算，得到准确的相位结果。

本发明的全相位FFT超声波信号的相位检测具体方法是：

单片机控制时钟发生器同步产生两路频率相近的高频信号，一路为主振信号f₁作为超声波换能器的激励信号，一路为本振信号f₂用于与主振信号f₁混频；主振信号f₁与本振信号f₂同步输入混频电路A，再通过低通滤波电路A得到具有相位信息的低频参考信号，其频率为(f₁-f₂)；同时，超声波回波信号与本振信号f₂输入混频电路B，再通过低通滤波电路B得到具有相位信息的低频目标信号，其频率也为(f₁-f₂)；由16位ADC对上述低频参考信号与低频目标信号同步采样，并对超声波采样数据进行全相位预处理，再进行FFT计算，得到准确的相位结果；由全相位FFT算法计算顺流状态下低频参考信号和目标信号的相位分别为

其相位差为

同理，逆流状态下的相位差为

超声波回波信号相对激励信号的相位偏移从较高频率f₁通过差频技术转换至较低频率(f₁-f₂)上，其被测信号周期增大，再通过全相位FFT计算相位，能够提高相位测量的准确性。

进一步说，由16位ADC对被测信号进行采样，采样点数为2N-1；然后对超声波采样信号进行全相位预处理：通过采样得到2N-1个超声波数据，将其按照X(1)、X(2)···X(2N-1)顺序排列，并用长度为(2N-1)的卷积窗ω_c对输入的(2N-1)个超声波采样信号加权，再将间隔距离为N的数据进行叠加，由此得到被测信号的数据向量Y_ap，对通过全相位预处理的数据向量Y_ap再通过FFT计算可以得到其准确的相位。

进一步说，在16位ADC对两路频率为(f₁-f₂)的标准相位差信号采样时，选择ADC采样频率为4*(f₁-f₂)时，其相位的测量精度最高；对于实际电路中，选择ADC采样频率为8*(f₁-f₂)时，测量精度最高。

实现上述全相位FFT超声波信号的相位检测方法的电路，包括：

超声波换能器A、超声波换能器B、时钟发生器单元、模拟开关单元、混频电路A单元、混频电路B单元、低通滤波A单元、低通滤波B单元、ADC采样单元以及单片机单元。

超声波换能器A、超声波换能器B安装于管道的异侧。

换能器A的输入端与模拟开关单元第一通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关单元第一通道电路的源端B连接；模拟开关单元第一通道的输出端与时钟发生器单元的第一输出端连接；模拟开关单元第一通道的使能端与单片机的I/O口连接。

换能器A的输入端与模拟开关单元第二通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关单元第二通道电路的源端B连接；模拟开关单元第二通道的输出端与混频电路B单元的输入端连接；模拟开关单元第二通道的使能端与单片机的I/O口连接。

时钟发生器单元的控制端与单片机的I/O口连接；时钟发生器单元的第一输出端输出主振信号，并与模拟开关单元第一通道的输出端连接；时钟发生器单元的第一输出端还与混频电路A单元的输入端连接；时钟发生器单元的第二输出端输出本振信号，并与混频电路A单元的输入端连接；时钟发生器单元的第二输出端还与混频电路B单元的输入端连接；混频电路B单元的输入端与模拟开关单元第二通道的输出端。

混频电路A单元的输出端与低通滤波A单元的输入端连接；低通滤波A单元的输出端与ADC采样单元的第一输入通道连接；混频电路B单元的输出端与低通滤波B单元的输入端连接；低通滤波B单元的输出端与ADC采样单元的第二输入通道连接；ADC采样单元的控制端与单片机的I/O口连接。

所述模拟开关单元选型芯片ADG884；所述时钟发生器单元选型芯片CDCM6208；所述混频电路A单元、混频电路B单元选型芯片AD835；所述ADC采样单元选型芯片ADS8353；所述单片机单元选型芯片STM32F103。

本发明的有益效果在于：本发明设计的测量方法，通过增大被测信号的周期，降低了ADC的采样频率，从而提高了ADC的采样精度，再通过全相位FFT算法计算相位，克服了数字化相位检测方法中非整周期测量带来的较大误差，可以有效抑制频谱泄露，并具有较好的抗噪性。该方法通过差频技术与全相位FFT算法对超声波流量计相位进行测量，提高了流量测量的准确性。

附图说明

图1是超声波管道模型结构示意图；

图2是相位差法超声波流量计测量原理示意图；

图3是超声波信号的差频技术结构示意图；

图4是全相位FFT算法预处理框图；

图5是全相位FFT超声波信号的相位检测方法系统框图；

图6是全相位FFT超声波信号的相位检测方法电路图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明提出的一种全相位FFT超声波信号的相位检测方法及电路。

参照图1，超声波换能器A、B安装在管道异侧，测量原理主要采用相位差法测量，通过计算得到超声波流量计在管段中水流的线平均速度v为：

式中c为超声波在水中的传播速度；L为换能器A与换能器B之间的有效传播距离；θ为超声波信号载入管道的入射角；f为超声波换能器的激励频率；

为顺、逆流回波信号之间的相位差。一般顺逆流回波信号之间的相位差通过与参考信号比较获得，顺、逆流传播相位差具体测量表达式：

参照图2，式中

为顺流接收回波信号与参考信号间的相位差；

为逆流接收回波信号与参考信号间的相位差，通过分别测量顺逆流回波信号相对参考信号的相位偏移得到最终的相位差

再将其代入公式(1)得到瞬时流速。

参照图3是超声波信号差频技术结构示意图，超声波主振信号S₁与超声波本振信号S₂分别表示为：

其中A、B分别表示信号S₁、S₂信号的幅值，f₁、f₂分别表示信号频率，其频率相对较高且较为接近，

为信号S₁、S₂的初始相位。超声波主振信号S₁用于超声波换能器的激励，超声波换能器的接收回波信号S_i表示为：

其中A^’为超声回波接收信号的幅值，

为超声波飞行过程的相位增量。传统方法直接对信号S₁、S_i进行采样，通常超声波换能器的工作频率为1MHz，为获得更为准确的相位采样数据则对ADC采样的要求较高，回波信号受到干扰时，采样结果会受到影响，因此对超声波回波信号进行降频处理。根据余弦公式得到混频后的超声波参考信号S’_r与超声波目标信号S’_t：

通过低通滤波处理滤除高频部分，得到最终的超声波参考信号S_r与超声波目标信号S_t：

比较式(8)与式(9)的相位部分得到其相位差为

这和式(3)与式(5)的相位差一致，由此说明，差频技术仅改变了频率信息，而相位偏移

保持不变。因此，对超声波参考信号和回波接收信号的直接相位偏移测量转变成对参考信号S_r与目标信号S_t之间的相位偏移测量，它由较高频率f₁迁移至较低频率(f₁-f₂)上，本案例的f₁为超声波换能器的工作频率1MHz，f₂可选择995kHz，则输出5kHz的正弦信号，较原频率降低了20倍。

参照图4是全相位FFT算法预处理框图。由于非整周期测量会造成FFT处理得到的相位值与真实值之间存在较大的误差，故对采样的超声波信号进行预处理，再进行FFT计算可以有效避免非整周期测量带来的误差，极大地提高了相位测量的准确度。对上述超声波参考信号S_r与超声波目标信号S_t分别进行采样，采样点数均为2N-1。以对超声波参考信号S_r采样信号预处理为例，通过采样得到2N-1个超声波参考信号S_r数据，将其按照X(1)、X(2)···X(2N-1)顺序排列，然后用长度为(2N-1)的卷积窗ω_c对输入的(2N-1)个超声波采样信号加权，再将间隔距离为N的数据进行叠加，得到全相位预处理超声波参考信号S_r数据向量Y_ap。此时得到长度为N的全相位预处理超声波参考信号S_r数据向量Y_ap再通过FFT计算可以得到其准确的相位。

参考图5是全相位FFT超声波信号的相位检测方法系统框图。它包括单片机单元、时钟发生器单元、模拟开关单元、混频电路A单元、混频电路B单元、低通滤波A单元、低通滤波B单元、ADC采样单元。其中单片机芯片选用STM32F103；单片机通过I/O口连接时钟发生器，并控制其产生两路高频信号，一路为主振信号，一路为本振信号；主振信号分别与混频电路A、模拟开关连接；本振信号分别与混频电路A、混频电路B连接；单片机I/O口连接模拟开关；模拟开关分别与超声波换能器A、超声波换能器B连接；模拟开关输出与混频电路B连接；混频电路B输出与低通滤波B连接；混频电路A与低通滤波A连接；低通滤波A与ADC采样单元连接；低通滤波B与ADC采样单元连接；ADC采样单元与单片机I/O口连接。

参照图6是全相位FFT超声波信号的相位检测方法的一种具体电路实例。图中时钟发生器单元选型芯片CDCM6208，芯片代号为U61；混频电路A单元选型芯片AD835，芯片代号为U62；模拟开关选型芯片ADG884，芯片代号为U63；混频电路B单元选型芯片AD835，芯片代号为U64；ADC采样单元选型芯片ADS8353，芯片代号为U65；单片机单元选型芯片STM32F103，芯片代号为U66。

所述时钟发生器U61的SI.MODE0、SI.MODE1端分别与U66的PA0、PA1连接；U61的SCS、SCI、SDI、SDO端分别与U66的PA2、PA3、PA4、PA5连接；U61的PDN、RESETN端分别与U66的PA6、PA7连接；U61的Y4端分别与U62的X1端、U63的D1端连接；U61的Y5端分别与U62的Y1端、U64的Y1端连接。

所述混频电路A单元U62的X1端与U61的Y4端连接；U62的X2端接地；U62的Y1端与U61的Y5端连接；U62的Y2端接地；U62的V-端接-5V；U62的V+端接5V；U62的W端分别接R1、R3、R4、R5的一端；U62的Z端分别与R1的另一端、R2的一端连接；R2的下端接地；R3的上端接3V；R4的下端接地；R5的右端分别与C1的上端、U65的AINP-A端连接；C1的另一端接地；R5与C1构成低通滤波A单元。

所述换能器A的一端接地，另一端分别与U63第一通道的S1A端、U63第二通道的S2A端连接；所述换能器B的一端接地，另一端分别与U63第一通道的S1B端、U63第二通道的S2B端连接。

所述模拟开关U63第一通道D1端与U61的Y4端连接；U63第二通道D2端与U64的X1端连接；U63第一通道的使能端IN1与U66的PC0端连接；U63第二通道的使能端IN2与U66的PC1端连接。

所述混频电路B单元U64的X1端与U63的第二通道D2端连接；U64的X2端接地；U64的Y1端与U61的Y5端连接；U64的Y2端接地；U64的V-端接-5V；U64的V+端接5V；U64的W端分别接R6、R8、R9、R10的一端；U64的Z端分别与R6的另一端、R7的一端连接；R7的下端接地；R8的上端接3V；R9的下端接地；R10的右端分别与C2的上端、U65的AINP-B端连接；C2的另一端接地；R10与C2构成低通滤波B单元。

所述ADC采样单元U65的SDO-B、SDO-A、SCLK、

SDI端分别与U66的PB0、PB1、PB2、PB3、PB4端连接；U66的AINP-A端与R5的右端连接；U66的AINM-A端、AINM-B端接地；U66的AINP-B端与R10的右端连接。

系统上电后，单片机对各电路单元自动完成初始化，单片机通过SPI协议控制Y4和Y5生成主振信号和本振信号，本例的超声波主振信号选择1MHz，超声波本振信号选择995kHz；频率为1MHz的超声波主振信号分别输入混频电路A与模拟开关，频率为995kHz的超声波本振信号分别输入混频电路A与混频电路B，超声波主振信号与超声波本振信号同时输入混频电路A并通过低通滤波A电路输出频率为5kHz超声波参考信号；超声波回波信号通过模拟开关输入换频电路B并与超声波本振信号进行混频，并通过低通滤波B电路输出频率为5kHz超声波目标信号；超声波参考信号与超声波目标信号同时输入ADC采样单元，通过ADC采样单元对信号进行采样并通过全相位FFT方法计算获得相位。

顺流状态下，单片机改变模拟开关的使能端，选择S1A与D1导通，S1B与D1不导通，选择S2B与D2导通，S2A与D2不导通，此时换能器A作为超声波信号的发射端，换能器B作为接收端；通过上述处理可以获得

的相位差；同理，逆流状态下，单片机改变模拟开关的使能端，选择S1B与D1导通，S1A与D1不导通，选择S2A与D2导通，S2B与D2不导通，此时换能器B作为超声波信号的发射端，换能器A作为接收端；通过上述处理可以获得

的相位差；从而根据式(1)可以获得管道中流体的流速。

本发明的全相位FFT超声波信号的相位检测方法基于上述电路，通过差频技术将高频被测信号的相位信息转换为低频被测信号，增大了被测信号的周期，降低了ADC的采样频率，从而提高了ADC的采样精度，再通过全相位FFT算法计算相位，克服了数字化相位检测方法中非整周期测量带来的较大误差，可以有效抑制频谱泄露，并具有较好的抗噪性。该方法通过差频技术与全相位FFT算法对超声波流量计相位进行测量，提高了流量测量的准确性。

Claims (2)

1.全相位FFT超声波信号的相位检测方法，其特征在于：

单片机控制时钟发生器同步产生两路频率相近的高频信号，一路为主振信号f₁作为超声波换能器的激励信号，一路为本振信号f₂用于与主振信号f₁混频；

主振信号f₁与本振信号f₂同步输入混频电路A，再通过低通滤波电路A得到具有相位信息的低频参考信号，其频率为(f₁-f₂)；同时，超声波回波信号与本振信号f₂输入混频电路B，再通过低通滤波电路B得到具有相位信息的低频目标信号，其频率也为(f₁-f₂)；

由16位ADC对上述低频参考信号与低频目标信号同步采样，并对超声波采样数据进行全相位预处理，再进行FFT计算，得到准确的相位结果；具体是：

由16位ADC对被测信号进行采样，采样点数为2N-1；然后对超声波采样信号进行全相位预处理：通过采样得到2N-1个超声波数据，将其按照X(1)、X(2)···X(2N-1)顺序排列，并用长度为(2N-1)的卷积窗ω_c对输入的(2N-1)个超声波采样信号加权，再将间隔距离为N的数据进行叠加，由此得到被测信号的数据向量Y_ap，对通过全相位预处理的数据向量Y_ap再通过FFT计算得到其准确的相位；

其中，在16位ADC对两路频率为(f₁-f₂)的标准相位差信号采样时，选择采样频率为8*(f₁-f₂)。

2.实现权利要求1所述的全相位FFT超声波信号的相位检测方法的电路，其特征在于，包括：

超声波换能器A、超声波换能器B、时钟发生器单元、模拟开关单元、混频电路A单元、混频电路B单元、低通滤波A单元、低通滤波B单元、ADC采样单元以及单片机单元；

超声波换能器A、超声波换能器B安装于管道的异侧；

换能器A的输入端与模拟开关单元第一通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关单元第一通道电路的源端B连接；模拟开关单元第一通道的输出端与时钟发生器单元的第一输出端连接；模拟开关单元第一通道的使能端与单片机的I/O口连接；

换能器A的输入端与模拟开关单元第二通道电路的源端A连接；换能器B的输入端与模拟开关单元第二通道电路的源端B连接；模拟开关单元第二通道的输出端与混频电路B单元的输入端连接；模拟开关单元第二通道的使能端与单片机的I/O口连接；

时钟发生器单元的控制端与单片机的I/O口连接；时钟发生器单元的第一输出端输出主振信号，并与模拟开关单元第一通道的输出端连接；时钟发生器单元的第一输出端还与混频电路A单元的输入端连接；时钟发生器单元的第二输出端输出本振信号，并与混频电路A单元的输入端连接；时钟发生器单元的第二输出端还与混频电路B单元的输入端连接；混频电路B单元的输入端与模拟开关单元第二通道的输出端；

混频电路A单元的输出端与低通滤波A单元的输入端连接；低通滤波A单元的输出端与ADC采样单元的第一输入通道连接；混频电路B单元的输出端与低通滤波B单元的输入端连接；低通滤波B单元的输出端与ADC采样单元的第二输入通道连接；ADC采样单元的控制端与单片机的I/O口连接；

所述模拟开关单元选型芯片ADG884；所述时钟发生器单元选型芯片CDCM6208；所述混频电路A单元、混频电路B单元选型芯片AD835；所述ADC采样单元选型芯片ADS8353；所述单片机单元选型芯片STM32F103。

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