基于雙核處理器OMAP5910的多普勒流量計

    0 引言

    超聲多普勒流量計由于具有非接觸測量、無(wú)損檢測等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在工業(yè)界得到了廣泛的應用。但是目前國內外對工業(yè)管道用超聲多普勒流量計的研究中，在測量方法和技術(shù)實(shí)現手段上仍處在一個(gè)較低的水平，性能普遍不高，存在不能判斷流速方向、低流速測量困難、動(dòng)態(tài)響應速度慢、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)極大限制了超聲多普勒流量計的推廣和使用。本文以超聲多普勒流量測量方法為研究對象，從理論和技術(shù)實(shí)現兩個(gè)方面深入研究了解決傳統超聲多普勒流量計存在問(wèn)題的途徑，建立了一種新的超聲多普勒管道流量測量方法，并且采用ARM+DSP結構的OMAP5910雙核處理器為平臺實(shí)現一種新型超聲多普勒流量測量系統。實(shí)現的新型超聲多普勒管道流量測量系統可以動(dòng)態(tài)顯示流速、瞬時(shí)流量、累積流量、信號強度等測量結果，較高的流速測量尤其是低流速測量的動(dòng)態(tài)響應能力以及穩定性，具有較好的推廣和應用前景。

    1 超聲多普勒流量測量原理

    當聲源和聲接收器之間存在相對運動(dòng)，或者兩者同時(shí)相對媒質(zhì)運動(dòng)的情況下，所接收到信號的頻率和聲源頻率會(huì )產(chǎn)生差別，這種效應稱(chēng)為多普勒效應，接收到信號的頻率與聲源頻率之差為多普勒頻移，它的大小取決于兩者之間的相對運動(dòng)速度[1-3]。

    本文研究的超聲多普勒流量測量系統采用一對斜探頭垂直對稱(chēng)外夾安裝在管道外側，如圖1所示。超聲波發(fā)射探頭向流體中發(fā)射的聲波在遇到隨流體一起運動(dòng)的氣泡、微粒等物質(zhì)時(shí)將會(huì )產(chǎn)生散射，這些散射體可以看成若干新的點(diǎn)聲源。在這些點(diǎn)聲源和超聲波發(fā)射、接收探頭之間將因存在相對運動(dòng)而產(chǎn)生多普勒效應。

圖1 超聲多普勒流量測量原理示意圖

    根據多普勒效應原理，單個(gè)顆粒隨流體一起以速度u運動(dòng)，靜止流體中的聲速為c，發(fā)射探頭發(fā)射的連續波超聲信號頻率為f₀，由于顆粒的散射而進(jìn)入接收探頭的超聲信號頻率f_r為：

        （1）

    α是超聲波入射、反射方向與流體運動(dòng)方向的夾角。實(shí)際測量時(shí)流體中的聲速c一般在1000m/s以上，而被測流體速度u一般小于10m/s。另外，流體中的聲速c易受溫度影響，為減少溫度影響而產(chǎn)生的誤差，在實(shí)際使用中引入聲楔，結合折射定律：    

        （2）

    可推導出顆粒所在位置流體速度u為：

        （3）

    式中，f_d=f_r-f₀為多普勒頻移。式（3）中只出現聲楔的縱波聲速c₀而不含流體的聲速c。由于固體聲速的溫度系數一般比流體聲速的溫度系數小，因此采用式（3）可以減小流體溫度變化帶來(lái)的影響，提高了檢測精度。

    實(shí)際中接收探頭所接收到的是取樣域內顆粒產(chǎn)生的散射波的合成，如圖1，如果取樣域內顆粒分布均勻且沿軸向運動(dòng)，則取樣域內顆粒的平均多普勒頻移由加權平均得到：

        （4）

    式中，N是顆粒的總數，f_di是各個(gè)顆粒具有的多普勒頻移，S（f_di）是各個(gè)顆粒形成的功率譜線(xiàn)強度。則取樣域內流體的平均速度可以表示為：

        （5）

    當取樣域設為整個(gè)管道直徑范圍，則取樣域流體的平均流速近似于管道截面流體平均流速，易于根據截面積來(lái)計算管道流體的瞬時(shí)流量、累積流量和流速方向等數據。

    2 測量系統硬件方案

    實(shí)現的超聲多普勒流量計系統硬件包括超聲多普勒探頭、基準信號源、功率放大器、前置放大器、低通濾波、模數轉換器、OMAP5910雙核處理器、Flash存儲器、人機界面專(zhuān)用鍵盤(pán)和顯示器模塊、輸出和通訊等部分，系統結構如圖2所示。

圖2 超聲多普勒流量計硬件結構示意圖

    系統采用一對發(fā)射和接收超聲多普勒探頭外夾安裝在管道上，基準信號源產(chǎn)生頻率為640kHz的正弦信號，功率放大后驅動(dòng)發(fā)射探頭經(jīng)管壁向被測流體中發(fā)射超聲波，該超聲波信號被流體中的顆�；驓馀萆⑸涠�產(chǎn)生多普勒效應。接收探頭接收散射的超聲多普勒信號，經(jīng)前置放大、低通濾波除去帶外噪聲，經(jīng)模數轉換器MAX1449采樣送OMAP5910中的DSP核處理。DSP核對數據信號進(jìn)行FIR濾波和FFT變換，然后利用ARM核做簡(jiǎn)單數據運算，計算流速、流量等數據；利用ARM核的控制接口實(shí)現串口輸出、網(wǎng)絡(luò )化和存儲功能，系統通過(guò)串口與專(zhuān)用鍵盤(pán)顯示器人機界面控制器件通信，通過(guò)USB接口和CF口將數據存儲在USB硬盤(pán)或CF卡上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )RJ45接口與移動(dòng)PC通信和傳輸數據；系統設有4-20mA的輸出對應流量的最小和最大值。    

    2.1 OMAP5910處理器

    OMAP5910處理器是TI公司的應用最為廣泛的TMS320C55xDSP內核與低功耗、增強型ARM925微處理器組成的雙核應用處理器[3]。OMAP5910處理器同時(shí)擁有TITMS320C55xDSP內核的實(shí)時(shí)處理性能，低功耗、TI增強型ARM925微處理控制和接口方面的優(yōu)點(diǎn)�；�于雙核結構的OMAP5910具有極強的運算能力和極低的功耗，一方面產(chǎn)品性能高、省電，另一方面同其它OMAP處理器一樣，采用開(kāi)放式、易于開(kāi)發(fā)的軟件設施，支持廣泛的操作系統，如Linux、Windows、WinCE、Nucleus、PalmOS、VxWorks、lava等，此外，還可以通過(guò)API及用戶(hù)熟悉且易于使用的工具優(yōu)化其應用程序。

    2.1.1 TI925T（ARM9TDMI）內核

    ARM925處理器的TI925T內核是采用5階段管道化流水線(xiàn)32位的RISC處理器架構的體系結構，并采用ARM9作內核，同時(shí)配備Thumb擴展。能夠處理32位或者16位的指令和8位、16位、32位的數據[4]。這款新型高性能、低功耗的微構架兼容ARMv4T指令集，并通過(guò)采用協(xié)處理器CP15使體系結構得到增強。系統中的控制寄存器可通過(guò)對協(xié)處理器CP15的讀寫(xiě)來(lái)對MMU、Cache和讀寫(xiě)緩存控制器進(jìn)行存取操作。這種微構架在A(yíng)RM核的周?chē)�提供了指令與數據存儲器管理單元，指令、數據和寫(xiě)緩沖器，性能監控、調試和JTAG單元以及協(xié)處理器接口，MAC協(xié)處理器和內核存儲總線(xiàn)。

    2.1.2 TMS320C55x內核

    TMS320C55x內核的主要特點(diǎn)是[5]：有1個(gè)64´8位的緩存隊列（InstructionBufferQueue），2個(gè)17´l7位的乘法累加單元（MAC），1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（ALU），1個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元，1個(gè)40位的桶形移位器（BarrelShifter）和4個(gè)40位的加法器。另外還有12條獨立的總線(xiàn)，即：3條數據讀總線(xiàn)，2條數據寫(xiě)總線(xiàn)，5條數據地址總線(xiàn)，1條程序讀取總線(xiàn)和1條程序地址總線(xiàn)。此外，還有用戶(hù)可以配置的IDLE域。內核主要由4個(gè)單元組成：指令緩沖單元、程序流單元、地址數據流單元和數據運算單元。

    3 系統軟件方案設計

    OMAP嵌入式系統應用程序包括運行于A(yíng)RM端的GPP客戶(hù)應用程序和運行于DSP端的DSP程序。GPP程序是基于Limix操作系統之上的應用程序，主要完成從DSP取得數據、存儲數據、向網(wǎng)絡(luò )、串口發(fā)送數據等任務(wù)。DSP程序是基于DSP/BIOS實(shí)時(shí)內核的數字信號處理程序，主要完成I/0接口取得MAX1449的AD轉換結果數據，進(jìn)行濾波和FFT變換處理，向GPP發(fā)送數據。GPP任務(wù)和DSP任務(wù)通信通過(guò)DSP/BIOS橋進(jìn)行。

    3.1 ARM端應用程序

    ARM端GPP應用程序開(kāi)發(fā)是基于MontavistaLinux的。與DSP通信時(shí)直接調用DSP/BIOSLINK的API函數，其它存儲設備、網(wǎng)絡(luò )設備和串口設備的編程直接調用Linux操作系統提供的文件操作、SOCKET操作和串口操作等API函數即可。GPP端的核心是控制任務(wù)和數據處理任務(wù)，所有的控制信息都經(jīng)由控制任務(wù)發(fā)出，開(kāi)啟DSP節點(diǎn)上的處理任務(wù)，DSP節點(diǎn)將處理后的頻率數據通過(guò)消息發(fā)送過(guò)來(lái)，然后數據處理任務(wù)通過(guò)讀取消息得到，按照公式對數據進(jìn)行處理，計算流體速度及流量。然后數據處理任務(wù)根據需要，將速度數據發(fā)送到存儲任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )任務(wù)或串口任務(wù)。

    3.2 DSP程序開(kāi)發(fā)

    DSP程序開(kāi)發(fā)是基于DSP/BIOS。DSP任務(wù)的實(shí)現及與GPP通信是通過(guò)DSP/BIOS模塊API和MSGQ模塊來(lái)實(shí)現的。DSP/B10S功能模塊分為六類(lèi)：執行線(xiàn)程管理、硬件抽象、設備獨立I/0、內部線(xiàn)程通信和同步、實(shí)時(shí)分析和數據捕獲及其它系統服務(wù)。DSP任務(wù)主要完成數據的采集、處理和傳送功能，其中在前處理任務(wù)中，通過(guò)并口讀取MAX1449處理得到的脈沖轉換數據；在信號處理任務(wù)中，將信號任務(wù)進(jìn)行濾波；在后處理任務(wù)中，對數據進(jìn)行FFT快速傅立葉變換處理，并通過(guò)DSP/BIOSLINK發(fā)送到GPP。數據處理流程和算法如下：

    信號在經(jīng)過(guò)AD后，主要經(jīng)過(guò)FRI濾波和FTF變換，得到信號的頻域數據，由此得到信號的主頻，進(jìn)而計算流速及流量。FIR濾波是基于費時(shí)的乘加操作的，而DSP提供乘加操作指令和FIR濾波指令，可以實(shí)現快速的實(shí)時(shí)處理。系統利用FIR濾波器去除無(wú)效的干擾信號和噪聲信號，實(shí)現反射信號的提純。干擾信號包括換能傳感器和開(kāi)發(fā)電路板產(chǎn)生的干擾，噪聲信號包括電路自身和環(huán)境電磁影響產(chǎn)生的噪聲信號，它們是高頻分量。而反射信號屬于低中頻信號，大約在0~700kHz，使用低通濾波濾除高頻分量即可達到目的。

    快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DTF）的一種快速算法。FFT將信號由時(shí)域變換到頻域，從而可以在頻域分期處理信息。系統對濾波后的信號進(jìn)行FFT變換，從而得到信號頻域信息，由此得到信號的頻率，將主頻數據傳到GPP端，GPP端程序計算流速及流量等信息。

    4 結束語(yǔ)

    傳統的工業(yè)管道用超聲多普勒流量計，由于采用的測量方法和技術(shù)實(shí)現手段上水平較低，性能普遍不高，限制了超聲多普勒流量計的推廣和使用。本文在前人基礎上建立了一種新的超聲多普勒管道流量測量方法并采用ARM+DSP雙核OMAP5910器件進(jìn)行實(shí)現。實(shí)現的新型超聲多普勒管道流量測量系統可以動(dòng)態(tài)顯示流速、瞬時(shí)流量、累積流量、信號強度等測量結果，較高的流速測量尤其是低流速測量的動(dòng)態(tài)響應能力以及穩定性，具有較好的推廣和應用前景。