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基于双核处理器OMAP5910的多普勒流量计
0 引言
超声多普勒流量计由于具有非接触测量、无损检测等突出优点,近年来在工业界得到了广泛的应用。但是目前国内外对工业管道用超声多普勒流量计的研究中,在测量方法和技术实现手段上仍处在一个较低的水平,性能普遍不高,存在不能判断流速方向、低流速测量困难、动态响应速度慢、实时性差等缺点。这些缺点极大限制了超声多普勒流量计的推广和使用。本文以超声多普勒流量测量方法为研究对象,从理论和技术实现两个方面深入研究了解决传统超声多普勒流量计存在问题的途径,建立了一种新的超声多普勒管道流量测量方法,并且采用ARM+DSP结构的OMAP5910双核处理器为平台实现一种新型超声多普勒流量测量系统。实现的新型超声多普勒管道流量测量系统可以动态显示流速、瞬时流量、累积流量、信号强度等测量结果,较高的流速测量尤其是低流速测量的动态响应能力以及稳定性,具有较好的推广和应用前景。
1 超声多普勒流量测量原理
当声源和声接收器之间存在相对运动,或者两者同时相对媒质运动的情况下,所接收到信号的频率和声源频率会产生差别,这种效应称为多普勒效应,接收到信号的频率与声源频率之差为多普勒频移,它的大小取决于两者之间的相对运动速度[1-3]。
本文研究的超声多普勒流量测量系统采用一对斜探头垂直对称外夹安装在管道外侧,如图1所示。超声波发射探头向流体中发射的声波在遇到随流体一起运动的气泡、微粒等物质时将会产生散射,这些散射体可以看成若干新的点声源。在这些点声源和超声波发射、接收探头之间将因存在相对运动而产生多普勒效应。
图1 超声多普勒流量测量原理示意图
根据多普勒效应原理,单个颗粒随流体一起以速度u运动,静止流体中的声速为c,发射探头发射的连续波超声信号频率为f0,由于颗粒的散射而进入接收探头的超声信号频率fr为:
(1)
α是超声波入射、反射方向与流体运动方向的夹角。实际测量时流体中的声速c一般在1000m/s以上,而被测流体速度u一般小于10m/s。另外,流体中的声速c易受温度影响,为减少温度影响而产生的误差,在实际使用中引入声楔,结合折射定律:
(2)
可推导出颗粒所在位置流体速度u为:
(3)
式中,fd=fr-f0为多普勒频移。式(3)中只出现声楔的纵波声速c0而不含流体的声速c。由于固体声速的温度系数一般比流体声速的温度系数小,因此采用式(3)可以减小流体温度变化带来的影响,提高了检测精度。
实际中接收探头所接收到的是取样域内颗粒产生的散射波的合成,如图1,如果取样域内颗粒分布均匀且沿轴向运动,则取样域内颗粒的平均多普勒频移由加权平均得到:
(4)
式中,N是颗粒的总数,fdi是各个颗粒具有的多普勒频移,S(fdi)是各个颗粒形成的功率谱线强度。则取样域内流体的平均速度可以表示为:
(5)
当取样域设为整个管道直径范围,则取样域流体的平均流速近似于管道截面流体平均流速,易于根据截面积来计算管道流体的瞬时流量、累积流量和流速方向等数据。
2 测量系统硬件方案
实现的超声多普勒流量计系统硬件包括超声多普勒探头、基准信号源、功率放大器、前置放大器、低通滤波、模数转换器、OMAP5910双核处理器、Flash存储器、人机界面专用键盘和显示器模块、输出和通讯等部分,系统结构如图2所示。
图2 超声多普勒流量计硬件结构示意图
系统采用一对发射和接收超声多普勒探头外夹安装在管道上,基准信号源产生频率为640kHz的正弦信号,功率放大后驱动发射探头经管壁向被测流体中发射超声波,该超声波信号被流体中的颗粒或气泡散射而产生多普勒效应。接收探头接收散射的超声多普勒信号,经前置放大、低通滤波除去带外噪声,经模数转换器MAX1449采样送OMAP5910中的DSP核处理。DSP核对数据信号进行FIR滤波和FFT变换,然后利用ARM核做简单数据运算,计算流速、流量等数据;利用ARM核的控制接口实现串口输出、网络化和存储功能,系统通过串口与专用键盘显示器人机界面控制器件通信,通过USB接口和CF口将数据存储在USB硬盘或CF卡上,通过网络RJ45接口与移动PC通信和传输数据;系统设有4-20mA的输出对应流量的最小和最大值。
2.1 OMAP5910处理器
OMAP5910处理器是TI公司的应用最为广泛的TMS320C55xDSP内核与低功耗、增强型ARM925微处理器组成的双核应用处理器[3]。OMAP5910处理器同时拥有TITMS320C55xDSP内核的实时处理性能,低功耗、TI增强型ARM925微处理控制和接口方面的优点。基于双核结构的OMAP5910具有极强的运算能力和极低的功耗,一方面产品性能高、省电,另一方面同其它OMAP处理器一样,采用开放式、易于开发的软件设施,支持广泛的操作系统,如Linux、Windows、WinCE、Nucleus、PalmOS、VxWorks、lava等,此外,还可以通过API及用户熟悉且易于使用的工具优化其应用程序。
2.1.1 TI925T(ARM9TDMI)内核
ARM925处理器的TI925T内核是采用5阶段管道化流水线32位的RISC处理器架构的体系结构,并采用ARM9作内核,同时配备Thumb扩展。能够处理32位或者16位的指令和8位、16位、32位的数据[4]。这款新型高性能、低功耗的微构架兼容ARMv4T指令集,并通过采用协处理器CP15使体系结构得到增强。系统中的控制寄存器可通过对协处理器CP15的读写来对MMU、Cache和读写缓存控制器进行存取操作。这种微构架在ARM核的周围提供了指令与数据存储器管理单元,指令、数据和写缓冲器,性能监控、调试和JTAG单元以及协处理器接口,MAC协处理器和内核存储总线。
2.1.2 TMS320C55x内核
TMS320C55x内核的主要特点是[5]:有1个64´8位的缓存队列(InstructionBufferQueue),2个17´l7位的乘法累加单元(MAC),1个40位的算术逻辑单元(ALU),1个16位的算术逻辑单元,1个40位的桶形移位器(BarrelShifter)和4个40位的加法器。另外还有12条独立的总线,即:3条数据读总线,2条数据写总线,5条数据地址总线,1条程序读取总线和1条程序地址总线。此外,还有用户可以配置的IDLE域。内核主要由4个单元组成:指令缓冲单元、程序流单元、地址数据流单元和数据运算单元。
3 系统软件方案设计
OMAP嵌入式系统应用程序包括运行于ARM端的GPP客户应用程序和运行于DSP端的DSP程序。GPP程序是基于Limix操作系统之上的应用程序,主要完成从DSP取得数据、存储数据、向网络、串口发送数据等任务。DSP程序是基于DSP/BIOS实时内核的数字信号处理程序,主要完成I/0接口取得MAX1449的AD转换结果数据,进行滤波和FFT变换处理,向GPP发送数据。GPP任务和DSP任务通信通过DSP/BIOS桥进行。
3.1 ARM端应用程序
ARM端GPP应用程序开发是基于MontavistaLinux的。与DSP通信时直接调用DSP/BIOSLINK的API函数,其它存储设备、网络设备和串口设备的编程直接调用Linux操作系统提供的文件操作、SOCKET操作和串口操作等API函数即可。GPP端的核心是控制任务和数据处理任务,所有的控制信息都经由控制任务发出,开启DSP节点上的处理任务,DSP节点将处理后的频率数据通过消息发送过来,然后数据处理任务通过读取消息得到,按照公式对数据进行处理,计算流体速度及流量。然后数据处理任务根据需要,将速度数据发送到存储任务、网络任务或串口任务。
3.2 DSP程序开发
DSP程序开发是基于DSP/BIOS。DSP任务的实现及与GPP通信是通过DSP/BIOS模块API和MSGQ模块来实现的。DSP/B10S功能模块分为六类:执行线程管理、硬件抽象、设备独立I/0、内部线程通信和同步、实时分析和数据捕获及其它系统服务。DSP任务主要完成数据的采集、处理和传送功能,其中在前处理任务中,通过并口读取MAX1449处理得到的脉冲转换数据;在信号处理任务中,将信号任务进行滤波;在后处理任务中,对数据进行FFT快速傅立叶变换处理,并通过DSP/BIOSLINK发送到GPP。数据处理流程和算法如下:
信号在经过AD后,主要经过FRI滤波和FTF变换,得到信号的频域数据,由此得到信号的主频,进而计算流速及流量。FIR滤波是基于费时的乘加操作的,而DSP提供乘加操作指令和FIR滤波指令,可以实现快速的实时处理。系统利用FIR滤波器去除无效的干扰信号和噪声信号,实现反射信号的提纯。干扰信号包括换能传感器和开发电路板产生的干扰,噪声信号包括电路自身和环境电磁影响产生的噪声信号,它们是高频分量。而反射信号属于低中频信号,大约在0~700kHz,使用低通滤波滤除高频分量即可达到目的。
快速傅里叶变换(FFT)是离散傅里叶变换(DTF)的一种快速算法。FFT将信号由时域变换到频域,从而可以在频域分期处理信息。系统对滤波后的信号进行FFT变换,从而得到信号频域信息,由此得到信号的频率,将主频数据传到GPP端,GPP端程序计算流速及流量等信息。
4 结束语
传统的工业管道用超声多普勒流量计,由于采用的测量方法和技术实现手段上水平较低,性能普遍不高,限制了超声多普勒流量计的推广和使用。本文在前人基础上建立了一种新的超声多普勒管道流量测量方法并采用ARM+DSP双核OMAP5910器件进行实现。实现的新型超声多普勒管道流量测量系统可以动态显示流速、瞬时流量、累积流量、信号强度等测量结果,较高的流速测量尤其是低流速测量的动态响应能力以及稳定性,具有较好的推广和应用前景。