软件设计 - 超声波回波衰减理论浓度计设计

　　超声波浓度计软件由信号处理程序、界面程序、控制信号输出程序、通信程序四部分组成，软件总流程如图4所示。信号处理程序实现DDS控制、超声波发射、回波信号A/D采集、信号综合处理等功能，是软件程序的重点。界面程序包括界面显示、参数设置、键盘处理等功能，实现与用户良好的沟通。控制信号输出程序实现了电流信号、继电器信号、开关量的输出，完成了工业现场控制的需要。通信程序按一定的协议送出仪表存储的单次A/D值和综合处理的显示值，供仪器的性能校验使用。

　　软件程序的核心由超声波发射(包含DDS脉冲合成)、超声波回波A/D采集程序、信号滤波程序、浓度计算程序构成。

　　3.1 超声波发射程序、回波A/D采集程序

　　本系统选用的DDS是SPI总线的，在串口时钟SCLK的作用下，数据以16位的方式加载到设备上。FSYNC引脚是使能引脚，电平触发方式，低电平有效。进行串行数据传输时，FSYNC引脚必须置低，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立时间的最小值。FSYNC置低后，在16个SCLK的下降沿数据被送到DDS的输入移位寄存器，在第16个SCLK的下降沿FSYNC可以被置高，但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的数据保持时间的最小和最大值。当然，也可以在FSYNC为低电平的时候，连续加载多个16位数据，仅在最后一个数据的第16个SCLK的下降沿时将FSYNC置高。最后要注意的是，写数据时SCLK时钟为高低电平脉冲，但是，在FSYNC刚开始变为低时(即将开始写数据时)，SCLK必须为高电平。

　　通过微控制器的硬件SPI(使用微控制器的3个端口)可以控制DDS输出0 Hz～12.5 MHz的方波。另外使用一个端口和DDS的输出共同作为与非门的输入，这样就可以实现脉冲串的时长控制，开启脉冲串输出的同时对时长计数，依据超声波在矿浆中的传送速度和发射接收传感器的间距就可以判断何时接收超声波回波。利用片内A/D采集超声波回波，便可以对A/D采集到的数字信号进行处理。

　　3.2 信号滤波程序

　　常用的软件滤波方法很多，包括限幅滤波法、中位值滤波法、算数平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法、限幅平均滤波法、一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法、消抖滤波法。由于工业现场环境恶劣，采集到的信号没经过处理往往不能直接用，这样就需要对采集到的A/D值进行滤波处理。由于现场的跳变是随机的，所以不能用常规的滤波程序，需要用到限幅滤波法和消抖滤波法的综合方法——限幅消抖滤波法。

　　限幅滤波法是根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值(设为A)。每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差小于等于A，则本次值有效;如果本次值与上次值之差大于A，则本次值无效，放弃本次值，继续下一次A/D采样。

　　消抖滤波法是设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值等于当前有效值，则计数器清零;如果采样值大于或小于当前有效值，则计数器加1，并判断计数器是否大于等于上限N(溢出)。如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清零计数器。限幅消抖滤波程序能随着现场的跳变做出相应的改变，使信号处理更合理准确。

　　3.3 浓度计算程序

　　浓度计算程序中包含浓度曲线拟合和温度补偿两部分。

　　曲线拟合是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系的一种数据处理方法。浓度曲线拟合经过多次的试验校正，采用了2条一次曲线和1条二次曲线，确保浓度的最大程度拟合。同时由于现场不同环境的需要，设置了一些拟合参数，以便于随时调整。

　　温度变化给超声波传感器实际测量带来误差，表现在微控制器对超声波回波A/D采集上产生非线性变化。为了解决这个问题，必须进行温度补偿，找出它们之间的关系，建立相应的数学模型。本系统用拟合法求出各温度时的传感器静态输出特性的拟合多项式，将各个拟合参数b0，b1，b2，…，bk写入程序，对微控制器片上A/D采集到的超声波回波数据进行温度补偿，即由输入温度和A/D值查找和计算相应的补偿后的正确值，确保浓度数据的正确性。

　　结 语

　　本文讨论了超声波浓度计的实现方法及应用的主要技术，发射电路采用DDS，接收电路采用对数放大器，经工程实践证明，这些方法都是可行的。但由于自身电路的局限和工业现场的环境干扰，该产品的精度还有待提高。