超聲波流量計信號處理畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 USART在如下方面與AVR UART完全兼容：（1）所有USART寄存器的位定義。 （2）波特率發生器。 （3）發送器操作。 （4）發送緩沖器的功能。（5）接收器操作。然而，接收器緩沖器有兩個方面的改進，在某些特殊情況下會影響兼容性：（1）增加了一個緩沖器。兩個緩沖器的操作好象是一個循環的FIFO。因此對于每個接收到的數據只能讀一次！更重要的是錯誤標志FE和DOR，以及第9個數據位RXB8與數據一起存放于接收緩沖器。因此必須在讀取UDR寄存器之前訪問狀態標志位。否則將丟失錯誤狀態。（2）接收移位寄存器可以作為第三級緩沖。在兩個緩沖器都沒有空的時候，數據可以保存于串行移位寄存器之中，直到檢測到新的起始位。從而增強了USART抵抗數據過速(DOR)的能力。下面的控制位的名稱做了改動，但其功能和在寄存器中的位置并沒有改變：（1）CHR9改為UCSZ2。（2）OR改為DOR。u 時鐘產生邏輯為發送器和接收器產生基礎時鐘。USART支持4種模式的時鐘：正常的異步模式，倍速的異步模式，主機同步模式，以及從機同步模式。USART控制位UMSEL和狀態寄存器C(UCSRC)用于選擇異步模式和同步模式。倍速模式(只適用于異步模式)受控于UCSRA寄存器的U2X。使用同步模式(UMSEL=1)時，XCK的數據方向寄存器(DDR_XCK)決定時鐘源是由內部產生(主機模式)還是由外部生產(從機模式)。僅在同步模式下XCK有效。 片內時鐘產生－波特率發生器內部時鐘用于異步模式與同步主機模式。USART的波特率寄存器UBRR和降序計數器相連接，一起構成可編程的預分頻器或波特率發生器。降序計數器對系統時鐘計數，當其計數到零或UBRRL寄存器被寫時，會自動裝入UBRR寄存器的值。當計數到零時產生一個時鐘，該時鐘作為波特率發生器的輸出時鐘，輸出時鐘的頻率為fosc/(UBRR+1)。發生器對波特率發生器的輸出時鐘進行8或16的分頻，具體情況取決于工作模式。波特率發生器的輸出被直接用于接收器與數據恢復單元。數據恢復單元使用了一個有8或16個狀態的狀態機，具體狀態數由UMSEL、U2X與DDR_XCK位設定的工作模式決定。 3 超聲波流量計的信號處理 超聲波信號處理模塊數字處理模塊是軟件系統的核心部分。數據的處理方法的選擇，對系統的精度和效率有著直接的關系。在本系統中，首先對超聲波流量計接收到的信號進行濾波處理，對信號進行濾波不僅僅可以提高信號的信噪比，同時也提高了信號的FFT精度。對信號進行濾波后緊接著對信號實現FFT，得到信號的頻譜圖。從信號的頻譜圖上對信號進行相應的處理就可以得到信號相應的頻偏值，最后求取所需要的各種數據量。 信號處理模塊涉及到的理論知識 快速傅里葉變換（FFT）原理目前離散傅里葉變換（FFT）方法被廣泛的應用于離散信號的數字信號處理過程。快速傅里葉變換可以完成把離散時域信號到頻域信號的轉換。直接DFT運算需要的操作約為N2次，其中的N表示采樣時間序列的長度。雖然傅里葉變換是數字信號處理（DSP）中進行信號分析時常采用的一種方法。但是如果只是采用常規的傅里葉變換，那么給算法的運算量是非常大的，就不會適合于需要告訴運行的嵌入式控制系統中。快速傅里葉變換（FFT）是在60年代由Tuckey和Cooley提出的，這種算法明顯的降低了運算量，因為這種算法只需要1/2Nlog2N次乘法操作。這就成為了DSP的基本工具并且推動了DSP的迅速發展。FFT隨之也成為了對數字器件與系統性能的評價標準之一。伴隨著FFT技術的的廣泛應用，后來的人們在其基礎上做了大量的工作來改善其性能。具體可以分為兩點，第一點是針對算法的改進；另外一點是關于硬件的改進。人們已經研究出了在不增加存儲內容的前提下提高其運算速度的算法。并且大規模集成電路系統的開發者也在不斷的改善系統的性能，這就為FFT的應用提供了方便。TI公司的DSP芯片的發展就充分的體現了這種趨勢。這個系列的芯片為FFT運算的混序操作提供了發序的尋址方式。在總線管理和結構上也為N值較大的FFT運算提供了更大的容量和更快的吞吐速度。而且還提供了并行操作指令，這就為FFT編程提供了方便，使實現速度更快。對于長度為n的有限長離散數字信號序列,0nN1，它的離散譜可以通過離散傅里葉變換(DFT)得到。DFT的定義為: () n=0,1,2,，N1； k=0,1,2,，N1 令 ,上面的式子可以簡寫成下面的形式： () k=0,1,2,，N1； 從中可以看出，蝶形因子具有下面的特性： 的周期性：； （） 的對稱性：； （） 從上述DFT的定義可以看出，在是復數的情況下，直接計算N點DFT需要次復數乘法運算和次復數加法運算。所以對于一個數字比較大的N之來說，直接進行DFT需要很大的計算量。快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的一種快速算法。其基本思想是把原來長度為N點的序列分成兩個比較短的序列，這兩個序列的DFT簡單的組合起來就得到原來沒有分的DFT。如果N是偶數，那么原來的N點序列將被分成兩個大小為N/2點的序列，那么計算N點的DFT就只需要大約N/2點的DFT所要進行的乘法次數，乘數2代表必須完成兩個DFT。此方法可以反復使用，如果N/2也為偶數，那么N/2點的DFT計算也可以簡化為N/4點的DFT，這就減少了一半的乘法運算。那么，定義兩個分別為的偶數項和奇數項的（N/2）點序列和。有： n=0,1,2,，N/21 （） n=0,1,2,，N/21 （）那么的N點DFT可以寫成： （）又因為： ()： （） 上式（）中的和分別是和點的DFT。(N/2)點DFT變換計算N點的DFT的方法： 圖32 兩個（N/2）點DFT變換計算N點DFT流程圖 從上面的流程圖可以看出被分成兩個序列，它們的范圍分別是：和。對于后一序列，的表達式可以寫成： ()又因為： () （）所以式（）可以簡化成： （） k=0,1,2,，（N/2)1；PP+Q 這樣就形成了一種類似于蝴蝶形狀狀的運算，稱之為蝶形運算。： Q P+Q 圖33 蝶形運算圖看是否是把輸出的頻域序列x(k)不斷分級，還是輸入的時間序列x(n)不斷分級，計算FFT通常有兩種方法：（1） 按照頻域抽取算法，在FFT分級的過程中，每一級都要把輸出的頻域序列分割成較小的序列來進行處理。（2） 按照時間抽取算法，在FFT分級過程中，每一級都要把輸入的時間序列分成較小的序列來處理。也就是說在每一級都要對輸入的序列進行抽取。這兩種類型的算法區別在于：首先，對于按照時間抽取算法，其輸入的是混序，但是輸出的是按照自然順序序列，但是按照頻率抽取算法，其輸入的是順序的，輸出是混序的；其次差異在于按照頻率抽取算法中的復數的乘法是在加法之后，這就導致在編程的過程中要注意順序問題，應該注意。 綜上所述，下面給出了8點DFT蝶形信號流圖。（FFT）。 圖34 8點蝶形信號流圖 圖35 8點DFT逐級分解的框圖 快速傅里葉變換（FFT）譜分析技術的使用，推動了多普勒超聲波流量計測量方法的真正進步。使用FFT法來分析發射波的波譜，就可以分辨出來哪一個頻率是由干擾噪聲所引起的，哪一個才是真正的由被測流體流速信號引起的，這就極大地增強了多普勒超聲波流量計對各種頻率成分的分辨能力。 低通濾波器數字濾波器的設計要經過如下三個步驟： (1)確定指標在設計一個濾波器之前，必須首先根據工程實際的需要來確定濾波器的計數指標。在很多的實際應用中，數字濾波器常常被用來實現選頻功能。所以，指標的形式一般在頻域中給出幅度和相位響應。(2)模型逼近 一旦確定了技術指標,就可利用已學習過的基本原理和關系式,提出一個濾波器模型來逼近給定的指標體系。這是濾波器設計所要研究的主要問題。(3)實現性能分析和計算機仿真以上兩步的結果得到的濾波器，通常是以差分方程、系統函數或脈沖響應描述的。根據這個描述就可以分析其頻率特性和相位特性，以驗證設計結果是否滿足指標要求或者利用計算機仿真實現設計的濾波器,再分析濾波結果來斷。想要提高快速傅里葉變換（FFT）算法計算的精度，就要提高信號的信噪比，那么這就需要對信號進行再次濾波，本系統采用的是巴特沃斯低通數字濾波器。 巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種，特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（StephenButterworth）在1930年發表在英國《無線電工程》期刊的一篇論文中提出的，可以構成低通、高通、帶通和帶阻四種組態，是目前最為流行的