超声波在液体中传速时间测量研究传输时间测量算法
在一定的外部条件之下，超声波在介质中的传播速度是固定的。所以，在超声波的测量应用中，通常我们要考虑的最核心的问题就是超声波的传播时间测量。随着科学技术的不断进步发展，人们对测量结果的精度要求也逐步提高，因此如何提减小时间测量误差是十分重要的研究方向。本文就是针对在液体中的超声波传输时间测量算法的研究，本课题的目标是完成一个高精度的高速信号超声波信号传输时间测量算法，它是以DSP为硬件基础进行，应用了TMS320F28027芯片进行的软件算法设计。关键词 超声波，传输时间，测量算法，DSP目 录
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 2
1.3 超声波技术的研究意义 3
1.4 课题的主要研究内容 3
2 硬件平台选择 4
2.1 DSP和单片机比较 4
2.2 TI C2000系列 4
2.3 TI C2000开发板(TMS320F28027) 5
2.4 TMS320F28027芯片 5
2.4.1 芯片封装及引脚结构 5
2.4.2 芯片内部结构亮点 6
2.5 USB接口转换芯片 7
2.5.1 FT2232H芯片简介 7
3 传输时间测量系统总体设计 7
3.1 系统基本构成框架 7
3.2 测量传输时间的几种方法 8
3.2.1 脉冲直接计数法 8
3.2.2 相位法测量时间 8
3.3 传输时间测量算法的选择 9
3.3.1 FFT算法介绍 9
3.3.2 FFT算法流程 10
3.4 FFT算法的DSP实现 11
3.4.1 设计要点 11
3.4.2 FFT算法的实现 11
3.4.3 程序主体介绍 12
3.5 FFT计算相关函数 12
3.5.1 互相关运算介绍 12
3.5.2 互相关算法原理 12
3.6 DSP程序结构 13
3.4 FFT算法的DSP实现 11
3.4.1 设计要点 11
3.4.2 FFT算法的实现 11
3.4.3 程序主体介绍 12
3.5 FFT计算相关函数 12
3.5.1 互相关运算介绍 12
3.5.2 互相关算法原理 12
3.6 DSP程序结构 13
3.6.1 DSP工作流程 13
3.6.2 初始化代码 14
4 软件开发环境 14
4.1 CCS软件简介及优点 14 4.2 CCS软件开发流程 15
5 系统整体调试 16
5.1 软硬件调试 16
5.2 FFT调试及验证 16
5.2.1 FFT运行调试 16
5.2.2 使用MATLAB验证FFT程序 18
5.3 互相关函数时延仿真 19
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
附录A C语言程序源码 23
附录B 互相关时延仿真代码 34
附录C C2000 TMS320F2802x内部原理图 36
附录D TMS320F28027器件特性 37
1 引言
1.1 课题研究背景
超声波实质上是频率高于20000Hz的机械波，超声波具有很强的穿透能力，良好的方向性好，而且获得的声能较为集中，能在水中传播较远的距离，广泛应用于清洗、焊接、测距、测速、消毒等实际应用场合。在无损压力检测，固体、液体及气体的声速测量，距离测量，以及特定气体的浓度测量等方面有着广泛的应用，越来越多的超声波设备在不断投入应用。基于超声波技术的测量方法，通常都需要精确测量超声波在传输介质中的传输时间，超声波的传输速度较快，传输时间较短时，测量的误差会使最终结果有所误差。因此，在人们对测量精度与准确性越来越看重的今天，测量算法的研究是有着重要的作用的。
超声波测速算是相对贴近我们生活的超声波应用，和其它测距方式相比较而言，超声波测距显然有着高精度、低成本、应用范围广和使用方便等优势。超声波测量一大优势就是容易实现实时控制，此外在精度和可靠性方面，超声波设备也有较为良好的表现。
超声波在测距方面的应用上，属于非接触测量。作为一种非接触测量方式，超声波有着不受被测对象材质、状态、颜色等外部因素影响的优势，也不受光线环境影响。因此，可以说超声波对环境适应能力较强，且超声波测量操作简单、误差小，是一种较为理想的测量方法。超声波的这些优势可以很大程度上降低实际应用中被测介质对仪器测量结果的影响。在一些复杂的外部环境里（例如水下环境），相比其他测量方式有更强的适应能力。此外，由于超声波仪器测量全程无需直接接触，因此超声波设备受到的物理磨损极小，这使得仪器更加耐用，使用寿命得以保证。所以在保证可靠性的同时还能节省人力物力，降低成本投入。
究其根源，超声波的测量对象涵盖固态、气态、液态三中状态的材料，无疑是一门用途广泛的检测技术。尤其是液体，由于它可流动，又封在容器或管道中，超声波在线测量时，换能器可固定在侧壁上，不需要测固体时的复杂的机械结构。超声波在液体中传播所受到的声阻抗与在固体中相差不大。由于超声波的穿透性，使得非侵入式检测得以实现，超声波测量时可以透过容器外壁进入被测介质。超声波在相同介质中的传播速度收受介质特性影响，当超声波在此介质传播速度给定时，超声波的传输距离可以通过测量超声波的传输时间来计算，常见的此类应用是超声波液位仪。同时，根据超声波在介质中传播速度随介质温度变升降而变化的性质，可以通过测量超声波的传输时间来标定介质中的温度分布情况。从以上几点不难看出，在很多超声波技术的应用中，超声波传输时间的测量是核心环节，其最终测量精度与时间的测量精度直接相关。所以说，减小传输时间的测量误差的研究是十分重要的。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
关于超声波的研究早起可以追溯到1878年的气哨实验，而超声波技术真正得以重视要到一战时期，声呐技术的普及。到了现在，超声波检测技术的数字化已经是一门在国际上很受重视的研究学科了。国外的许多公司都在研究类似的产品，其中最具代表性的有美国的泛美公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司等几个知名公司的研究产品。这几个公司都以极高水平的超声波检测技术闻名于业界，拥有着高水平的超声波采集、分析和处理系统。最近几年，国内的超声波技术也有了长足的发展，以中国煤炭科学院的超声波分析仪为代表。该仪器全部操作都由微处理器统一管理与控制，全部测量结果均可以输出显示。如此这般核心由微处理器控制的设备，是符合最新潮流的的智能化设备。关于超声波技术的实际应用，在工业领域中，可以利用超声波对材料进行损伤检测，可以检测出各类材料、焊接缝隙是否受损。超声波传播中遇到瑕疵或缺陷，其反射回的脉冲信号就会携带另一缺陷脉冲，凭借这个原理可以很容易的鉴别材料中缺陷位置与存在性质，还可以利用超声波对缺陷部位进行定量分析，可以进一
1 引言 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 2
1.3 超声波技术的研究意义 3
1.4 课题的主要研究内容 3
2 硬件平台选择 4
2.1 DSP和单片机比较 4
2.2 TI C2000系列 4
2.3 TI C2000开发板(TMS320F28027) 5
2.4 TMS320F28027芯片 5
2.4.1 芯片封装及引脚结构 5
2.4.2 芯片内部结构亮点 6
2.5 USB接口转换芯片 7
2.5.1 FT2232H芯片简介 7
3 传输时间测量系统总体设计 7
3.1 系统基本构成框架 7
3.2 测量传输时间的几种方法 8
3.2.1 脉冲直接计数法 8
3.2.2 相位法测量时间 8
3.3 传输时间测量算法的选择 9
3.3.1 FFT算法介绍 9
3.3.2 FFT算法流程 10
3.4 FFT算法的DSP实现 11
3.4.1 设计要点 11
3.4.2 FFT算法的实现 11
3.4.3 程序主体介绍 12
3.5 FFT计算相关函数 12
3.5.1 互相关运算介绍 12
3.5.2 互相关算法原理 12
3.6 DSP程序结构 13
3.4 FFT算法的DSP实现 11
3.4.1 设计要点 11
3.4.2 FFT算法的实现 11
3.4.3 程序主体介绍 12
3.5 FFT计算相关函数 12
3.5.1 互相关运算介绍 12
3.5.2 互相关算法原理 12
3.6 DSP程序结构 13
3.6.1 DSP工作流程 13
3.6.2 初始化代码 14
4 软件开发环境 14
4.1 CCS软件简介及优点 14 4.2 CCS软件开发流程 15
5 系统整体调试 16
5.1 软硬件调试 16
5.2 FFT调试及验证 16
5.2.1 FFT运行调试 16
5.2.2 使用MATLAB验证FFT程序 18
5.3 互相关函数时延仿真 19
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
附录A C语言程序源码 23
附录B 互相关时延仿真代码 34
附录C C2000 TMS320F2802x内部原理图 36
附录D TMS320F28027器件特性 37
1 引言
1.1 课题研究背景
超声波实质上是频率高于20000Hz的机械波，超声波具有很强的穿透能力，良好的方向性好，而且获得的声能较为集中，能在水中传播较远的距离，广泛应用于清洗、焊接、测距、测速、消毒等实际应用场合。在无损压力检测，固体、液体及气体的声速测量，距离测量，以及特定气体的浓度测量等方面有着广泛的应用，越来越多的超声波设备在不断投入应用。基于超声波技术的测量方法，通常都需要精确测量超声波在传输介质中的传输时间，超声波的传输速度较快，传输时间较短时，测量的误差会使最终结果有所误差。因此，在人们对测量精度与准确性越来越看重的今天，测量算法的研究是有着重要的作用的。
超声波测速算是相对贴近我们生活的超声波应用，和其它测距方式相比较而言，超声波测距显然有着高精度、低成本、应用范围广和使用方便等优势。超声波测量一大优势就是容易实现实时控制，此外在精度和可靠性方面，超声波设备也有较为良好的表现。
超声波在测距方面的应用上，属于非接触测量。作为一种非接触测量方式，超声波有着不受被测对象材质、状态、颜色等外部因素影响的优势，也不受光线环境影响。因此，可以说超声波对环境适应能力较强，且超声波测量操作简单、误差小，是一种较为理想的测量方法。超声波的这些优势可以很大程度上降低实际应用中被测介质对仪器测量结果的影响。在一些复杂的外部环境里（例如水下环境），相比其他测量方式有更强的适应能力。此外，由于超声波仪器测量全程无需直接接触，因此超声波设备受到的物理磨损极小，这使得仪器更加耐用，使用寿命得以保证。所以在保证可靠性的同时还能节省人力物力，降低成本投入。
究其根源，超声波的测量对象涵盖固态、气态、液态三中状态的材料，无疑是一门用途广泛的检测技术。尤其是液体，由于它可流动，又封在容器或管道中，超声波在线测量时，换能器可固定在侧壁上，不需要测固体时的复杂的机械结构。超声波在液体中传播所受到的声阻抗与在固体中相差不大。由于超声波的穿透性，使得非侵入式检测得以实现，超声波测量时可以透过容器外壁进入被测介质。超声波在相同介质中的传播速度收受介质特性影响，当超声波在此介质传播速度给定时，超声波的传输距离可以通过测量超声波的传输时间来计算，常见的此类应用是超声波液位仪。同时，根据超声波在介质中传播速度随介质温度变升降而变化的性质，可以通过测量超声波的传输时间来标定介质中的温度分布情况。从以上几点不难看出，在很多超声波技术的应用中，超声波传输时间的测量是核心环节，其最终测量精度与时间的测量精度直接相关。所以说，减小传输时间的测量误差的研究是十分重要的。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
关于超声波的研究早起可以追溯到1878年的气哨实验，而超声波技术真正得以重视要到一战时期，声呐技术的普及。到了现在，超声波检测技术的数字化已经是一门在国际上很受重视的研究学科了。国外的许多公司都在研究类似的产品，其中最具代表性的有美国的泛美公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司等几个知名公司的研究产品。这几个公司都以极高水平的超声波检测技术闻名于业界，拥有着高水平的超声波采集、分析和处理系统。最近几年，国内的超声波技术也有了长足的发展，以中国煤炭科学院的超声波分析仪为代表。该仪器全部操作都由微处理器统一管理与控制，全部测量结果均可以输出显示。如此这般核心由微处理器控制的设备，是符合最新潮流的的智能化设备。关于超声波技术的实际应用，在工业领域中，可以利用超声波对材料进行损伤检测，可以检测出各类材料、焊接缝隙是否受损。超声波传播中遇到瑕疵或缺陷，其反射回的脉冲信号就会携带另一缺陷脉冲，凭借这个原理可以很容易的鉴别材料中缺陷位置与存在性质，还可以利用超声波对缺陷部位进行定量分析，可以进一
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