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一种新型超声波热表的研究与实现

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第三章硬件部分设计
 
3.1 主控制器介绍
在该控制系统中,使用了美国德州仪器公司推出的 16 位单片机 MSP430F149,它具有:处理能力强、运行速度快、功耗低等特点,性能价格比高。它包容了许多先进技术:
①拥有 JTAG 技术,可以方便的在线调试。
②拥有 FLASH 在线编程技术,可以用自己的程序修改 FLASH 内容,且不需要外加编程电压。
③拥有 BOOTSTRAP 技术,可以实现程序代码的下载和上载。
④充分运用各种低功耗设计手段,使芯片的电流极小,LPM4 时可达 0.1μA。
⑤超低功耗的数控振荡器技术,可以实现频率调节和无晶振运行。
⑥程序代码空间可达 60KB、数据存储空间可达 2KB,I/O 引脚可达 48 线。
⑦片内集成 12 位 A/D、16 位定时器、模拟比较器、串行接口、硬件乘法器等模块。
⑧芯片的工作电压范围宽,工作温度范围适合工业级要求。
⑨片内提供温度传感器
⑩快速唤醒时间。从休眠方式到唤醒只需要6ηs。

 

第四章 软件设计
4.1测量部分设计
在进行测量的过程中,最重要也最核心的就是对传播时间的测量,要测量每一声路的正向和逆向传播时间。那么可能出现以下各种情况:传播时间测量全部正常,流量变送器不响应,一个声路无接收信号(正向或逆向)。出现第一种情况,则测量顺利进行,若出现第二、三种情况,可以利用替代算法,用该声路的计数值用与之相对的,在安装上对等的声路计数值进行替换,如果没有可替换声路,则设置声路无法测量标志。传播时间的测量步骤如下:
a) CPU 通过声路选择器选择声路和方向;
b) 传播时间计数器清零;
c) 开放脉冲发射机;
d) 发射机发射一高压脉冲驱动换能器,同时启动传播时间计数器;
e) 根据在该方向进行的上一次测量中保存的电平值调整接收机的增益;
f) 检测到达信号中的电噪声,若检测到噪声则设置一个状态标志。
g) 接收换能器将接收到的声脉冲转换为电信号并将该信号偶合到接收
h) 接收机等待输入信号中超出检波电平的第一个负脉冲边沿;
i) 检验被检测到的信号特征是否正常;
j) 在接收到信号的时刻停止时间计数器;
k) 根据当前声路长度估算脉冲最早可能到达的时刻,在此之前打开接收电路;
l) 若在当前声路长估算的脉冲的最迟可能到达时刻之后还未检测到信号,则设
置一个溢出标志,并终止该声路的测量;
冷启动后的第一个测量周期,接收机增益是根据声路长和换能器种类来设置的;由于超声波信号的强度可能受到安装环境中电噪声的干扰;液体中的气泡生物、泥沙将使接收信号的强度发生大幅度的变化;换能器信号强度随时间的衰减等因素的影响,因此在信号处理时采用了下面的(ORE)三个技术,保证时间测量的准确性。①自动增益控制技术:根据接收脉冲的强度自动调节接收机增益,每个方向上的增益都单独控制。每次测量结束后,自动增益控制电路按照刚才处理的信号强度调节增益变大或变小。并保存该新的自动增益设置,在下一次测量同一方向时将接收机增益设置为该新值。如果正向和逆向信号强度相差 6Db 以上,将发出声路状态报警,它提示换能器可能未对准或坏了,需要检查。②信号范围门技术:仪器根据每一声路的长度和流量范围估计信号最早的最晚到达的时间。在最早到达时间的0.5 倍处打开接收机,0.8 倍处开始寻找信号,在最晚到达时间的 1.5 倍处关掉接收机.③信号质量监测器技术:检验输入脉冲是否足以可靠使用,以及证实该波形的第一负脉冲以足够的幅度通过检波点.避免检测到第二个负脉。PID 控制子程序 在模拟控制系统中控制器常采用的控制规律是PID 控制。在这里,用 PID 算法控制输入波形的第一个峰值电压值,使之始终控制在1伏特 。这样有助于精确的获得传播时间。PID 控制器的各个校正环节的作用如下:①比例环节:及时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(x),偏差信号一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。②积分环节:主要用于消除静差,提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于时间常数 Ti, Ti 越大,积分作用越弱,反之越强。③微分环节:能反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变的太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。在计算机控制系统中,使用的是数字 PID 控制器,其算法通常分为位置式 PID 和增量式 PID。后者与前者相比,有下列优点:位置式算法每次输出与整个过去状态有关,计算式中要用到过去偏差的累加值,容易产生较大的积累误差。而增量式只需要计算增量,当存在计算误差或精度不足时,对控制量的计算影响较小;在使用位置式时,当控制从手动切换到自动时,必须先将计算机的输出值设为原始输出值,才能保证无冲击切换。如果采用增量式算法,则由于算式中不出现原始值,易于实现手动到自动的切换,此外,在计算机发生故障时,由于执行机构本身有寄存作用,所以可仍然保持在原位。
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