超声波流量计(信号处理)毕业论文(编辑修改稿)

超声波流量计(信号处理)毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

发生器和用于处理不同桢结构的控制逻辑电路构成。 使用写入缓冲器，实现了连续发送多帧数据无延时的通信。 接收器是 USART 模块最复杂的部分，最主要的是时钟和数据接收单元。 数据接收单元用作异步数据的接收。 除了接收单元，接收器还包括校验位校验器、控制逻辑、移位寄存器和两级接收缓冲器（接收 UDR）。 接收器支持与发送器相同的桢结构 ， 同时支持桢错误、数据溢出和校验错误的检测。  与 UART 兼 容性 AVR USART 和 AVR UART 兼容性 USART 在如下方面与 AVR UART 完全兼容： （ 1） 所有 USART 寄存器的位定义。 （ 2） 波特率发生器。 （ 3） 发送器操作。 （ 4） 发送缓冲器的功能。 （ 5） 接收器操作。 然而，接收器缓冲器有两个方面的改进，在某些特殊情况下会影响兼容性： （ 1） 增加了一个缓冲器。 两个缓冲器的操作好象是一个循环的 FIFO。 因此对于每个接收到的数据只能读一次。 更重要的是错误标志 FE 和 DOR，以及第 9个数据位 RXB8 与数 据一起存放于接收缓冲器。 因此必须在读取 UDR 寄存器之前访问状态标志位。 否则将丢失错误状态。 （ 2） 接收移位寄存器可以作为第三级缓冲。 在两个缓冲器都没有空的时候，数据可以保存于串行移位寄存器之中，直到检测到新的起始位。 从而增强了USART 抵抗数据过速 (DOR) 的能力。 下面的控制位的名称做了改动，但其功能和在寄存器中的位置并没有改变： （ 1） CHR9 改为 UCSZ2。 （ 2） OR 改为 DOR。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 13  时钟产生逻辑为发送器和接收器产生基础时钟。 USART 支持 4 种模式的时钟：正常的异步模式，倍速的异 步模式，主机同步模式，以及从机同步模式。 USART 控制位 UMSEL和状态寄存器 C(UCSRC)用于选择异步模式和同步模式。 倍速模式 (只适用于异步模式 )受控于 UCSRA 寄存器的 U2X。 使用同步模式(UMSEL=1)时， XCK 的数据方向寄存器 (DDR_XCK)决定时钟源是由内部产生(主机模式 )还是由外部生产 (从机模式 )。 仅在同步模式下 XCK有效。 片内时钟产生－波特率发生器内部时钟用于异步模式与同步主机模式。 USART 的波特率寄存器 UBRR 和降序计数器相连接，一起构成可编程的预分频器或波特率发生器。 降 序计数器对系统时钟计数，当其计数到零或 UBRRL 寄存器被写时，会自动装入 UBRR 寄存器的值。 当计数到零时产生一个时钟，该时钟作为波特率发生器的输出时钟，输出时钟的频率为 fosc/(UBRR+1)。 发生器对波特率发生器的输出时钟进行 8或 16 的分频，具体情况取决于工作模式。 波特率发生器的输出被直接用于接收器与数据恢复单元。 数据恢复单元使用了一个有 8 或 16 个状态的状态机 ， 具体状态数由 UMSEL、 U2X 与 DDR_XCK 位设定的工作模式决定。 西安石油大学本科毕业设计（论文） 14 3 超声波流量计的信号处理 超声波信号处理模块 数字处理模块是软件系统的核心部分。 数据的处理方法的选择，对系统的精度和效率有着直接的关系。 在本系统中，首先对超声波流量计接收到的信号进行滤波处理，对信号进行滤波不仅仅可以提高信号的信噪比，同时也提高了信号的FFT 精度。 对信号进行滤波后紧接着对信号实现 FFT，得到信号的频谱图。 从信号的频谱图上对信号进行相应的处理就可以得到信号相应的频偏值，最后求取所需要的各种数据量。 信号处理模块涉及到的理论知识 快速傅里叶变换（ FFT）原理 目前离散傅里叶变换（ FFT）方法被广泛的应用于离散信号的数字信号处理过程。 快速傅里叶变换可以完成把离散时域信号到频域信号的转换。 直接 DFT运算需要的操作约为 N2次，其中的 N 表示采样时间序列的长度。 虽然傅里叶变换是数字信号处理（ DSP）中进行信号分析时常采用的一种方法。 但是如果只是采用常规的傅里叶变换，那么给算法的运算量是非常大的，就不会适合于需要告诉运行的嵌入式控制系统中。 快速傅里叶变换（ FFT）是在 60年代由 Tuckey 和 Cooley 提出的，这种算法明显的降低了运算量，因为这种算法只需要 1/2 N log2N 次乘法操作。 这就成为了 DSP 的基本工具并且推动了 DSP的迅速发展。 FFT 随之也成为了对数字器件与系统性能的评价标准之一。 伴随着FFT技术的的广泛应用，后来的人们在其基础上做了大量的工作来改善其性能。 具体可以分为两点，第一点是针对算法的改进；另外一点是关于硬件的改进。 人们已经研究出了在不增加存储内容的前提下提高其运算速度的算法。 并且 大规模集成电路系统的开发者也在不断的改善系统的性能，这就为 FFT 的应用提供了方便。 TI公司的 DSP芯片的发展就充分的体现了这种趋势。 这个系列的芯片为 FFT运算的混序操作提供了发序的寻址方式。 在总线管理和结构上也为 N 值较大的FFT 运算提供了更大的容量和更快的吞吐速度。 而且还提供了并行操作指令，这就为 FFT 编程提供了方便，使实现速度更快。 对于长度为 n的有限长离散数字信号序列   nT ,0 n N1，它的离散谱可以通过离散傅里叶变换 (DFT)得到。 DFT 的定义为 : 西安石油大学本科毕业设计（论文） 15 (式 ) n=0,1,2,， N1； k=0,1,2,， N1 令 ,上面的式子可以简写成下面的形式： nkNNn WnxX 10 )()k( (式 ) k=0,1,2,， N1； 从中可以看出，蝶形因子 NW 具有下面的特性： NW 的周期性： nNkNnNNknN WWW )()(k   ； （式 ） NW 的对称性： knNNknNknN WWWW  2)2( ； （式 ） 从上述 DFT 的定义可以看出，在 n 是复数的情况下，直接计算 N 点 DFT需要 21）（ N 次复数 乘法运算和 )1(  NN 次复数加法运算。 所以对于一个数字比较大的 N 之来说，直接进行 DFT 需要很大的计算量。 快速傅里叶变换（ FFT）是离散傅里叶变换（ DFT）的一种快速算法。 其基本思想是把原来长度为 N 点的序列分成两个比较短的序列，这两个序列的 DFT简单的组合起来就得到原来没有分的 DFT。 如果 N 是偶数，那么原来的 N 点序列将被分成两个大小为 N/2 点的序列，那么计算 N 点的 DFT 就只需要大约 N/2点的 DFT 所要进行的乘法次数，乘数 2 代表必须完成两 个 DFT。 此方法可以反复使用，如果 N/2 也为偶数，那么 N/2 点的 DFT 计算也可以简化为 N/4点的 DFT，这就减少了一半的乘法运算。 那么，定义两个分别为 n 的偶数项和奇数项的（ N/2）点序列 n1 和 n2。 有：    n2n1   n=0,1,2,， N/21 （式 ）    122  nn  n=0,1,2,， N/21 （式 ） 那么  n 的 N 点 DFT 可以写成： NjN eW 2knNjNn enTxkX210 )()(       1n212 0212 0 122    NNnnkNNn WnWnk 西安石油大学本科毕业设计（论文） 16 （式 ） 又因为 ： (式 ) 所以上时 可以变换为下式：    kZWY kN k （式 ） 上式（ ）中的 kY 和 kZ 分别是 n1 和 n2 点的 DFT。 下图 用流程图来表述两个 (N/2)点 DFT 变换计算 N 点的 DFT 的方法： 图 32 两个（ N/2）点 DFT变换计算 N点 DFT流程图 从上面的流程图可以看出 k 被分成两个序列，它们的范围分别是：  120 Nk  和    12  NkN。 对于后一序列， k 的表达式可以写成： (式 ) 又因为： (式 ) kNjNNN WeWW   k2k （式 ） 所以式（ ）可以简化成：      nkNn NkNnkNNnWnWWn   12022120122     1222222 NNjNjN WeeW        nkNN nkNnkNNn WnWWnk 2`12 0212 0 122             2212 022212 0 1222 NknNNnNkNNknNNn WnWWnNk        nkNnkNnjnkNNnNNknN WWeWWW 22222222   西安石油大学本科毕业设计（论文） 17    kZWkY kN （式 ） k=0,1,2,，（ N/2)1； 这样就形成了一种类似于蝴蝶形状状的运算，称之为蝶形运算。 如下图： P+Q kNW 图 33 蝶形运算图 看是否是把输出的频域序列 x(k)不断分级，还是输入的时间序列 x(n)不断分级，计算 FFT 通常有两种方法： （ 1） 按照频域抽取算法，在 FFT 分级的过程中，每一级都要把输出的频域序列分割成较小的序列来进行处理。 （ 2） 按照时间抽取算法，在 FFT 分级过程中，每一级都要把输 入的时间序列分成较小的序列来处理。 也就是说在每一级都要对输入的序列进行抽取。 这两种类型的算法区别在于：首先，对于按照时间抽取算法，其输入的是混序，但是输出的是按照自然顺序序列，但是按照频率抽取算法，其输入的是顺序的，输出是混序的；其次差异在于按照频率抽取算法中的复数的乘法是在加法之后，这就导致在编程的过程中要注意顺序问题，应该注意。 综上所述，下面给出了 8 点 DFT 蝶形信号流图。 如图 所示，其逐级分解的框图如图。 通过图 （ FFT）。 图 34 8 点蝶形信号流图       nkNNkNnkNNn WnWWnNk 220n220 1222     P+Q kNW P Q kNW 西安石油大学本科毕业设计（论文） 18 图 35 8 点 DFT逐级分解的框图 快速傅里叶变换（ FFT） 谱分析技术的使用，推动了多普勒超声波流量计测量方法的真正进步。 使用 FFT 法来分析发射波的波谱，就可以分辨出来哪一个。