超聲多普勒流速測(cè)量中存儲(chǔ)容量的壓縮方法.docx

1、超聲多普勒流速測(cè)量中存儲(chǔ)容量的壓縮方法黃摯雄(中南大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075)摘要介紹了多普勒頻率單片機(jī)測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)處理方法，即線性地址變換法。在存儲(chǔ)容量有效壓縮的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了采樣數(shù)據(jù)，用軟件實(shí)現(xiàn)可控時(shí)標(biāo)，保證了測(cè)量精度。關(guān)鍵詞測(cè)量;超聲多普勒；頻率；用期；單片機(jī);存儲(chǔ)容量中圖分類號(hào)TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)1000-0682(2003)02-0038-02AmethodtocompactmemorycapacityinthevelocitymeasurementofultrasonicDopplerHUANGZhi-xiong(InformaiionEngineeri

2、ngCollegeqfCenlralSouthUnwenity,Hunan-Changsha410075,China)Abstract：Hiispaperpresentsadataprocessingmethod,namelythelinearaddressmapping,inthevelocitymeasurementofultrasonicDopplerbyasingle-chipcomputer.Tliesampleddataisanalysedonthebasisofeffectivecompactnesstoamemorycapacity.Tliesoftwareproducesth

3、econtrolledtimelagtoensuretheaccuracyofmeasurement.Keywords:Measurement;UltrasonicDoppler;Frequency:Period;Single-chipcomputer;Memorycapacity1前言1前言算處理，這樣勢(shì)必占用較多的存儲(chǔ)單元，如何壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，也就是該文要解決的主要問(wèn)題。圖1一1測(cè)頻方法示意圖WlJ輸出計(jì)數(shù)器I時(shí)鐘源被測(cè)信號(hào)（中»««!>計(jì)散中斷用超聲多普勒方法測(cè)量流速時(shí)，多普勒頻率fD與流速成正比。fD實(shí)際上是一個(gè)反映被測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)流速變化情況的矩形脈沖串

4、，每相鄰兩脈沖之間的寬度,即周期7代表了該被測(cè)點(diǎn)水流的瞬時(shí)速度。為了對(duì)脈沖信號(hào)的頻率（或周期）進(jìn)行精確測(cè)量.采用的方法是被測(cè)信號(hào)作為閘門信號(hào),而用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)作為填充脈沖，在閘門周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，如圖1-1所示。設(shè)計(jì)數(shù)器的值為M則被測(cè)信號(hào)的周期T=N/,頻率0=1/7。在以單片機(jī)為核心的流速測(cè)控系統(tǒng)中，為了得到相關(guān)的水力學(xué)參數(shù)及保J1_TL_被測(cè)信號(hào)周期J1HLL己知頻率信號(hào)2基于單片機(jī)系統(tǒng)的頻率參數(shù)測(cè)當(dāng)采用單片機(jī)微處理器測(cè)量信號(hào)頻率（周期）時(shí),筆者是這樣設(shè)計(jì)的:定時(shí)器島工作在計(jì)數(shù)方式,定時(shí)器A工作在定時(shí)方式，T,可向外部發(fā)固定頻率的脈沖（時(shí)標(biāo)），7。對(duì)時(shí)標(biāo)進(jìn)行計(jì)數(shù)。被測(cè)脈沖信號(hào)產(chǎn)

5、生一個(gè)外部中斷控制信號(hào)，向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求,CPU響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中把r0的計(jì)數(shù)值讀入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移完成后，使7。復(fù)位，重新計(jì)數(shù)，開始新的周期測(cè)量，其測(cè)量原理如圖21所示。llljl山1山1111巾|11T.T,_：TtT,t證信號(hào)的測(cè)量精度,需要對(duì)大量的計(jì)數(shù)值M進(jìn)行計(jì)敷話讀入敬荷讀入IkWit入收稿日期:2002021作看簡(jiǎn)介：黃摯雄（I960-）,男，廣西人,副教授.主要從事電氣自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)及電力電子技術(shù)、智能檢測(cè)、自動(dòng)控制工程的設(shè)計(jì)與研究。圖21周期測(cè)量原理圖3線性地址變換為了準(zhǔn)確地測(cè)出時(shí)均流速、脈動(dòng)流速?gòu)?qiáng)度、流速概率分布等水力學(xué)特性,單片機(jī)通常的處理方法是把每一

6、個(gè)測(cè)出的周期值T,按其時(shí)間先后順序存入存儲(chǔ)器中。這樣,測(cè)出的每一個(gè)無(wú)論是否相同都要用一個(gè)單元來(lái)存放,且隨著被測(cè)信號(hào)的平均頻率和測(cè)量時(shí)間£的增長(zhǎng)，所需要的存儲(chǔ)容量就會(huì)增加，即存儲(chǔ)容量M=f-t如被測(cè)信號(hào)平均頻率/=10kHz,則1s平均約需存儲(chǔ)容量10KB,108平均約需存儲(chǔ)容量100KB,顯然，單片機(jī)片內(nèi)RAM是不能滿足要求的，即使擴(kuò)充外存，也不宜太大，會(huì)有一定的限制。但實(shí)際上，所測(cè)出的7；中，有相當(dāng)多的7；是相同的，如果我們把相同的7；值用一個(gè)單元來(lái)存放，則可大大壓縮存儲(chǔ)容量。為此，可采用線性變換的方法,把每個(gè)T,按式（3-1）轉(zhuǎn)換為單元地址值，并將其內(nèi)容加1,表示已有1個(gè)該7；值

7、。最后該單元的內(nèi)容N就表示一次測(cè)量中共有M個(gè)相同的7；值出現(xiàn)。存儲(chǔ)地址=起始地址+A7；（31）式中起始地址一對(duì)應(yīng)于T.=0的存儲(chǔ)單元地址,根據(jù)所選單片機(jī)型號(hào)任意設(shè)定。k變換比，表示出現(xiàn)R值的個(gè)數(shù)N,用&個(gè)字節(jié)來(lái)存放。k=l,表示T,對(duì)應(yīng)的M值用一個(gè)字節(jié)存放。k=2,表示7；對(duì)應(yīng)的M值用二個(gè)字節(jié)存放。這樣：存儲(chǔ)容量M=存儲(chǔ)地址最大值-起始地址值="皿（32）因此,使用線性地址變換時(shí)，存儲(chǔ)容量由測(cè)量的最大周期Tig所決定。當(dāng)采用計(jì)數(shù)方式測(cè)R值時(shí)，若計(jì)數(shù)時(shí)標(biāo)周期為匕,則計(jì)數(shù)器測(cè)得的T,值實(shí)際上是7；所包含的A個(gè)數(shù)。這樣，存儲(chǔ)容量可改寫為：存儲(chǔ)容量M=Timax/tc（設(shè)S1）（3

8、3）若規(guī)定測(cè)量的J=10ms,當(dāng)設(shè)置I。=4俸時(shí)，M=2.5KB;若要進(jìn)一步壓縮存儲(chǔ)容量,可增大L，如當(dāng)=8四時(shí)，M5.25KB,從而可滿足有限存儲(chǔ)容量的要求。單片機(jī)進(jìn)行線性地址變換時(shí)，用定時(shí)器計(jì)數(shù)方法測(cè)量每一個(gè)E值,然后用中斷服務(wù)子程序按式（31）進(jìn)行地址變換，把T,值轉(zhuǎn)換為地址單元號(hào)，并使該單元內(nèi)容加lo如把一次采樣規(guī)定為測(cè)幾個(gè)&值,則當(dāng)把幾個(gè)T,采樣完后，在存儲(chǔ)器從起始地址開始的單元內(nèi)就直接存放了如圖1所示的反映被測(cè)點(diǎn)流速脈動(dòng)情況的周期概率分布曲線。圖中：N,為一次采樣的n個(gè)脈沖周期中出現(xiàn)周期為T,的次數(shù),%為Ni中的最大值,么皿為對(duì)應(yīng)的周期值。圖31存儲(chǔ)器中周期概率分布曲線圖根

9、據(jù)測(cè)得的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出瞬時(shí)最大流速V皿和瞬時(shí)最小流速Um，同時(shí)按下式計(jì)算平均流速V和脈動(dòng)流速?gòu)?qiáng)度C“其中：K為流速系數(shù)，亍=務(wù)烏。上述數(shù)據(jù)處理方法既保證水力學(xué)特性所要求的數(shù)據(jù)信息量又節(jié)約了存儲(chǔ)空間，較真實(shí)地反映了采樣期間流速的變化情況。4存儲(chǔ)容的壓縮與測(cè)精度的保證上述數(shù)據(jù)處理方法雖然可用增大時(shí)標(biāo)L來(lái)壓縮存儲(chǔ)容量，但另一方面則可能使測(cè)試的相對(duì)誤差增大，其最大相對(duì)誤差A(yù)z出現(xiàn)在測(cè)量區(qū)間的低端X時(shí)：=（41）imin因此，考慮到測(cè)試誤差，將式（4-1）代入式（33）,則存儲(chǔ)容量可用式（4一2）表示：存儲(chǔ)容量史己芝（42）式（4一2）表明，當(dāng)考慮到測(cè)試誤差時(shí)，要壓縮存儲(chǔ)容量就要壓縮測(cè)量區(qū)間。若測(cè)量

10、范圍定為50*10ms,則測(cè)量區(qū)間計(jì)算值為：春4祟業(yè)=200了心50fjs-如設(shè)定gxWO.Ol,則Af20KBo因此，為了將存儲(chǔ)容量壓縮到2KB左右，又使其皿wO.Ol,則應(yīng)壓縮測(cè)量區(qū)間到20以下。（下轉(zhuǎn)第42頁(yè)）根據(jù)模型計(jì)算.需要吹叔嗎？禁止吹灰劇投運(yùn)<搏吹冬器運(yùn)行結(jié)束？2#吹&器投運(yùn)kN,Ww<電機(jī)、溫度、用力正常？TT/_、N吹灰*河斯位？>»|處理溫度、祀力/常？吹灰群投入蜃選擇<手*?單機(jī)就地遠(yuǎn)方快作I#吹火器投運(yùn)WW電機(jī)、獨(dú)度、壓力正常？Tnr2*吹灰器遙行結(jié)束？,<所有吹冬尊運(yùn)行結(jié)束？-4、N圖3-2吹灰控制流程圖換熱面污垢監(jiān)測(cè)結(jié)

11、果證實(shí)應(yīng)該吹灰。當(dāng)開關(guān)位置放到手動(dòng)時(shí)，可對(duì)單臺(tái)吹灰器遙控操作或就地控制。當(dāng)吹灰管路壓力正常，疏水端溫度高于設(shè)定值時(shí)，將開關(guān)設(shè)置到自動(dòng)位置，此時(shí)，按照上文提出的最佳吹灰周期的數(shù)學(xué)模型，在可編程序控制器中編制計(jì)算程序，如果程序判斷出應(yīng)該進(jìn)行吹灰操作，則自動(dòng)啟動(dòng)吹灰器動(dòng)作。當(dāng)初始狀態(tài)管路蒸汽壓力偏低或者疏水端溫度偏低，以及吹灰器沒(méi)有處在初始位置時(shí)，吹灰器不管手動(dòng)或自動(dòng)都不能使吹灰器投運(yùn)。圖3-2為吹灰控制流程圖。在自動(dòng)狀態(tài)下，開始吹灰條件和結(jié)束吹灰條件的產(chǎn)生均來(lái)自模型的計(jì)算。4緒企文中提出的空氣預(yù)熱器最佳吹灰周期模型適用于任何形式，在任何工況下工作的空氣預(yù)熱器，模型基于實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，除吹灰特性外，

12、沒(méi)有其它假設(shè),因此模型所用參數(shù)可以準(zhǔn)確測(cè)量。最佳吹灰過(guò)程的實(shí)現(xiàn)依賴基于PLC的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)，對(duì)于具有上位機(jī)的分布式計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)（如DCS等）實(shí)現(xiàn)上更為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便。（下轉(zhuǎn)第37頁(yè)）Y>»»»>><AY>»>m>»»XAXE>»>r»g|A>»»>n<AY>n»>r>g|>»>»A:（上接第39頁(yè)）圖4一1軟件流程圖為此，把整個(gè)測(cè)量范圍分成若干個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)

13、間以不同的時(shí)標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，就可滿足gWO.Ol,存儲(chǔ)容量23KB的要求。當(dāng)然，上述定標(biāo)是由軟件完成的，采用的方法是先用較大的時(shí)標(biāo)測(cè)量一次（稱為粗測(cè)），然后從概率分布曲線上找到，所對(duì)應(yīng)的叫皿值，與區(qū)間定標(biāo)界限系數(shù)相比較，視其所在區(qū)間確定定時(shí)器T的時(shí)間常數(shù)，輸出相應(yīng)的時(shí)標(biāo)脈沖。自動(dòng)定標(biāo)后，以新的時(shí)標(biāo)重新進(jìn)行測(cè)量（稱為精測(cè)），精測(cè)得到的周期概率分布曲線才作為計(jì)算各種參數(shù)的依據(jù)。關(guān)于數(shù)據(jù)采集的軟件流程如圖4一1所示。5結(jié)束語(yǔ)隨著單片機(jī)主頻的不斷提高，DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為超聲多普勒頻率參數(shù)的高精度測(cè)量創(chuàng)造了有利條件。文中提出的存儲(chǔ)容量壓縮方法，旨在提供一條解決精度與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量問(wèn)題的新途徑，特別對(duì)于超聲多普勒流