DDS及其在聲學(xué)多普勒流速測量系統(tǒng)中的應(yīng)用.docx

1、DDS及其在聲學(xué)多普勒流速測量系統(tǒng)中的應(yīng)用李媛I，李永倩。張選明2,張鵬。張小苗'(1.華北電力大學(xué)河北石家莊07】003；2.國家海洋技術(shù)中心天津300111)摘要：概述了直接敷字頻率合成(DDS)技術(shù)的原理，婚出了一種基于DDS技術(shù)的聲學(xué)多普勒流速測量系統(tǒng)的設(shè)計方素，介紹了各部分電路的功能和設(shè)計思路.系統(tǒng)以TI公司的單片機(jī)MSP430F149為控制和信號處理核心，將DDS技術(shù)引入發(fā)射和正交解調(diào)模塊，可實現(xiàn)較傳統(tǒng)模擬方式更為經(jīng)濟(jì)、高效、精確的流速測量.關(guān)詞：直接數(shù)字頰率合成(DDS)；聲學(xué)多普粉效應(yīng)；沆速測量；正交解調(diào)中圖分類號：TN74】文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文*編號：1004-373X(

2、2007)01-095-04DDSandItsApplicationinAcousticDopplerCurrentVelocityMeasurementSystemLIYuan1,LIYongqian',ZHANGXuanming2.ZHANGPeng2,ZHANGXiaomiao'(1.NorthChinaElectricPowerUniversity>ShijiAzhuanK»O71OO3»Chinai2.NationalOceanTechnologyCenter*Tianjin300111*China)Abstract：Theprinciple

3、ofDirectDigitalSynthesizer(DDS)isbrieflyintroducedandaDDS-basedacousticDopplercurrentvelocitymeasurementsystemhasbeenpresentedinthispaper.Thedesignideasofthehardwarecircuits,togetherwiththefunctionsofdifferenthardwaredevices,havebeenintroducedindetail.ThesinglechipcomputerMSP430F149asthecontrolandpr

4、ocessingcoreofthesystemcangreatlyimprovethespeedandotherperformancesofthesystem.Moreover,theDDStechniqueisappliedinthetransmittingcircuitsandtheQuadratureDemodulationcircuits.whichmakesthesystemmoreeconomtc.moreefficientandmoreaccuratecomparedwiththetraditionalanalogsystem.Keywords：DireciDigitalSynt

5、hesis(DDS)iacousticdopplereffect;currentvelocitymeasurementiquadraturedemodulation1引S.利用聲學(xué)多普勒測量流速的想法源于20世紀(jì)60年代，美國邁阿密大學(xué)海洋實驗室最早開始這方面的研究，許多國家也先后開展了此項技術(shù)的研究工作，并取得了系列的成果發(fā)展至今，聲學(xué)多普勒流速測，技術(shù)已經(jīng)日益成熟.并旦廣泛應(yīng)用于各種海洋調(diào)查和科學(xué)研究中。隨看數(shù)字信號處理技術(shù)、芯片技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的6速發(fā)展，流速測量儀器也日益向數(shù)字化方向發(fā)展。高性能單片機(jī)的高速處理和控制能力、直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)在系統(tǒng)中的靈活應(yīng)用以及專用數(shù)字芯片

6、功能的日益完善,使得流速測量系統(tǒng)精度更高、速度更快、升級更便捷。DDS是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)，他在相對帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、分辨率高、相位變化連續(xù)、可編程控制、功耗低、可靠性高以及易于集成等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，已逐漸成為聲吶、雷達(dá)、通信、電子控制等系統(tǒng)中信號合成方式的苜選，尤其在頻率調(diào)制、相位調(diào)制等信號調(diào)制解調(diào)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用*°本文采用TI公司的單片機(jī)MSP430F149作為控制和信號處理核心，提出使用DDS技術(shù)生成發(fā)射信號和本振信號，替代了傳統(tǒng)的壓控振蕩源，解決了傳統(tǒng)模擬電路頻收稿日期：2006-07-28率

7、分辨率低、波形單一、精度差等問題。2DDS原理一個DDS系統(tǒng)通常由參考時鐘、相位累加器、正弦查詢表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)等組成，如圖1所示。參考時鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作?！岸鳫IIIIIIIIII仙用i血，叩|州,上圖1DDS原理樞圖相位累加器是DDS系統(tǒng)的核心部件.他類似一個計數(shù)器。每來一個時鐘信號，相位累加器的輸出就增加一個步&的相位增成值，其大小由頻率控制字K確定。相位累加器進(jìn)行的是線性相位累加，累加至滿量時產(chǎn)生一次計數(shù)溢出，這個溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查間表是一個可編程只讀存佶器，存儲的是以相位為地址的一個周期的正

8、弦信號的采樣編碼值，包含周期測悴技術(shù)李媛等:DDS及其在聲學(xué)多普勒流速測星系統(tǒng)中的應(yīng)用性正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)于正弦波在0360°范圍內(nèi)的一個相位點。將相位累加器的輸出數(shù)據(jù)作為一個地址對正弦查詢表進(jìn)行尋址，查詢表即可把輸入的地址相位信息映射成數(shù)字振幅信息。D/A轉(zhuǎn)換器將正弦查詢表輸出的數(shù)字波形幅值序列S3）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號S（z）,再通過低通濾波器濾除不需要的諧波分量，輸出頻譜純凈的正弦波信號。若相位累加器位數(shù)為N,頻率控制字為K,輸出信號頻率為人,參考時鐘頻率為。，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為：°/o=Ap（1）輸出信號的頻率分辨率為*<2）3聲學(xué)多

9、普勒流速測原理3.1基本理論聲學(xué)多普勒流速測量的基本理論是多普勒效應(yīng)。聲學(xué)換能器向水中發(fā)射某一特定頻率八的聲脈沖，由于運動顆粒物的漫反射，脈沖的部分能最將被水流中的小粒子反射或散射，并引起散射波頻率發(fā)生變化。頻率的增加意味著粒子朝著換能器方向移動，頻率的減小意味看粒子背離換能器方向移動，頻率的變化程度則意味著粒子移動速度的大小.假設(shè)粒子在水流中的運動方向與流速一致，通過測量多普勒頻移的大小和變化方向就能確定水流的流速和流向。在換能器處于靜止的情況下，其接收到的背向散射信號的多普勒頻移為3】，九=殳邊（3）C其中，為聲波收發(fā)頻率之差，即多普勒頻移，人為發(fā)射聲波頻率,C為聲波在水流中的傳播速度2為

10、水流的流速。由式（3）可知，多普勒頻移與水流速度成正比，若已知。和提取出多普勒頻移的大小和變化方向，就可得到相應(yīng)的流速信息。3.2平面流速測量及換能器配置平面水流速度測鼠可采用如圖2所示的系統(tǒng),4個聲學(xué)換能器水平正交對稱安憑。系統(tǒng)T作時.4個換能器發(fā)出的聲波分別沿著射線和傳播，在傳播過程中，水體中的散射體將部分能量反射回?fù)Q能器。假設(shè)水體在-個水平平面內(nèi)的流速是均勻的，則在測髭范圍內(nèi)，水體速度矢量在4個波束上都有一個投影速度，相當(dāng)于在某一水平面上，波束內(nèi)的水體分別沿著波束運動，他們的速度可分別表示為E55叫。根據(jù)多普勒原理，由于水體運動的存在，各波束的回波頻率與發(fā)射聲波頻率之間存在多普勒頻移。水

11、體速度與多普勒頻移之間的關(guān)系可表示為：=穿i=1.2,3,4式中，i為波束坐標(biāo)的序號，人為發(fā)射聲波頻率,表示水體的運動速度矢R在第i個波束上的投影.如果按照上述結(jié)構(gòu)配置換能器，那么根據(jù)多普勒頻移理論就可以測苗出流速矢扯在4個波束上的投影。根據(jù)二維空間的待點，已知平面內(nèi)的矢量在正交的2個波束射線上的投影就可確定平面矢或。為了減少換能器對流速場的影響，通常采用前向矢量算法，即只取流速矢量在面向迎面流方向的2個波束上的投影來計算水體流速。圖2換能SfcX4系統(tǒng)設(shè)計圖3給出了我們設(shè)計的聲學(xué)多普勒流速測抵系統(tǒng)的原理框圖（僅以單路測盤聲路為例），他包括中央控制及佰號處理模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、正交解調(diào)模

12、塊和電源模塊等。系統(tǒng)工作時，單片機(jī)控制DDS發(fā)射電路產(chǎn)生特定頻率、波形的發(fā)射信號,進(jìn)行功率放大后加在換能器兩端，使其發(fā)射相應(yīng)的超聲波波束。多路開關(guān)的功能是對4路測段聲路進(jìn)行切換。由于換能器接收到的回波信號卜分微弱接收電路需要對敬射信號進(jìn)行前置放大、增益控制和帶通濾波等一系列處理后才能進(jìn)一步進(jìn)行檢測。系統(tǒng)采用正交解調(diào)方式，由DDS芯片電路提供本振信號，將解調(diào)后的信號送入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，求得各路信號的多普勒頻移的統(tǒng)計值。圖3流速溯量系統(tǒng)原理樞圖4.1中央控制及信號處理模塊系統(tǒng)采用美國德州儀器公司推出的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F149作為控制和信號處理單元，他具有處理能力強、運算速度快

13、、功耗低等特點，芯片內(nèi)集成了12位現(xiàn)代電子技術(shù)2007年第1期總第240期A/D轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、硬件乘法器、2組頻率可達(dá)8MHz的時鐘模塊、2個帶有大鼠捕獲/比較寄存器的16位定時器和2個可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問的申行通信接口等豐富的外圍模塊。MSP430F149完成的功能主要有：控制DDS電路合成發(fā)射信號波形；控制多路模擬開美進(jìn)行四路聲道的切換；利用內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器對經(jīng)過放大處理后的回波信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用茨自相關(guān)算法等處理提取多普勒頻移進(jìn)而計算。4.2發(fā)射模塊發(fā)射模塊的主要任務(wù)是產(chǎn)生具有一定重復(fù)周期、脈沖寬度和填充頻率的電信號，并以一定的發(fā)射功率將電信號加到換能器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的聲

14、波信字.其核心是直接數(shù)字頻率合成器DDS。傳統(tǒng)的模擬電路一般采用壓控振蕩器及鎖相環(huán)(PLL)等技術(shù)合成發(fā)射信號，由于大髭地使用非線性模擬器件，一方面會造成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生成信號雜波分段多，頻潛純度低等缺點，另一方面由于鎖相環(huán)本身的特性，使頻率分辨率與頻率轉(zhuǎn)換時間之間的矛盾難以解決吐本設(shè)計采用全數(shù)字接口的專用DDS芯片AD985。作為頻率合成器。AD9850是美國AnalogDevices公司生產(chǎn)的高度集成CMOS型DDS芯片，系統(tǒng)時鐘可達(dá)125MHz。芯片內(nèi)集成了頻率累加器、相位累加器、正弦查詢表、10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和高速比較器等，能實現(xiàn)全數(shù)字編0測試-測量-自動化4程控制的頻率合成，并具

15、有時鐘產(chǎn)生功能.AD9850采用32位的相位累加器將信號截短成14位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截短成10位后輸入到DAC,DAC的輸出信號經(jīng)過低通濾波后即可得到模擬正弦波。利用AD9850內(nèi)部的高速比較器可進(jìn)一步將正弦信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率的方波信號。AD9850有40位控制字,32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式加載到AD985。中。系統(tǒng)通過單片機(jī)MSP430F149控制AD9850產(chǎn)生所需的發(fā)射信號，由于MSP430F149和AD9850均為3.3V單電源供電，所以可將二者的數(shù)據(jù)線直接相連。AD9850

16、采用并行數(shù)據(jù)輸入方式，接口電路如圖4所示.圖中只給出了取片機(jī)與AD9850相關(guān)的連接.AD985。的數(shù)據(jù)線DOD7與P1口相連，WCLK引腳和FQUD引腳分別與31引腳P3.3和32引腳P3.4相連.所有的時序關(guān)系均可通過軟件控制實現(xiàn)，并行加載時序圖如圖5所示。在并行輸入方式下，每次輸入通過8位數(shù)據(jù)線連續(xù)5次將40b數(shù)據(jù)寫入AD9850.WCLK和FQUD用來確定地址及輸入數(shù)據(jù)次序。WCLK的上升沿寫入W.(h-0,1,2,3.4),所以在WCLK的上升沿，DATA應(yīng)準(zhǔn)備好且保持穩(wěn)定。FQUD的上升沿將40b數(shù)據(jù)寫入頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器，同時地址指針指向第一個寄存器W*°圭陣圖4AD

17、9850的接口電路初始化時，將FQUD引腳設(shè)置為高電平，WCLK設(shè)置為低電平，并行方式寫入過程如卜.：首先，F(xiàn)QUD由高電平轉(zhuǎn)為低電平，MSP430F149將數(shù)據(jù)Wo輸出；之后，控制WCLK由低電平轉(zhuǎn)為高電平，再由高電平轉(zhuǎn)為低電平，此時寫完控制字W°,MSP430F149按照寫入Wo的過程，依次寫入W"W”W,和W,；最后，MSP430F149控制FQUD,使其由低電平轉(zhuǎn)為高電平，完成40b數(shù)據(jù)的寫人,并將地址指針指向W”為下次寫入頻率/相位控制字做好準(zhǔn)備。圖5井行加裁時序圖圖5井行加裁時序圖李媛等:DDS及其在聲學(xué)多普勒流速測量系統(tǒng)中的應(yīng)用4.3接收模塊接收電路的功能是提

18、取微弱的回波信杪.由于換能器接收到的背向散射信號衰減嚴(yán)重，且具有較大的動態(tài)范圖，無法直接進(jìn)行檢測，所以必須對接收到的倩號進(jìn)行前置放大、自動增益控制和帶通濾波等處理。4.4正交解調(diào)模塊實現(xiàn)正交解調(diào)的關(guān)鍵在于本振信號的產(chǎn)生，實際電路中對本振信號有兩方面的要求，首先.本振和發(fā)射信號必須同頻同相，否則正交解調(diào)后的信號會產(chǎn)生頻差和相差，不利于多普勒頻移的恢復(fù)；其次，兩個本振信號cosw和sin%】要完全正交，否則恢復(fù)頻移時會產(chǎn)生虛假信號。傳統(tǒng)的模擬電路中兩路正交調(diào)制的本振信號由PLL電路和90°相移器產(chǎn)生，由于模擬器件的-致性和穩(wěn)定性都不理想，很難嚴(yán)格保證兩路正交通路之間幅度的一致性及相位的正

19、交性,這將大大影響系統(tǒng)的性能。針對以上問題，本設(shè)計利用AD9850作為本振信號發(fā)生器.采用通用正交調(diào)制解調(diào)芯片RF2713進(jìn)行正交解調(diào)。RF2713是RFMicroDevices公司的一款完整的正交調(diào)制、解調(diào)芯片。當(dāng)該芯片用作解調(diào)器時，可以將中頻信號通過正交解調(diào)(正交基帶變換)恢復(fù)成LQ兩路零中頻信號，可處理的中頻頻率范圍為100kHz250MHz。該芯片內(nèi)部包含完成正交調(diào)制、解調(diào)功能的所有部件，如數(shù)字正交分頻器和2個雙平衡混頻器，還內(nèi)置有基帶放大器以便于對輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。RF2713工作時要求輸入本振的頻率為載頻的2倍，解調(diào)時其內(nèi)部的數(shù)字正交二分頻器會將本振時鐘二分頻成正交的2路時鐘

20、，各自送入混頻器分別與中頻信號混頻，從而產(chǎn)生LQ兩路基帶輸出信號。內(nèi)置的基帶放大群將LQ兩路基帶信號放大以利于信號的采樣。RF2713用作解調(diào)器用時的原理電路如圖6所示當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射聲波時，MSP430F149控制AD9850產(chǎn)生發(fā)射波形加在換能器兩端；當(dāng)系統(tǒng)切換到接收狀態(tài)時，在單片機(jī)的控制下AD9850產(chǎn)生本振信號送入正交解調(diào)器。解調(diào)得到的LQ兩路分量信號經(jīng)過低通濾波器MAX7407后，送入MSP430F149進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過復(fù)自相關(guān)處理等計算出回波信號的多普勒頻移，進(jìn)而確定被測流速的大小和方向。困6RF2713正交解調(diào)器原理圖本文提出了一種基于DDS技術(shù)的聲學(xué)多普勒流速測量系統(tǒng)的設(shè)計方法，介紹了系統(tǒng)中各電路模塊的