超聲多普勒流速測量中存儲容量的壓縮方法.docx

1、超聲多普勒流速測量中存儲容量的壓縮方法黃摯雄(中南大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南長沙410075)摘要介紹了多普勒頻率單片機測量時的數(shù)據(jù)處理方法，即線性地址變換法。在存儲容量有效壓縮的基礎(chǔ)上，進一步分析了采樣數(shù)據(jù)，用軟件實現(xiàn)可控時標，保證了測量精度。關(guān)鍵詞測量;超聲多普勒；頻率；用期；單片機;存儲容量中圖分類號TP274文獻標識碼B文章編號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，這樣勢必占用較多的存儲單元，如何壓縮數(shù)據(jù)存儲量，也就是該文要解決的主要問題。圖1一1測頻方法示意圖WlJ輸出計數(shù)器I時鐘源被測信號（中»««!>計散中斷用超聲多普勒方法測量流速時，多普勒頻率fD與流速成正比。fD實際上是一個反映被測點瞬時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代表了該被測點水流的瞬時速度。為了對脈沖信號的頻率（或周期）進行精確測量.采用的方法是被測信號作為閘門信號,而用一個標準頻率信號作為填充脈沖，在閘門周期內(nèi)對標準頻率信號計數(shù)，如圖1-1所示。設(shè)計數(shù)器的值為M則被測信號的周期T=N/,頻率0=1/7。在以單片機為核心的流速測控系統(tǒng)中，為了得到相關(guān)的水力學(xué)參數(shù)及保J1_TL_被測信號周期J1HLL己知頻率信號2基于單片機系統(tǒng)的頻率參數(shù)測當采用單片機微處理器測量信號頻率（周期）時,筆者是這樣設(shè)計的:定時器島工作在計數(shù)方式,定時器A工作在定時方式，T,可向外部發(fā)固定頻率的脈沖（時標），7。對時標進行計數(shù)。被測脈沖信號產(chǎn)

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

6、個測出的周期值T,按其時間先后順序存入存儲器中。這樣,測出的每一個無論是否相同都要用一個單元來存放,且隨著被測信號的平均頻率和測量時間£的增長，所需要的存儲容量就會增加，即存儲容量M=f-t如被測信號平均頻率/=10kHz,則1s平均約需存儲容量10KB,108平均約需存儲容量100KB,顯然，單片機片內(nèi)RAM是不能滿足要求的，即使擴充外存，也不宜太大，會有一定的限制。但實際上，所測出的7；中，有相當多的7；是相同的，如果我們把相同的7；值用一個單元來存放，則可大大壓縮存儲容量。為此，可采用線性變換的方法,把每個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個該7；值

7、。最后該單元的內(nèi)容N就表示一次測量中共有M個相同的7；值出現(xiàn)。存儲地址=起始地址+A7；（31）式中起始地址一對應(yīng)于T.=0的存儲單元地址,根據(jù)所選單片機型號任意設(shè)定。k變換比，表示出現(xiàn)R值的個數(shù)N,用&個字節(jié)來存放。k=l,表示T,對應(yīng)的M值用一個字節(jié)存放。k=2,表示7；對應(yīng)的M值用二個字節(jié)存放。這樣：存儲容量M=存儲地址最大值-起始地址值="皿（32）因此,使用線性地址變換時，存儲容量由測量的最大周期Tig所決定。當采用計數(shù)方式測R值時，若計數(shù)時標周期為匕,則計數(shù)器測得的T,值實際上是7；所包含的A個數(shù)。這樣，存儲容量可改寫為：存儲容量M=Timax/tc（設(shè)S1）（3

8、3）若規(guī)定測量的J=10ms,當設(shè)置I。=4俸時，M=2.5KB;若要進一步壓縮存儲容量,可增大L，如當=8四時，M5.25KB,從而可滿足有限存儲容量的要求。單片機進行線性地址變換時，用定時器計數(shù)方法測量每一個E值,然后用中斷服務(wù)子程序按式（31）進行地址變換，把T,值轉(zhuǎn)換為地址單元號，并使該單元內(nèi)容加lo如把一次采樣規(guī)定為測幾個&值,則當把幾個T,采樣完后，在存儲器從起始地址開始的單元內(nèi)就直接存放了如圖1所示的反映被測點流速脈動情況的周期概率分布曲線。圖中：N,為一次采樣的n個脈沖周期中出現(xiàn)周期為T,的次數(shù),%為Ni中的最大值,么皿為對應(yīng)的周期值。圖31存儲器中周期概率分布曲線圖根

9、據(jù)測得的存儲數(shù)據(jù)，可計算出瞬時最大流速V皿和瞬時最小流速Um，同時按下式計算平均流速V和脈動流速強度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)約了存儲空間，較真實地反映了采樣期間流速的變化情況。4存儲容的壓縮與測精度的保證上述數(shù)據(jù)處理方法雖然可用增大時標L來壓縮存儲容量，但另一方面則可能使測試的相對誤差增大，其最大相對誤差A(yù)z出現(xiàn)在測量區(qū)間的低端X時：=（41）imin因此，考慮到測試誤差，將式（4-1）代入式（33）,則存儲容量可用式（4一2）表示：存儲容量史己芝（42）式（4一2）表明，當考慮到測試誤差時，要壓縮存儲容量就要壓縮測量區(qū)間。若測量

10、范圍定為50*10ms,則測量區(qū)間計算值為：春4祟業(yè)=200了心50fjs-如設(shè)定gxWO.Ol,則Af20KBo因此，為了將存儲容量壓縮到2KB左右，又使其皿wO.Ol,則應(yīng)壓縮測量區(qū)間到20以下。（下轉(zhuǎn)第42頁）根據(jù)模型計算.需要吹叔嗎？禁止吹灰劇投運<搏吹冬器運行結(jié)束？2#吹&器投運kN,Ww<電機、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*?單機就地遠方快作I#吹火器投運WW電機、獨度、壓力正常？Tnr2*吹灰器遙行結(jié)束？,<所有吹冬尊運行結(jié)束？-4、N圖3-2吹灰控制流程圖換熱面污垢監(jiān)測結(jié)

11、果證實應(yīng)該吹灰。當開關(guān)位置放到手動時，可對單臺吹灰器遙控操作或就地控制。當吹灰管路壓力正常，疏水端溫度高于設(shè)定值時，將開關(guān)設(shè)置到自動位置，此時，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算程序，如果程序判斷出應(yīng)該進行吹灰操作，則自動啟動吹灰器動作。當初始狀態(tài)管路蒸汽壓力偏低或者疏水端溫度偏低，以及吹灰器沒有處在初始位置時，吹灰器不管手動或自動都不能使吹灰器投運。圖3-2為吹灰控制流程圖。在自動狀態(tài)下，開始吹灰條件和結(jié)束吹灰條件的產(chǎn)生均來自模型的計算。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，模型基于實時采集的數(shù)據(jù)，除吹灰特性外，

12、沒有其它假設(shè),因此模型所用參數(shù)可以準確測量。最佳吹灰過程的實現(xiàn)依賴基于PLC的計算機過程控制系統(tǒng)，對于具有上位機的分布式計算機過程控制系統(tǒng)（如DCS等）實現(xiàn)上更為經(jīng)濟、簡便。（下轉(zhuǎn)第37頁）Y>»»»>><AY>»>m>»»XAXE>»>r»g|A>»»>n<AY>n»>r>g|>»>»A:（上接第39頁）圖4一1軟件流程圖為此，把整個測量范圍分成若干個區(qū)間，每個區(qū)

13、間以不同的時標進行測試，就可滿足gWO.Ol,存儲容量23KB的要求。當然，上述定標是由軟件完成的，采用的方法是先用較大的時標測量一次（稱為粗測），然后從概率分布曲線上找到，所對應(yīng)的叫皿值，與區(qū)間定標界限系數(shù)相比較，視其所在區(qū)間確定定時器T的時間常數(shù)，輸出相應(yīng)的時標脈沖。自動定標后，以新的時標重新進行測量（稱為精測），精測得到的周期概率分布曲線才作為計算各種參數(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)束語隨著單片機主頻的不斷提高，DSP技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為超聲多普勒頻率參數(shù)的高精度測量創(chuàng)造了有利條件。文中提出的存儲容量壓縮方法，旨在提供一條解決精度與數(shù)據(jù)存儲量問題的新途徑，特別對于超聲多普勒流