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超声波多普勒流速仪硬件研发的几个方向

[点击量:184][来源:安布雷拉超声波 · 中国已服务中小企业8千家]

2019-11-25

 
 
 
       从2016年开始,随着超声波多普勒流速仪应用越来越广泛,也有很多企业想要去研发超声波多普勒流速仪。对于超声波多普勒流速仪硬件研发的方向,一般有这几种(主要讲的是单点多普勒流速仪):
 
       一、传统欧美企业的解决方案
 
       欧美企业起步早,在60-70年代就研发出来多普勒流速仪,当时的硬件性能比较低,为了能够进行大数据量的处理,同时保证测量的速度。采用的是MCU+DSP结合的方式,DSP主要用来进行信号处理,信号处理上数据量很大,MCU主要做一些控制,输出。
 
超声波多普勒流速仪
 
       这种方式通过了至少30年的验证,在欧美多普勒流速仪企业的产品就可以看到这种硬件方式的可靠性和生命力。
 
       二、现在的纯硬件解决方案
 
       到了2010年之后,FPGA的单价逐年下降,已经达到可以在工业产品上批量使用的程度了。
 
       FPGA的单价在100~300元以内的,都可以很好满足超声波多普勒流速仪测量算法的需要,并且计算速度已经超过了《MCU+DSP》的硬件组合。
 
       这种方式需要把算法做到FPGA上,利用强大的硬件运算能力,一秒钟内至少可以进行5000~50000次的乘法运算。
 
       这种做法的优点是:流速测量出数据特别快。有企业做到上电2秒,就把准确的流速输出出来。
 
超声波多普勒流速仪
 
       三、双MCU方式
 
       有些企业为了节省成本,舍不得上FPGA。当然另一个原因是企业内部没有懂FPGA的人,招一个这样的人人工成本又很高,所以就曲线救国,用2个MCU来分工合作。因为用1个MCU来处理,就是常用的STM32F469、STM32F479满血计算,也要至少60秒以上才能够出流速(这个流速是否准确暂且不说)。
 
       所以就用1+1>2的方法,1个MCU做算法处理,比如:傅里叶变换等,第二个MCU做日常的控制、通讯。
 
超声波多普勒流速仪
 
       四、单MCU方式
 
       为了简化硬件的通讯和控制,还有企业不选用双MCU方案,直接上最新的STM32H7431,可以运行在400Mhz,经过实际验证,虽然有了这么高的运行速度,但是跟“MCU+FPGA”方案比,还只能远远落在人家屁股后面。
 
超声波多普勒流速仪
 
       以上是我接触过的4种硬件设计解决方案,下面来说说设计人员常问的硬件采样精度要多少合适。
 
       如果想达到进口产品的流速测量精度,硬件采样建议做到16bit,如果只是想做个产品,有流速就行了,那可以用12bit的采样精度,12bit以下的采样就不要用了。除了第一和第二种方案,用第三和第四种方案,需要准备16Mb的外挂flash,以满足采样数据的存储要求。
 
       最后说说超声波多普勒流速仪的换能器,选用什么样的适合?这里说的都是单点的多普勒流速仪。
       
       对于频率:选用10Mhz,5Mhz,2MHz的,最少也要1Mhz。1Mhz以下频率的换能器就不要选了。
 
       常用的超声波换能器有DYW-10M-01B,DYW-5M-01D,DYW-LS-03A,DYW-2M-01T,DYW-1M-01T。
 
超声波多普勒流速仪
 
DYW-LS-03A 超声波换能器  
 
超声波多普勒流速仪
 
DYW-LSF-1M超声波换能器  
 
超声波多普勒流速仪
 
DYW-1M-01T 超声波换能器  
 
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超声波多普勒流速仪
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