张 羽，李永倩，鲍 帅，范寒柏

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071000)

0 引言

传统的声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)在单片机内部进行正交变换、FIR滤波来获取多普勒频偏信号的实部和虚部，最后通过自相关算法计算出多普勒频偏，得出流速，由于正交变换和FIR滤波等均在软件中完成，因此数据处理的时间较长，并且硬件电路需要外扩SRAM，不便于电路设计，成本也较高[1]。本系统采用内存1 MB、主频高达400 MHz的STM32H743作为CPU，无需外部SRAM[2]，并将回波信号的正交变换以及FIR低通滤波在硬件电路中实现，通过单片机内部16 bit的A/D转换器，同时对两路正交信号进行采样，这样数据处理的速度显著提高，测量的精度也进一步提高，在实际工程中具有很强的实用性。

1 系统的构成及应用原理

多普勒流速剖面测量系统主要由电源系统、发射系统、接收系统、混频滤波系统、正交变换系统、数据采集系统以及通信系统等组成[3]。单片机驱动换能器向水中发射超声波，超声波遇到水中的小颗粒发生漫反射，回波信号经接收匹配电路、LC选频放大电路、二级放大电路后，进入中频混频器与本振信号混频得到中频信号，对中频信号进行选频放大、正交处理后，经过低通滤波器后得到多普勒频偏，进入单片机进行A/D信号采集处理，运算处理完成后，通过Modbus协议进行数据输出[4]。

1.1 系统构成

如图1所示，单片机通过产生两路带死区控制的PWM波，经H桥驱动电路以及变压器匹配电路驱动2 MHz的换能器周期性发射超声波[5]，利用多普勒效应，发射出的超声波遇到水中的小颗粒发生漫反射，此时接收到的回波信号的频率为fi+△f，其中fi=2 MHz为发射信号，Δf为多普勒频偏，回波信号幅值为微伏级。经过LC选频放大和二级放大电路后进入到混频器电路，在混频器中与fs=1.55 MHz本振信号参与混频，经过LC选频放大电路后得中频信号[6]。将该信号一分为二，通过与单片机产生的两路正交信号cos(fi-fs)·2π、sin(fi-fs)·2π 经过乘法器混频，再通过低通滤波器滤波，得到两路频率为cos(2π·Δf)、sin(2π·Δf)的信号，经过单片机A/D转换器同时对两路信号采集，得到多普勒频偏信号Δf的实部和虚部，最终经过自相关算法运算，计算出多普勒频偏Δf，得出各层流速[7]。

图1 系统构成图

1.2 开关混频原理

设输入信号为：

本振信号为：

取与本振信号同频的方波信号为S′1(t)，则有：

将其傅里叶级数展开为：

显然，式(4)是以ω2为基波的多次谐波的集合，因此，将输入信号与方波信号的混频可以写成：

经低通滤波器后可得：

由式(6)可以得出，经低通滤波后的信号幅值和相位与输入信号相同，频率为输入信号与方波频率的差值，这样就达到了混频的作用[8]。

1.3 自相关算法

设复信号H(t)的实部为：

虚部为：

其中，A为信号幅值，ω1为频移角频率，采样点为n，采样周期为τ，则有以下公式[9]：

实际信号包含有一定的噪声，因此设待测信号为S(t)，噪声为n(t)，可得：

该信号的自相关函数表示为：

将RS(τ)用极坐标的方式表示为：

RS(τ)=Ax(τ)ejφx(τ)(13)

其中：

因此，利用上述公式进行一阶矩估算，可得频偏计算公式为：

2 硬件电路设计

采用STM32H743型单片机，内部资源十分丰富，无需外扩SRAM，可简化电路，采用硬件正交与滤波电路，计算速度大大提高。硬件部分的核心设计包括混频中放电路、正交混频电路。其中混频中放电路采用SA637芯片，正交混频电路采用两路与中频信号同频的正交方波信号驱动DG444电子开关管，提取多普勒频偏信号的实部和虚部[10]。

2.1 混频中放电路设计

接收到的回波信号通过LC选频放大和二级放大电路后，经过混频中放电路产生中频信号，该信号与两路和中频同频的正交信号相乘，经低通滤波后，得到频偏450 kHz陶瓷滤波器进入IF AMP IN端，通过内部的中频放大器从IF AMP OUT端输出，再经一级450 kHz陶瓷滤波器，这样就在SA637中实现了混频中放，得到中频信号。

2.2 正交混频滤波电路

传统ADCP需要通过软件对信号进行正交和FIR滤波，再经过相应的计算得出流速。本系统采用硬件电路实现信号的正交混频和滤波。在DG444模拟电子开关信号，从而进入单片机进行运算处理。传统的混频中放电路需要两个芯片来实现，电路设计和调试较为繁琐。

因此本系统的混频应用电路如图2所示，混频中放模块采用SA637芯片。SA637集成了混频器和两个限幅中频放大器，可以在低压2.7 V下工作，并且具有强度指示RSSI，这样便可以对输出进行电平调整[11]。在本系统中，1.550 MHz本振信号和2 MHz的输入信号通过RFIN和OSCB引脚输入SA637芯片进行混频，混频后的信号从MIXER OUT引脚输出经过中，两路与中频信号同频的正交信号同中频信号混频，经MAX291电容滤波器分别对信号进行正交和滤波，提取多普勒频偏信号的实部与虚部。

图2 混频中放模块框图

2.2.1 正交混频电路设计

正交混频滤波电路如图3所示。DG444模拟开关用以开关混频，设输入信号S1(t)=Acos(ω1t+φ1)，方波信号ωS(t)与输入信号同频。

图3 正交滤波模块框图

经混频中放后的回波信号频率为450 kHz±Δf，单片机产生450 kHz方波信号控制DG444模拟开关，由式(3)～式(5)可知，高电平时电子开关输出为Acos(ω1t+φ1)，低电平时电子开关输出为-Acos(ω1t+φ1)，这样便完成了信号混频[12]。

图4所示为正交混频示意图，采用两路正交的方波信号与输入信号同时混频，这样可以同时获取到多普勒频偏信号的实部和虚部，保证测量的准确性。此时中频信号频率为450 kHz±Δf，用两路450 kHz的正交信号与中频信号进行混频，经低通滤波器后，便可以分别得到多普勒频偏信号Δf的实部和虚部。

图4 混频正交示意图

2.2.2 滤波部分设计

采用的MAX291芯片为八阶低通滤波器(巴特沃斯滤波器)，无需外接任何元件即可工作。该滤波器使用具有求和和缩放比例的开关电容构成了梯形无源滤波网络，元件值的误差对某一极点影响较小[13]。其八阶梯形滤波器网络如图5所示。

图5 八阶梯形滤波网络

该芯片可将所需基频信号滤出，滤波得到低频信号结果如下：

为使单片机A/D能够有效采集频偏信号，在滤波电路后接一级放大电路对信号进行放大。这样，A/D转换器采集的信号质量更高，测量结果也更加准确。

3 软件设计

软件部分主要由发射、接收和通信控制程序组成。如图6所示，单片机通过定时器产生PWM波信号驱动发射电路发射超声波，接收部分主要包括单片机产生本振信号与接收信号进行混频、两路正交的信号控制电容滤波器以及驱动两路A/D转换器对数据同时进行采集。通过4096点FFT运算，计算信噪比，如果信噪比大于标准值，证明信号质量较好，则将此次正交分离后的两路信号分别作为实部、虚部，代入到自相关公式中，计算出多普勒频偏；如果信噪比小于标准值，则舍弃这一组数据，重新进行信号采集，最终算出多普勒频偏。通过RS485电路进行Modbus协议数据输出，完成一次测量。通过对信号作FFT质量分析，可以有效提高系统测量的准确性。为满足该系统对于数据处理时间的要求，因此采用DMA模式来对数据进行采集和传输，这样最大限度地节省了CPU资源[14]。同时为保证两路信号同时采集处理，采集程序采用ADC同步规则模式，并用定时器触发A/D采样，采样频率为1 MHz。

图6 软件流程图

4 实验方案和结果

4.1 硬件部分测试

制作完成硬件电路后，开始逐一对各个模块进行调试，主要有以下几个实验测试点：(1)发射部分驱动2 MHz换能器，谐振波形幅值约70 V左右；(2)放大电路的信号放大倍数；(3) 混频部分得到450 kHz的中频信号；(4)正交滤波电路输出波形和幅值。

系统上电，驱动2 MHz换能器谐振并采集回波信号。由于回波信号幅值为微伏级，无法在示波器显示，因此要得到该信号的准确信息，需要对信号进行放大处理。图7为经二级放大后的回波信号，可以看出，幅值已明显提高，波形质量已大幅改善，该信号与本振信号进行混频后得到中频信号。

图7 回波信号经运放输出波形

中频信号与正交信号经过DG444输出后的波形如图8所示，此时混频后的信号比较乱。经过MAX291开关电容滤波器后如图9所示，可以看出此时的信号非常整齐。

图8 DG444输出波形

图9 通过MAX291后输出波形

两路正交的方波信号同时在DG444内与回波信号混频，得到多普勒频偏信号的实部与虚部，这样采用双路A/D转换器同时采样，再利用自相关算法，即可提取出多普勒频偏，最终计算出流速[15]。

4.2 实验结果

将发射系统、信号接收系统和数字处理系统进行联调，保证硬件以及软件的各个测试点正常工作。设置好层深和层数后，将信号源经衰减器后得到的10 μV正弦信号接入接收电路，以2 MHz为中心频率，上下调节输入信号的频率，查看系统测得的多普勒频偏。表1为不同频率输入信号，采用硬件正交、滤波和软件正交、滤波后测得的多普勒频偏。

表1 不同频率输入测得的多普勒频偏

经过上述数据分析后，可以看出该多普勒流速仪通过将正交、滤波在硬件上实现和软件上增加信号质量分析，可以使测量的精度显著提高，同时减少了CPU运算的时间，使测量更加快速，能更加广泛地应用在各种小型河流、水渠等。

5 结论

本设计将正交变换、FIR滤波在硬件电路中实现，硬件电路滤波相比软件滤波效果更加明显，使测量精度显著提升；采用STM32H743为主控芯片，在运算处理速度方面以及内存方面有极大提升，同时减少了外扩SRAM，使电路和软件设计更加简便，节约成本；在提升运算速度的基础上，加入FFT算法对回波信号进行质量分析，筛选质量较好的信号，保证了自相关算法对流速计算的精确度。因此，本系统较传统ADCP具有更高的精确性以及更快的运行速度。在当前河流资源日趋恶化的情况下，该新型声学多普勒流速剖面仪的成功应用为我国水文测量的发展以及改善提供了帮助，促进了对河流领域的研究与探索。