超声波收发电路数字滤波器仿真设计与DSP实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 1.46MB 58 页 15积分

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摘要

滤波器可以有效地抑制带外噪声，均衡所使用频带的幅度，相位特性等。因

此它在通信，控制及信号处理等领域都发挥着重要作用，被广泛应用于通信，数

据采集，自动控制等各类电子系统中。随着电子技术，特别是微电子技术的发展

传统的手工计算被计算机所取代，以往的模拟信号处理方式也被数字信号处理所

代替。这些变革给滤波器的设计理论和设计方法带来了深刻的变化。

数字滤波器设计一直是数字信号处理领域的重要研究课题。它与模拟滤波器

比较，具有灵活、高精度、可靠性好、体积小和重量轻，不要求阻抗匹配及可实现

特殊功能滤波等优点。其中 IIR(无限冲激响应)数字滤波器因具有结构简单、占用

存储空间少、运算速度快、较高的计算精度和能够用较低的阶数实现较好的选频特

性等特点，在生物医学、现代通信及消费电子等领域得到了广泛的应用。本文研究

的超声波收发电路数字滤波器仿真设计与 DSP 实现，在详细分析超声波收发电路

的滤波器要求后进行了 IIR 数字滤波器的仿真设计与选型，用 MATLAB 仿真软件

调用子函数法、FDA 工具法设计规定指标的滤波器，并给出仿真结果；最后采用

TI 公司的 C54 系列的 TMS320C5402 DSP（数字信号处理器，以下简称 DSP）实

验板，实现设计的 IIR 数字滤波器，并讨论与仿真结果的一致性以及在超声波收

发电路中的实际效果及应用前景。

关键词：超声波收发电路 IIR 数字滤波器 MATLAB 仿真 DSP 实现

ABSTRACT

Filter can effectively suppress noise band, balance the range and phase

characteristics of useful frequency bands, so it plays important role in communications,

control and signal processing fields。Filter technique is widely used in communications,

data acquisition, automatic control of various electronic systems. With electronic

technology, especially the developing of microelectronic technology, the traditional

manual calculation has been replaced by computer, the analog signal processing

methods have been replaced by digital signal processing. These changes have brought

profound changes to the theories and methods of the filter design.

The design of digital filters has been an important problem of digital signal

processing. Compared with the analog filters, it is more flexible, higher accuracy, good

reliability, small size and light weight, it does not require impedance matching and

achieves the advantages of special features. IIR (Infinite Impulse Response) digital

filters achieve better characteristics for its simple structure, less storage space,high

computing speed, high accuracy.And it can achieve better frequency characteristics with

lower order. For these reason digital filters has been widely used in the biological

medicine, modern communications and consumer electronics and other fields. In this

paper, I have researched the simulation of digital filters in the ultrasonic transceiver

circuit and DSP realization. First I have found he relevant requirements of IIR digital

filter design in the ultrasonic transceiver circuit ,then I have selected the MATLAB

simulation software as the simulation tool.Respectively, I have used the method of

compile program and FDA tools to design the filter indicator, and given simulation

results. Finally I adopt TMS320C5402 DSP(digital signal processor, hereinafter referred

to as DSP)demo board, to achieve the design of IIR digital filter, and to discuss the

consistency of the simulation results, as well as in the ultrasonic transceiver circuit and

the actual results.

Keywords：Ultrasonic transceiver circuit, IIR digital filter, MATLAB

simulation, DSP realization

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 课题研究的目的和意义.......................................................................................1

§1.2 国内外发展现状...................................................................................................2

§1.3 论文主要内容与关键技术...................................................................................5

§1.4 本章小结...............................................................................................................6

第二章超声波收发电路中滤波器的基本要求及测算...................................................7

§2.1 超声波和超声波传感器的原理及特点...............................................................7

§2.1.1 超声波原理及特点.......................................................................................7
§2.1.2 超声波传感器原理及特点...........................................................................7
§2.2 超声波流量计的原理与测量方案分析...............................................................8
§2.2.1 超声波流量计的主要特点...........................................................................8
§2.2.2 超声波流量计测量原理分析.......................................................................8
§2.2.3 超声波收发电路设计方案分析.................................................................13
§2.3 超声波收发电路中滤波器设计.........................................................................16
第三章数字滤波器仿真设计方案与主要性能.............................................................19
§3.1 数字滤波器特点分析.........................................................................................19
§3.2IIR 数字滤波器设计流程及选型........................................................................19
§3.2.1 IIR 数字滤波器的设计特点.......................................................................19
§3.2.2IIR 滤波器的设计流程................................................................................20
§3.2.3IIR 数字滤波器的类型................................................................................21
§3.3IIR 数字滤波器的设计方法概述........................................................................25
§3.3.1 用脉冲响应不变法设计 IIR 数字低通滤波器..........................................25
§3.3.2 用双线性变换法设计 IIR 数字低通滤波器..............................................26
§3.3.3  IIR 数字低通滤波器的直接设计法.........................................................26
§3.3.4 频带变换..........................................................................................................27
§3.4IIR 数字滤波器性能指标预定............................................................................27
§3.5MATLAB 工具软件介绍.....................................................................................27
§3.6 滤波器设计与分析工具 FDATool.....................................................................28
§3.7 应用 MATLAB 设计 IIR 滤波器........................................................................30
§3.7.1 采用 MATLAB 子函数设计.......................................................................30
§3.7.2 采用 FDA 工具箱设计...............................................................................33
§3.7.3 IIR 数字滤波辅助设计软件界面设计.......................................................34
§3.8 用SPTool 测试设计的 IIR 滤波器.....................................................................38
第四章数字滤波器的 DSP 实现....................................................................................41
§4.1 IIR 数字滤波器在 DSP 上的实现步骤和条件..................................................41
§4.2 DSP 的设计开发过程.........................................................................................41
§4.3 TMS320C5402 简介...........................................................................................46
§4.4 DSP 软件开发过程与开发工具.........................................................................48
§4.4.1 软件开发过程.............................................................................................48
§4.4.2 软件集成开发环境.....................................................................................49
§4.4.3 模拟器和仿真器.........................................................................................49
§4.5 IIR 滤波器在 DSP 上的实现..............................................................................51
§4.5.1 建立 DSP 汇编程序的IIR 滤波器系数文件.............................................51
§4.5.2 产生滤波器输入信号的文件.....................................................................51
§4.5.3 用Simulator 调试IIR 滤波器的汇编程序................................................51
§4.6 实现 IIR 数字滤波器的 DSP 实验板结构.........................................................52
§4.6 .1TMS3105402DSP 实验板时钟及外设......................................................52
§4.6.2 串行D/A、A/D 与DSP 的连接................................................................54
§4.7IIR 数字滤波器在 DSP 上的实现结果与分析...................................................56
§4.7.1IIR 数字滤波器 DSP 实现步骤...................................................................56
III

§4.7.2 数据分析.....................................................................................................57

第五章结论与体会........................................................................................................60

参考文献.........................................................................................................................61

第一章绪论

§1.1课题研究的目的和意义

众所周知，信号与信号处理是信息科学中近十几年来发展最为迅速的学科之一

许多工程领域都会涉及信号处理问题，信号的表现形式也是多种多样，包括声，光

电，磁等。通常，获得的原始信号大多为模拟信号，在幅度与时间上连续，根据不

同的实际应用情况，对于模拟信号处理，既可以采用模拟系统，也可以采用数字系

统，但在当今的应用当中，数字信号处理系统由于其自身的优点得到了越来越广泛

的应用。Wagner 和Campbell于1915年首次提出无源滤波器概念，从此滤波器开始

了自身的蓬勃发展。滤波器发展的最大动力来源于微电子工业的发展，而现代计算

机，DSP,大规模可编程逻辑器件，高速D/A的出现，加快了滤波器的数字化进程。

数字滤波器与模拟滤波器相比，具有精度、稳定、体积小、重量轻、灵活，不要求

阻抗匹配以及能实现模拟滤波器无法进行的特殊功能滤波等优点。因此它在通信，

控制及信号处理等领域都发挥着重要作用，被广泛应用于通信，数据采集，自动控

制等各类电子系统中。

而数字滤波器在测控系统中的应用就很值得我们关注，鉴于本人工作多从事数

字信号处理的相关内容结合检测与自动化装置的研究方向，我考虑将数字滤波器的

设计应用于超声波检测技术方面。利用超声波检测技术可以测量液位、流量、温度

粘度、厚度等参数也可以用于探伤。超声波检测在安装与维护上有很大优越性，可

以选择用气体、固体、液体作为传声介质，有较大的适应性，不仅能定点及连续测

量还可进行遥测。但不论是哪种非电量的检测都基于利用超声波在介质中的声参数

的变化特别是声速的测量。既然要测量声速，就必须把超声波发射并接收回来，所

以超声波收发电路就显得尤为重要。因此本文研究的超声波流量计的超声波收发电

路中，希望通过超声波收发电路中数字滤波器的设计应用提高系统信噪比从而进一

步提高超声波流量计的测量精度。基于以上的理由本课题的研究就有比较好的经济

效益与实用价值。

数字滤波器的应用需要以数字信号处理的理论为支撑，虽然数字信号处理理论

发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理还得不到

广发的应用。直到20世纪80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生，才将

理论结果广泛应用到低成本的系统中。可以毫不夸张地说，DSP芯片的诞生及发展

对现今测控领域的发展起到十分重要的作用。由于DSP芯片含有多元化的接口，以

其为核心的设备可提供更为多样化与全面的系统功能且编程方便，稳定性好，精度

高，可重复性好，集成方便。因此本文提出研究“超声波收发电路中数字滤波器仿

真设计与DSP实现”，旨在从滤波电路设计方面通过利用DSP芯片的相关技术应用

到超声波流量计的超声波收发电路中；通过软件编程的滤波器实现方式提高信噪比

改善流量计的性能，从而能更好的我国经济建设服务，以期达到预期的良好效果。

超声波收发电路数字滤波器仿真设计与 DSP 实现

§1.2国内外发展现状

从古至今一直在研究利用声波测量液体和气体的流速,但直到二次世界大战为

止没有太大的进展。战后爆发的技术革新首先在美国兴起 ,继相位差法之后

[7,8],应用声循环法(两组型)的马克森流量计(MAXSON FLOWMETER)于1955年首先

作为航空燃料用流量计得到应用[9]。这刺激了利用超声波测量流量、流速技术的迅

速进步,如上所述,在很多方面进行了研制,结果出现了时间差法[10] 和射束位移法[11]

等等。以后一段时期虽然继续进行了研制[12,13],但实用的计量测试仪器并未占有宰固

的地位。进入二十世纪七十年代以后,由于IC(集成电路)技术的迅猛发展，可以使用

高性能、工作非常稳定的PLL (锁相环路)回路技术，因此产生了将这种技术用于流

量计的设想[14]，结果,陆续出现了作为实用计量测试仪器的超声波流量计[15,16]。而现

在,随着声循环法的发展,以PLL(锁相环路)技术为基础的超声波流量计在实际中也得

到了广泛应用。另一方面,在前苏联虽然也广泛地进行了理论趼究，论述了基于流

速分布的流量修正系数问题[17]，而一般说来,包括西欧各国在内,其研究创新不如美

国进行的活跃。日本从二十世纪五十年代后期开始研究用超声波测两流量、流速；

继研究相位差法[18]-[21]之后又研究了声循环法(一组变换型)[22,23]，1964年1月第一台实

用的超声波流量计开始运转。其后,经过了一些实流试验[24]，和文丘利流量计、电

磁流量计等一起大量地应用到大流量测量中。由于使用达种方法可以从管道外侧测

量流量,所以在水力发电厂中被用来测量水轮机效率[25] ,不久, 日本全电力会社也将

其作为轻便式流量计来使用，并制定了检测指南[26]。以后,还进行了采用了声循环

法的超声波流量计的研制[27,28]，也进行了明渠、河流、风速等的测量[4,5]。其后不久

使用PLL(锁相环路)技术的超声波流量计成了主耍的、大口径管道用的计量测试仪

器[29,30]。至此为止,我们谈的主耍是传播速度差法,而另一种重要方法是多普勒法。

多普勒法最初是在船舶或舰艇上用来测量船速,海底或水中的悬浊物被用做超声波

的漫反射源[31]；这一技术也在医用的血流测量中得到应用[32]，现在被看做是非观

血的、无侵袭的临床测量血流的重要手段。可是,在工业计量测试方面,即使在日本

以外的国家也未得到太多的应用,日本也只是80年代开始在下水、排水的流量测量

中使用[33 ,34]。但是，多普勒法对流速变化的灵敏度较其他方法好得多,值得重视。

由于现今超声波流量计的设计越来越趋向于智能化，集成化。因此数字滤波器

在超声波流量计中的应用就占有更为重要的地位。数字滤波器具有比模拟滤波器更

高的精度，甚至能够实现后者在理论上也无法达到的性能。例如，对于数字滤波器

来说很容易就能够做到一个1000Hz的低通滤波器允许999Hz信号通过并且完全阻止

1001Hz的信号，模拟滤波器很难区分如此接近的信号。同时，数字滤波器相比模

拟滤波器有更高的信噪比。这主要是因为数字滤波器一般由寄存器、延时器、加法

器和乘法器等基本数字电路实现，通过这些数字运算器件对输入的数字信号进行运

算和处理，实现设计要求的特性，从而避免了模拟电路中噪声（如热噪声）的影响

数字滤波器中主要的噪声源是在数字系统之前的模拟电路引入的电路噪声以及在数

字系统输入端的模数转换过程中产生的量化噪声。这些噪声在数字系统的运算中可

能会被放大，因此在设计数字滤波器时需要采用合适的结构，以降低输入噪声对系

统性能的影响。另外，数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。组成模拟

滤波器的电子元件的电路特性会随着时间、温度、电压的变化而漂移，而数字电路

就没有这种问题。只要在数字电路的工作环境下，数字滤波器就能够稳定可靠的工

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摘要：

摘要滤波器可以有效地抑制带外噪声，均衡所使用频带的幅度，相位特性等。因此它在通信，控制及信号处理等领域都发挥着重要作用，被广泛应用于通信，数据采集，自动控制等各类电子系统中。随着电子技术，特别是微电子技术的发展传统的手工计算被计算机所取代，以往的模拟信号处理方式也被数字信号处理所代替。这些变革给滤波器的设计理论和设计方法带来了深刻的变化。数字滤波器设计一直是数字信号处理领域的重要研究课题。它与模拟滤波器比较，具有灵活、高精度、可靠性好、体积小和重量轻，不要求阻抗匹配及可实现特殊功能滤波等优点。其中IIR(无限冲激响应)数字滤波器因具有结构简单、占用存储空间少、运算速度快、较高的计算精度和能够用...

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