基于STM32的超聲波濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

李勇

摘 要：本文介紹了基于STM32芯片聯(lián)合RTOS的超聲波濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計，通過對回波信號采用先進(jìn)的算法處理，保證該檢測系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：STM32超聲波;濃度檢測 RTOS

0、引言

隨著科技的發(fā)展，基于傳統(tǒng)單片機的濃度檢測系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工業(yè)在線濃度檢測的精度和穩(wěn)定性要求，在此背景下，研究基于STM32的超聲波濃度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分發(fā)揮STM32芯片的優(yōu)勢，大大提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少產(chǎn)品故障率，拓寬了產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。

1、檢測基本原理

超聲波濃度檢測系統(tǒng)基于超聲波在懸浮液中傳播時，其信號振幅隨被測礦漿中固體含量及粒子大小變化而變化的超聲衰減測量。根據(jù)技術(shù)專利，確定超聲波濃度檢測系統(tǒng)發(fā)射頻率，消除粒子大小的影響后，通過測量超聲波穿過懸浮液時的信號衰減量就可檢測濃度。

2、濃度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

本濃度檢測系統(tǒng)采用STM32F4系列的芯片作為主控芯片，該系列芯片可基于ARM Cortex4 32位精簡指令內(nèi)核，時鐘操作頻率最高可達(dá)100MHZ。波形發(fā)生器由AD公司生產(chǎn)，該波形發(fā)生器能夠輸出正弦波、三角波和方波，輸出頻率范圍可從0 MHZ達(dá)到12.5 MHZ，可以為不同頻率換能器做驅(qū)動信號。選用高速AD采集芯片實現(xiàn)提高回波信號采樣率的要求，較高的采樣率保證采集窗口模式采集固定時長的脈沖串信號，可以詳細(xì)計算整個包絡(luò)面積，還可以輔佐單點檢波剔除異常數(shù)據(jù)。

通過溫度傳感器實現(xiàn)兩路溫度采集，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補償。系統(tǒng)通過RS485協(xié)議與主機實現(xiàn)通訊，如圖1為硬件連接示意圖。

3、濃度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

在RTOS下完成相應(yīng)的底層驅(qū)動程序，基于C語言嵌入式系統(tǒng)編程，實現(xiàn)信號的收發(fā)和狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)采集和算法處理、溫度采集和補償、RS485通訊等功能。RTOS提供文件管理、搶占式多任務(wù)處理、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度、消息隊列等服務(wù)。RTOS允許任務(wù)直接發(fā)送消息或信號量到另一個任務(wù)，避免產(chǎn)生中間消息，提高了內(nèi)核性能。RTOS采用哈希列表結(jié)構(gòu)，減少了處理延時和任務(wù)超時產(chǎn)生的開支，提高了軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性和靈活性，提高研發(fā)效率節(jié)約成本。

STM32通過SPI2總線控制波形發(fā)生器發(fā)出不同頻率的信號來驅(qū)動換能器工作，回波信號通過放大、濾波處理后送給AD采集。SPI2總線輸出通過配置BR寄存器中CPHA和CPOL位可以分成4種模式，通過與波形發(fā)生器的時序?qū)φ眨x擇一種模式。軟件測試過程中，確定的SPI2總線模式可能出現(xiàn)無法使波形發(fā)生器輸出正確頻率信號的情況，此時，需要測試SPI2總線的其他模式，找出正確的配置方式。

STM32通過SPI1總線控制AD工作，SPI1總線采用DMA方式為AD提供時鐘和控制，并將采集數(shù)據(jù)存入自定義緩沖區(qū)中，方便讀取。信號工作流程如圖2所示。

將STM32系統(tǒng)時鐘設(shè)置為100Mhz，AD采樣時鐘達(dá)到SPI1總線時鐘上限，將采集的數(shù)據(jù)采用平均能量算法進(jìn)行預(yù)處理，然后結(jié)合多參量測量技術(shù)，提升產(chǎn)品應(yīng)對多種工藝狀態(tài)測量的穩(wěn)定性。圖3為AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法處理后擬合的曲線圖。

從圖3可以看出，AD采用較高的采樣率結(jié)合先進(jìn)的算法，處理后的數(shù)據(jù)波形干凈無雜質(zhì)，波峰峰值非常平穩(wěn)，在采樣靈敏度提升的同時保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

4、結(jié)論

超聲波濃度檢測已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)，如何提升檢測精度、擴大檢測領(lǐng)域已經(jīng)成為超聲波濃度檢測共同面臨的挑戰(zhàn)，該系統(tǒng)采用STM32處理器和RTOS軟件環(huán)境，采樣率得到提高的同時結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，保證了采樣數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實性，提升了工業(yè)現(xiàn)場超聲波濃度在線檢測的應(yīng)用能力。

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