含气泡水中声速及其测量系统的研制

论文摘要

本论文主要内容是设计制作一可用于测量含气泡水中声速的系统。该系统以ARM7芯片LPC2210和嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ为核心,完成控制与显示功能,并包含三个子模块:发射电路,接收电路,及发射、接收换能器。论文基于经典气泡理论,并引用了气幕弹湖上实验得到的气泡插入损失数据及有关结论,分析了含气泡水中的声传播特性。针对气泡对声波的散射和插入损失较大的问题,接收系统输入端设计了钳位电路及非线性对数放大器以提高接收系统的动态范围;为了提高信噪比,接收电路中采用了低噪声滤波芯片LTC1562设计了巴特沃思带通滤波器。论文结合换能器的阻抗特性设计了专用的信号源与变压器耦合D类功率放大器,并开发了液晶显示模块及其驱动程序,同时详细讨论了μC/OS-Ⅱ在LPC2210上的移植和基于μC/OS-Ⅱ的用户任务开发流程。论文最后测量了系统的有关性能参数,并进行了误差分析和实验测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 含气泡水中声速的理论研究
• 1.2.2 常用声速测量方法简介
• 1.3 变压器耦合D类开关模式功率放大器
• 1.4 ARM嵌入式系统简介
• 1.5 使用实时操作系统的必要性及其优缺点
• 1.6 论文主要工作内容
• 第2章 含气泡水介质的声学特性
• 2.1 气泡对声波的衰减作用
• 2.1.1 单个理想气泡对声波的散射
• 2.1.2 单个理想气泡对声波的吸收
• 2.2 含气泡水中的声速
• 2.3 本章小结
• 第3章 含气泡水中声速测量系统硬件电路设计
• 3.1 系统总体框图及声速测量原理概述
• 3.2 数字模块设计
• 3.2.1 基于ARM7TDMI核的LPC2210处理器模块
• 3.2.2 电源模块
• 3.2.3 时钟系统与复位电路
• 3.2.4 系统JTAG接口电路
• 3.2.5 系统外扩存储电路
• 3.2.6 通用异步收发器接口电路
• 3.2.7 液晶显示器件电路
• 3.3 发射电路设计
• 3.3.1 信号源设计
• 3.3.2 变压器耦合D类功率放大器设计
• 3.3.3 直流电源电路
• 3.4 接收电路设计
• 3.4.1 放大电路部分
• 3.4.2 滤波电路
• 3.4.3 反对数放大电路
• 3.4.4 二极管包络检波电路
• 3.4.5 阈值检测与稳压电路
• 3.4.6 同步信号电路
• 3.5 系统硬件模块调试与制作
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于μC/OS-II的应用程序开发
• 4.1 μC/OS-II操作系统
• 4.2 μC/OS-II在LPC2210上的移植
• 4.2.1 编译器的选择
• 4.2.2 任务模式的取舍及其支持的指令集
• 4.2.3 μC/OS-II在ARM7处理器上的移植
• 4.3 基于μC/OS-II的用户任务程序编写
• 4.3.1 启动代码部分
• 4.3.2 基于μC/OS-II的液晶模块驱动开发
• 4.3.3 挂接SWI软件中断
• 4.3.4 中断和时钟节拍中断
• 4.3.5 设置程序状态允许寄存器的中断允许位
• 4.3.6 μC/OS-II系统配置
• 4.3.7 应用任务的开发
• 4.4 本章小结
• 第5章 含气泡水中声速实验室测量及误差分析
• 5.1 实验概述
• 5.2 系统相关参数测量
• 5.2.1 发射换能器主要性能指标
• 5.2.2 发射系统的声源级
• 5.2.3 接收换能器主要性能指标
• 5.3 系统对计数器时钟频率的要求
• 5.4 测量距离 L的确定
• 5.5 误差分析
• 5.5.1 系统带宽对系统测量的影响
• 5.5.2 发射架形变对声传播距离的影响
• 5.5.3 系统带宽引起的时间分辨率误差
• 5.5.4 系统固有延时对声速测量结果的影响及其消除
• 5.6 含气泡水中声速实验室测量
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录