基于CPLD的超声波流量计的设计与实现

　　引言

　　超声波流量计( Ultrasonic Flowmeter，USF) 是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和原理而设计的，它也是通过测流速来反映流量大小的。

　　超声波流量计具有精确度高，测量无阻碍，方便安装，成本低等优点，正在快速发展成为流量测量领域的首选。近几年来，随着硬件和数字信号处理技术的改进，流量的测量精度得到不断提高，高精度成为新型超声波流量计研究的重点。

　　1 流量测量原理

　　根据对信号检测的原理不同，超声流量计测量方法可分为传播速度差法( 直接时差法、时差法、相位差法和频率差法) 、波速偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法、噪声法等。

　　本文采用的测量方法是时差法，其原理图如图1 所示。

　　该方法将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情况进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化，如静止流体中声速为 c，流体的流速为 u，当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速度为( c + u) ; 当两者方向相反时，其传播速度为( c - u) 。

　　如果距离为 L 的两处放两组超声波发生器T1、T2与接收器 R1、R2，则当 T1顺方向、T2逆方向发射超声波时，分别到达 R1和 R2的时间为:

　　由此可见，Δt 的精度也就是 t1和 t2的测量精度直接关系到流速的测量精度。校准流速时要一个系数 k =c2L，其中 L 是固定值，超声波在流体中传播的速度与流体的温度有关，所以测量水速时需要进行温度补偿。

　　2 超声波流量计测量装置的硬件设计

　　超声波流量计测量装置的硬件部分主要是电路方面的处理和设计。整个硬件部分选用型号为EPM7064AE 的 CPLD 作为测量的核心器件，并设计了基于 EPM7064AE 的流速测量装置，主要包括计时装置、驱动电路、逻辑电路、接收电路、输出电路等，采用低功耗单片机 MSP430 作为微处理器，同时还需设计微处理器与流速测量装置的接口电路。

　　2. 1 EPM7064AE 的外围电路

　　EPM7064AE 的外围电路如图 2 所示。引脚TDI - 1、TMS - 7、TCK - 26、TDO - 32 及外围元件R5、R7、R8 组成了 JTAG 接口电路。SIGNAL1 - 44和 SIGNAL2 -43 为接收超声波返回信号输入端。SIGNAL1 和 SIGNAL2 这两路信号是来自比较器输出引脚的信号，并设定它们为高电平时表示接收到超声波返回的信号，当接收到超声波返回信号后，EPM7064AE 内部计数器停止计数。为了防止干扰，SIGNAL1 和 SIGNAL2 分别用一个 10k 的电阻接地。