超声波流量计的FPGA测试与仿真

　　1 引言

　　超声波流量计利用流体对超声波信号的调制作用，通过检测信号的变化来获得体积流量[1]。

　　随 着 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 飞 速 发展，及流体的层流状态与絮流状态流速分布规律的理论分析，超声波流量计的测量精度得以进一步的提高[2]。

　　本文尝试利用SOPC技术实现流量计电路系统，这种设计有利于提高测量精度，便于系统升级。

　　2 系统结构(图1)

　　整体电路结构如图2所示，FPGA是整个 系 统 的 控 制 核 心 ，通 过 使 用 32位 软 核MicroBlaze及大量的IP，设计成能够完成数据处理能力及时序控制能力，记录超声波传播时间及阈值电压比较等一系列任务的SOPC系统。

　　(1)滤波放大电路 :考虑到增益、带宽和噪声等的综合影响，采用多级放大[3 ]，原理图如图2：

　　(2)数据采集电路 :使用高速 ADC对超声波信号进行高速采集，然后对采集数据进行处理来实现高精度的时间分辨率。数据采集电路的时序由FPGA控制，电路如图3所示：

　　(3)数据存储电路自行设计了对 SRAM进行合理的读写控制的IP核，完成系统采集数据的存储。SRAM的存储电路如图4所示。

　　采用具有I2C总线接口的芯片AT24C64，对MicroBlaze处理完的数据进行保存。

　　采用Xilinx公司生产的Flash PROM作为FPGA的配置存储器[4]。

　　本文设计的硬件系统如图5所示，图中包含上文所描述的SOPC系统及周边电路系统。

　　3 SOPC中的IP模块

　　采用VHDL语言设计系统所需的各个模块，主要实现的功能包括超声波脉冲发射接收电路的控制、噪声门限脉宽检测、超声波传播时间计数、超声波接收信号的最大值分析以及过零点和最大值的传输与存储控制等。

　　图 6即 为 IP模 块 的 仿 真 波 形 图 ，包 括ADC采集控制以及SRAM的控制等功能。IP模块对ADC数据采集控制的功能仿真如图7所示。当 ADC开始数据采集时，内部逻辑将分析接收到的数据，直接对接收到的数据的最大值位置进行初步判断，以便微处理器进行处理

　　4 仿真结果

　　本系统使用ModelSim SE6.2b进行系统级仿真测试，计时脉冲频率为fc=50MHz，仿真结果表明，应用该方法，使得系统最小时钟周期可达到18.335ns，比设定的系统时钟高1.665ns，达到了设计要求的测时分辨率，满足系统测量的要求。仿真结果如表1所示：

　　5 结语

　　本文主要侧重于整个SOPC系统的构建，完成了整个系统的硬件电路设计以及针 对 整 个 系 统 的 软 硬 件 调 试 ，通 过 采 用SOPC技术，噪声门限脉宽检测技术，数字滤波等措施，有效的提高了超声波流量计的稳定性、可靠性以及精度和测量范围。