基于DSP和FPGA的便携式超声波流量计设计

　　1　测量原理

　　超声波流量计的分类标准有很多种,根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计;根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计;根据对信号的检测原理,超声波流量计非接触测量方法分为:传播时差法、多普勒法、波束偏移法以及流动超声法等不同类型,其中传播时差法又分为直接时差法、相位差法和频差法。

　　本文设计的超声波流量测量系统采用直接时差法。通过研究,一对超声波换能器若采用管外V型安装方式,其相比较于Z型安装方式可以有效增加超声波在流体中传播的行程,增加超声波顺逆流传播的时间差,提高测量精度。测量原理如图1所示。

　　设超声波信号在被测流体中的声速为C₀,若超声波顺流时从TRA到达TRB所需要的时间为t₁,逆流时从TRB到达TRA所需要的时间为t₂,通过理论计算可得时差:

　　变换可得流速为:

　　考虑实际情况,可以进一步修正得到比较精确的真实流量值:

　　式中:K_d为仪表系数,其大小可以通过标定测试获得,η为面速度对线速度的修正系数。

　　本文所设计的超声波流量计测量时需要用户输入管道内外径长度、管道材料、液体介质以及当前温度下超声波在管壁和被测流体中的声速大小等信息。

　　2　系统硬件构成

　　本系统以FPGA为基础构建了一个双通道的高速数据采集系统,对超声波信号进行高速A/D采样,采用DSP作为系统的控制和运算核心,对数据进行相关处理以获取流量信息,其硬件系统框图如图2所示。

图2　系统硬件框图

　　硬件部分主要包括超声波收发电路模块、数据采集模块、FPGA最小工作系统模块、DSP最小工作系统模块、FLASH程序存储模块、SD卡数据存储模块、人机交互模块(键盘、液晶)、管外辅助测温模块等。

　　(1) FPGA及前端信号处理与采集模块

　　XC3S200是该部分的控制核心,主要完成超声波收发电路的启停控制、前端采样数据的处理和存储、与外设的数据交换以及上位机通信等功能。数据采集模块主要由采样频率高达40MHz的8位A/D转换器TLC5540组成,完成调理后超声波信号的A/D转换。由于系统要求采样频率较高,如何可靠稳定的存储数据是设计的关键。为满足大量片上存储的应用需求,Xilinx Spartan-3系列的FPGA提供了丰富可选的BlockRam。这些Block Ram可以配置为RAM、ROM、FIFO、查找表、环形缓冲器、移位寄存器等,同时支持各种不同的数据宽度和深度。其中FIFO更适合高速数据写入,XC3S200提供了216Kbits的Block Ram,完全能满足两路超声波采样结果的存储需要。另外,管外辅助测温模块主要由单总线工作的串行数字温度传感器DS18B20组成,完成液压油温度的管外测量,为流量计算提供必要的修正参数。