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基于DSP与FPGA的新型超声波流量计的设计

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  1 系统结构和工作原理

  由于超声波流量计采用的声波频率较高,检测和处理该声波信号较为复杂,对系统硬件要求很高。本系统采用TI公司的TMS320C5410型的DSP信号处理控制器,它内部采用多总线以及流水线结构,使其运算能力大大提高,增加系统的实时性,从而实时准确地计算出超声波的渡越时间和流量值。

  为了提高系统对超声信号的同步驱动控制与接收提取能力,降低干扰误差,提高计时精度,整个系统的时序控制电路由FPGA产生。

  系统的硬件组成结构如图1所示,本系统是由FPGA、DSP、MCU、切换电路、A/D转换器、自动增益器、外部RAM和LCD显示等几部分构成的。超声波换能器A、B在FPGA的控制下,轮流工作在发射与接收状态,谐振频率为1MHz。接收信号经过选频放大滤除了部分干扰信号,再由自动增益控制AGC放大后送往A/D转换器,以每次25ns的转换速度实现A/D转换,并存储到外部RAM中。整个过程的时序控制都由FPGA实现,确保了时序的准确性。为了进一步提高运行的速度,DSP首先将外部RAM中的数据转存到内部RAM中,并根据其大小通过D/A转换器控制AGC放大器的增益值,以实现自动增益控制,再对其进行55阶FIR滤波。经过FIR滤波后的信号,其采样速率较低,测量精度不够高。为了提高精度,本系统进行了插值运算。插值后的两组信号再经过相关运算处理,便得出流体顺流和逆流的时间差,从而求出流体的流速。

  2 系统的软件设计

  本系统的软件包括系统控制和数字信号处理两部分。控制部分的功能包括人机界面的设计,数据存取和通信功能等;数字信号处理部分主要是通过人机界面的参数设定进行采样信号的运算,从而得出最终的测量结果。

  系统软件的流程图如图2所示。程序运行开始时先设置好相关的参数,如管道直径、材质等,参数设置好后MCU单片机发出控制信号使FPGA输出超声波的发射信号,根据采集回的数据判断信号的强度,从而通过AGC自动增益控制器控制采集信号的放大倍数,调整好放大倍数后重新发射超声波信号。采集回的数据经过FIR滤波后根据信号的完整性和干扰信号判断信号的质量,当质量不合格时重新返回到发射信号程序。检测通过后经切换电路改变超声波的发射方向,从而测得另一方向的超声波信号。两组顺逆方向的信号数据测得后经过插值运算,提高信号的分辨率,然后进行两组数据的相关运算,通过计算出的时间差得到所需的流速和流量值,数据传到MCU通过LCD液晶显示出来。一个周期完成后继续下一组数据的测量,动态显示出流体的状态。

  3 提高测量可靠性和精度的方法

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标签: 流量计
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