基于CPLD技术的高速数据采集及其在流量计设计中的应用

　　1　概述

　　数据采集技术是智能化仪器仪表及控制装置的重要组成部分,包括信号处理、A/D转换、数据存储、控制时序逻辑等电路。通常这些电路由若干芯片组成,但当系统要求高速数据采集时,由于集成度低,各芯片速度匹配困难,数据采集电路结构比较复杂,设计难度大。

　　设计中选用了大规模、高速、复杂可编程逻辑器件(CPLD)———ACEX1K系列器件EP1K30TI144-2,利用CPLD芯片本身集成的上万个逻辑门和嵌入式阵列块(EAB),把数据采集电路中用到的数据缓存、地址发生器、读写控制时序逻辑、译码等电路全部集成进1片CPLD芯片中,借助CPLD芯片高速、大规模、可重构等特性,以及功能强大的EDA开发工具的支持,大大降低了设计难度,提高了数据采集系统的集成度和可靠性。另外,CPLD可由软件实现逻辑重构,而且可实现在线系统编程(ISP),使得系统具有升级容易、开发周期短等优点。

　　通常超声波流量计使用的探头频率为1~5 MHz,根据采样定理,采样频率应在2~10 MHz以上。为了保证高精度超声波流量计软件时差算法对回波波形记录精度的要求,选用AD公司采样速率高达80 MHz的A/D转换器AD9057进行模数转换。CPLD器件EP1K30TI144-2写RAM的最高工作频率为143 MHz,读RAM的最高工作频率为196 MHz.因此,数据采集电路采样速度仅受A/D转换器限制,频率达80 MHz,完全满足波形记录精度要求。

　　本超声波流量计是一种新型的由计算机控制的软件时差算法超声波流量测量系统,可用于高精度流体流速、瞬时流量和累计流量的测量,也可用于测长、测微位移、测厚及无损探伤等。

　　2　时差法超声波流量计的工作原理

　　2.1　工作原理

　　时差法超声波流量计由于精度高、传感器结构简单,不影响流体流动形态而被广泛应用。根据超声波测量原理可知,超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关,据此,可以实现流量测量。时差法超声波流量计的测量原理就是根据超声波在流体中传播时,沿顺流和逆流的传播时间差随流体流动速度的不同而变化。

　　公式推导见参考文献[5]。

　　图1所示为一般超声波流量计传感器结构原理图。设超声波的传播方向与管道方向夹角(声路角)为β.考虑到应用场合的需要,令β=0,则cosβ=1。

式中:L为两传感器之间的传播距离,即声程,m;C为超声波在静止流体中的传播速度,m/s;v为被测流体沿管道方向中心处的流速,m/s;T1为顺流传播时间;T2为逆流传播时间;ΔT为声波顺、逆流传播时间差,ΔT=T1-T2,s.式(2)与式(1)相比,克服了温度变化对声速的影响,需要指出的是,v是流体沿管道中心线的速度。考虑到流体流速沿管道直径的不均匀分布,需添加一个修正系数K.由流体力学可知:当雷诺数Re在某一范围内时,K为定值。通过标定可以确定K的值。