基于CPLD的超声波流量计系统的研制

　　1　引　　言

　　近年来,随着电子技术的发展以及用户对计量系统精度的要求越来越高,超声波作为一项较新的技术应用越来越广泛。本文采用复杂可编程逻辑器件CPLD研制出一种用时差法来测量流量等数据的超声波流量计系统,它摆脱了采用传统分立器件设计的不易更改性和不稳定性,提高了系统的测量精度和稳定性,同时利用CPLD实现了高频率的计数器,从而达到了高精度测量的目的。

　　2　时差法测量原理

　　在管道的两侧或明渠的两边斜向安装两个换能器,使其轴线重合在一条斜线上,如图1。

　　沿管轴方向的平均流速v为:

　　式中,θ为声路与流体流向间的夹角即声路角,L为声路长,即AB间的距离,t1,t2对应顺流与逆流传播时间。此式中的L/2为常数,只要测出顺流和逆流传播时间t1和t2就能求出v,进而得到流量。这种方法避免了求声速C的困难,不受温度的影响,容易得到可靠的数据。

　　3　流量计系统的组成

　　整个流量计系统的硬件框图如图2所示。本流量计主要分为两部分:流量计主机和流量变送器。流量计主机的功能是接受由流量变送器发来的信息,计算流量及积累流量,对流速和流量数据进行可靠性检验及校正,控制流量等信息的显示、打印等,控制键盘操作及流量变送器工作,进行参数存储,掉电检测,并内插丢失数据,进行上电自检及系统定时检验,出错告警等,可同时分别控制八个流量变送器。流量变送器的功能是产生超声波换能器所需的驱动信号,检测换能器接收信号,对信号进行自动增益放大处理,向主机回送测量的超声波传播时间及状态信息。另外流量计主机还可跟微机进行通讯,可通过微机进行报表、图表显示,数据存储,打印,参数设置及提取等。主机跟变送器及微机之间的通讯都是通过串行口来进行的。

　　4　以CPLD为计数器的流量变送器

　　整个流量计系统的主机部分为一以89C55为核心的单片机系统,扩展了存储器电路、按键电路、告警电路、显示电路、打印电路等,在此不详述。流量变送器部分除了传统的微控制器、放大滤波等电路外,采用AGC自动增益电路,以及用CPLD电路充当计时电路、逻辑控制电路、计时输出控制电路、译码电路等,这样就大大减少了分立元件的数目,提高了系统尤其是计时电路的稳定性。流量变送器框图如图3所示。

　　同时,在设计CPLD内部计时电路时利用较低频率的时钟设计出高频计数器,从而大大提高了计时电路的精度,普通的TTL集成电路计数器,即使是最快的F系列,最高频率为90M,无法满足设计要求,若采用TTL分立元件来实现计数器电路,考虑到分布参数的影响和各元件之间的时序配合,其允许最高工作频率会下降,在我们最初的实验中也证明采用TTL分立元件行不通。高速计数器的设计思路是利用较低频率的时钟计数,例如本课题中采用50MHz时钟设计出200MHz的32位计数器,将初始时钟作为主计数器的高29位工作频率,将其分频倒相后形成4路不同相位的时钟用于解码,经译码后作为计数器低3位,以提高计数精度。四路时钟信号波形图如图4所示,在一个时钟周期内四路信号可以有四种有效组合,根据这四种逻辑组合值可以判断时钟停止计数时处于时钟周期的哪一1/4周期部分,从而将计数精度提高到时钟频率的4倍。实验证明用此方法设计出的高速计数器工作稳定,完全可以达到设计要求。