（系统分析与集成专业论文）基于arm的时差法超声波流量计研制.pdf

摘要 超声波流量计以非接触、精度高、使用方便等优点，在气象、石油、化工、 医药、水资源管理等领域获得了广泛的应用。近年来，随着数字处理技术和微 处理器技术的发展，超声波流量计作为一种测量仪表也得到了长足进步。本课 题将a r m 微控制器用于流量测量仪表的研制，拓展了仪表的开发空间，符合嵌 入式技术的发展方向。 本文详细介绍了超声波时差法流量测量原理及基于l p c 2 2 1 4 的超声波流量 计系统设计方案和软硬件实现方法，并对测时算法进行了详细讨论。通过分析 和借鉴国外超声波流量测量的先进技术和方法，得出了改进的时差法测量方案。 系统硬件设计了超声波发射、接收及放大电路，采用高速模数转换器数字化接 收信号，并对a r m 系统电路中的电源电路，存储器电路，通信接口电路等进行 了详细介绍。系统软件详细分析了嵌入式操作系统u c l i n u x 的移植方法，给出 构建a r m u c l i n u x 平台的步骤，并基于此平台，完成了系统软件设计。测时算 法运用数字滤波技术提高信号信噪比，采用方差比检验方法和插值算法，提高 测时定位精度。 系统设计良好的人机交互界面和通信调试接口，提高了a r m 系统的软件开 发调试效率；在保证流量计系统功能的同时，尽量简化硬件电路设计，降低研 制成本，使设计更具合理性。 关键词：超声波流量计；时间差；l p c 2 2 1 4 ；u c l i n u x ；数字滤波器 a b s t r a c t u 1 t r a s o n i cf l o w m e t e ri sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fm e t e o r o l o g y , p e t r o l e u m , c h e m i c a l ，m e d i c i n e ，w a t e rr e s o u r l m a i l a g e m e n t ，f o rt h ea d v a n t a g e sn o n c o n t a c t 。h i g h a c c u r a c y ，e a s e - t o - u s ea n ds oo n g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d eo nu l t r a s o n i c f l o w m e t e r , i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dm i c r o p r o c e s s o na n e wk i n df l o wm e t e rb a s e do na r mi si n t r o d u c e d i n 也et h e s i s w h i c ha c c o r d sw i t ht h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t t h et h e o r yo ft i m e - d i f f e r e n e eu l t r a s o n i cf l o w m e t e ri si n t r o d u c e d a l s ot h e h a r d w a r eb a s e do na r ml p c 2 2 1 4 t h es o f t w a r ea n dt h em e t h o do ff i g h t i n gt i m e r e a l i z i n ga r ed e s i g n e d b ya n a l y z i n ga n da b s o r b i n gf o r e i g na d v a n c e du l t r a s o n i c f l o w m e t e rt e c h n o l o g ya n dt h e o r y , t h en e ww a yt oc a l c u l a t ef i g h t i n gt i m ei s p r e s e n t e d i ns y s t e mh a r d w a r e ，t h eu l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n g ，r e c e i v i n ga n da m p l i f y i n g c i r c u i t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h eu l t r a s o n i cs i g n a li s d i g i t a l i z e db vh i g hs p e e da d c o n v e r t e r t h el p c 2 21 4a r ms y s t e mc i r c u i ti n c l u d e ds y s t e mp o w e r , m e m o r y , h u m a ni n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o nf a c e sa r ei n t r o d u c e d t h es y s t e ms o r w a r ei s d e s i g n e db a s eo nt h ea r m u c l i n u xe m b e d d e dp l a t f o r m a l s ot h es t e p sh o wt om a k e t h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mu c l i n u xe m e r g e n tt ot h ea r mh a r d w a r ea r e p r e s e n t e d i no r d e rt oh e i g h t e nt h et i m ep r e c i s i o n ，i ns y s t e ms i g n a lp r o c e s sp a r t t h e d i g i t a lf i l t e rh a sd e s i g n e dt oh i g ht h es i g n a lt on o i s e b yc h e c k i n gt h ev a r i a n c er a t i o a n di n t e r p o l a t i o nt h ed i f f e r e n c et i m ea c c u r a c yo fc a l c u l a t i n gi sb e i g h t e n e d t h i sd e s i g nm a k e sg o o du s eo ft h el p c 2 2 1 4o nc h i pm a t e r i a l s t h eh u m a n i n t e r f a c ea n dd e b u gp o r tm a k e ss y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n dd e b u gm o r ee a s i l y n l i s a l s os i m p l i f i e st h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，r e d u c e sd e s i g nc o s t s ，a n dm a k e st h e d e s i g nm o r e r e a s o n a b l e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cf l o w m e t e r ；t i m ed i f f e r e n c em e t h o d ；l p c 2 2 1 4 ；u c l i n u x ； d i g i t a lf i l t e r i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和相关材料均是真实的。 4 、本论文中除g l 文和致谢的内容外，不包其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意。 、 作者签名：氇瑙巳 日 期：趔苎：垡 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：幽坦 日 期：皇塑：! ：8 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 的时差法超声波流量计研制 1 1 前言 第一章绪论 流量计作为计量仪表，在现代社会中起着重要作用。其一为流体物资贸易核算储运管 理和污水废气排放控制的总量计量；其二为流程工业提高产品质量和生产效率，降低成本 以及水利工程和环境保护等作必要的流量检测和控制l l 】。可见，关涉到国家经济命脉的石 油、天然气的储运和关涉到民生和经济可持续性发展的水资源的管理等领域都涉及到流量 计量问题。 为满足不同种类、不同工况条件下流体流量测量的需要，多种原理的流量计先后被研 制并投入使用。如：速度式流量计、容积式流量计、差压式流量计、电磁流量计、涡轮流 量计、涡街流量计、超声波流量计等。种类繁多的流量计都有各自的适用范围，也具有相 对的局限性，所以，没有可适用于任何场合的流量计。但是，流量技术不断发展满足人们 的生产生活需求，并日趋成熟。尤其是近3 0 年来，微电子技术、计算机技术和通信技术进 入流量测量仪表，使测量仪表山现一次飞跃，仪表的功能更加丰富，可靠性得到显著提高， 测量精度获得大幅度的提升口j 。 1 2 超声波流量计发展概述 超声波用于流量的测量，已有近一百年的历史。早在1 9 2 8 年o r u t t e n 研制成功了世 界上第一台超声波流量计( u s f , u l t r a s o n i cf l o w m e t e r ) ，它是主要采用相位差法的u s f 。到 上世纪5 0 年代，基于频差法的m a r s o n 流量计出现，并用于测量航空焰料的流量。6 0 年代中期出现了连续波频移法的u s f ，6 0 年代末又出现了多普勒效应的u s f 。随着电子技 术的发展，进入7 0 年代，性能日益完善的基于不同测量方法的u s f 投入市场。9 0 年代实 现了超声波气体流量计。 依照不同准则，u s f 可划分成多种不同的种类。如按照现场工况安装方式的不同，可 以分为固定式u s f 和便携式u s f ：按照供电方式，可分为2 2 0 v 交流式和内各充电屯池式； 按照输出方式的不同，可分为有4 2 0 m a 的信号输出型和无输出型；按照内部有无数据存 贮功能，可分为有贮存型和无存储型；按照u s f 换能器放置方式不同，可分为夹装式、插 入式、管段式【j 1 ；按照测量原理，可分为传播时间法，多普勒法，波速偏移法，相关法， 噪声法等。 多类型u s f 的出现及应用，使其特点逐步得到体现： ( 1 ) 适用范围广 超声流量计的测量范围一般可达2 0 ：1 到3 0 0 ：1 。流速从每秒几厘米到每秒十几米 传播速度差法超声波流量计的测量范围可达 管径从小于1 厘米到几米，工作温度从低温 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 ( 如液态氧、液化天然气) 到上千度的高温，允许工作压力从接近真空到几百个大气压，其 响应时间从几个毫秒( 引擎控制) 到2 4 小时( 监控管道流量) ”1 。 ( 2 ) 对介质几乎无要求 可以测液体、气体，甚至对双向介质的流体流量；测量准确度几乎不受被测流体温度、 压力、密度、粘度等参数的影响。 ( 3 ) 对被测流体影响小 可实现非接触式测量，不破坏流体的流场，无压力损失：可实现对强腐蚀性、非导电 性、放射性流体的测量。 u s f 在流量测量领域具有广泛的应用前景，不仅可以应用于液体原油传输、气体输送、 酿酒、饮料及食品流体工业的流量计量，还可用于酸、碱化学介质、医药流体高度危险等 领域。 超声波气体流量计的突出优点，备受各国的关注。美国、英国、荷兰、德国、加拿大、 俄罗斯等1 0 余国家已经将u s f 批准为天然气贸易输送系统的计量仪表。我国也对此进行 论证，制定标准。1 9 9 4 年我国正式出版了由中国计量科学院组织有关专家起草、分别经国 家技术监督局和建设部批准的“j j g1 9 8 9 4 速度式流量计”的国家计量检定规程( 包括超声 流量计) 与“j j g ( 建设) 0 0 0 2 9 4 超声流量计”( 传播速度差法、多普勒法) 的部门计量检定规 程俐。c o n t r o l o t r o n 公司和p l o y s o n i c s 公司的产品较多的采用数字信号处理技术，实现实 时超声信号处理。在测量算法方法方面，利用改进的时差法或者时差法与多普勒法的组合， 如c o n t r o l o t r o n 公司研制的4 8 0 型超声流量计，这样使得产品的应用范围更广。 我国对超声波气体流量计的研究起步相对较晚，与国外相比我国自行研制的产品在检 测精度方面存在一定差距。目前国内厂家生产的超声波流量计多以单片机为系统核心，通 过较简单的算法，实现计量。由于受单片机数据处理能力的限制，主要用于测量比较容易 的大管道流体测量，且精度和总体性能也不高。 1 3 研究意义及主要工作内容 超声波气体流量计在气体流量计量领域具有重要地位，代表气体计量领域的新发展趋 势。纵观国内外的情况，u s f 技术在国外发展较为迅速，产品性能比较成熟可靠，但是由 于其引入价格较为昂贵：使得国内该产品的应用较为匮乏，虽然有部分产品出现，但是稳 定性和可靠性不高，无法达到使用要求。为服务于我国四大世纪工程之一的西气东输工程， 服务于我国的经济建设，研制设计我国自主产权的高精度、高灵敏度、低价位u s f 是必要 的。 设计采用3 2 位的a r m 处理器，结合新型时间测量算法，设计具有更强适用能力的低 功耗、低价位超声波流量计，达到符合国外u s f 智能化、网络化、小型化等发展趋势。主 要工作包括以下内容： 2 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 ( 1 ) 确立方案 结合国内外u s f 产品的现状，确定系统实现方案。分析、比较并确立最优可行方案。 本项目确立采用3 2 位的a r m 微处理器并结合时差实现系统设计的方案。 ( 2 ) 硬件设计 完成模拟电路方面的超声波的发射、接收、放大和信号数字化；数字电路方面的a r m 硬件系统，人机接口电路设计；辅助电路方面的温度测量与报警、通信接口等各功能模块 的电路设计。 ( 3 ) 软件设计 完成a r m 启动代码编程，移植u c l i n u x 操作系统，实现驱动编程，完成系统软件。 ( 4 ) 算法分析 在分析接收信号特征的基础上，通过数字滤波器对接收信号滤波处理，结合信号处理 技术，运用插值算法提高系统测时分辨率，并使用m a t l a b 软件工具对设计滤波器和算 法进行了验证。 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差沾超声波流量计研制 第二章时差法超声波流量计的理论研究 2 1 时差法流量测量原理 u s f 是通过检测流体流动时对超声波束( 或超声脉冲) 的作用来测量体积流量的仪表。 测量的主要依据是：当超声波入射到被测流体后，流体中传播的超声波会载有流体流速的 信息。测量原理大致可分为有：传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声 法等。应用较多的是传播时间法和多普勒效应法。传播时间法按测量具体参数不同，又分 为时差法、相差法和频差法州。综合各测量原理及其适用范围，最终确定系统测量原理为 时差法。 时差法u s f 通过测量超声波束在流体中的顺、逆流传播的时间差实现流量测量。夹装 式测量原理如图2 1 所示。管外上、下游分别安装一个超声波换能器，用于轮循发射或接 收超声脉冲。设管道的内径为d ，超声波在静止流体中的声速为c ，流体的平均流速为v ， 当超声波在声楔中的入射角为日时。声波在管壁中的折射角为如，在被测流体中的折射角 为妒，则超声波在被测流体中的顺流传播时间t 。，和逆流传播时间f ，可表示为： 图2 - 1 夹装式测量原理图 d 22 面i 面丽面 d t - 2 石i 面丽面l c v rs l n 驴) c 0 8 妒 由式( 2 一1 ) ( 2 2 ) 可得传播时1 4 差： 出刮z 一t u2 歹i 2 d 孟v s i 纛n 面 ，毋 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 由于c 2 v ；s i n 2 咖 从而可得传统时差法流速方程： p 2 v ，= _ 二一r ( 2 - 3 ) 。 2 d t a n 即流速正比于顺逆流传输时间差f 。 瞬时流量即单位时间流过某一截面的流体量，简称流量，可分为体积流量和质量流量。 体积流量是指单位时间内流过的流体的体积。质量流量指单位时间内流过的流体质量川。 这两种不同的流量表示方法含义是一致的。文中测量流量指的是体积流量。 单位时间体积流量q 的计算公式为： q ：可s ：矿丝：里a t ( 2 - 4 ) 。48 t a n 西 式中，可为管道横截面上流体的平均流速( 单位：m s ，当流体均匀流动时约等于v ，) ， s 为与流速可相垂直的管道横截面面积( 单位：1 1 1 2 ) 。 由式( 2 4 ) 可见，在已知测量工况参数：管道内径d ，超声波在静止流体中的声速c ， 超声波在被测流体中的折射角的条件下，通过测量超声波在被测流体中的顺逆流传播时 间差缸，便实现流体瞬时流量。 2 2 测量算法的修正 2 2 1 流速方程的修正 由上述时差法超声波流量测量原理的分析可知，流量测量建立在c 2 v ；s i n 2 条件 下，实现准确流量计量除准确测量超声波传播时问的顺逆流时间差外，还需精确给定波速 在管道内的折射角毋。由超声波传输特性可知，角随流体中声速c 的变化而改变，而c 又是流体温度的函数，因此，必须对毋进行修正，减小温度变化对测量的影响。 由顺逆流传输时间方程( 2 1 x 2 - 2 ) 可得， 2 咖，s i n 西 出2 t 2 1 - - 如2 矿i 嵩豸面 r = t ：+ f 2 l = 矿而2 丽d c 由上两式可得流体的平均流速方程： 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 c f v ，2 面了 再根据超声波传输过程中满足斯纳尔( s n a i l ) 定律，即 s i n 0 ：! 丛：s i n $ - - - - - 一= 一 吒 c l c ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中c o 、c 1 、c 分别为超声波在声楔中纵波、管壁中纵波和被测流体中横波的波速。 由式( 2 5 ) ( 2 6 ) 可得： ，a f v ，= 二l 竺二( 2 7 ) 。 s i n 0t 比较传统流体平均流速方程( 2 3 ) 和修正后的流速方程( 2 5 ) 可以看出两种求解方 法的主要区别：修正后流量测量所需给定的参数为超声波入射角0 和声楔中声速矗。由于 在一般固体材料中超声波受温度的影响声速变化比在流体中小一个数量级，所以，采用 ( 2 5 ) 比( 2 3 ) 时要精确得多，在温度变化不大的条件下，并能够较好消除声速变化与 折射角变化对计量的影响。当然，在温度大范围变化的隋况下( 如超声波换能器适用的高 低温范围- 4 0 2 0 0 0 c ) ，就必须对声楔和管壁中的超声波声速进行再修正。 2 2 2 流量方程的修正 从流量方程的推理过程可知，流量测量所采i e j 的流速都是理想状况下管道截面均匀分 布的面平均流速，而实际中流体的流动状态并不是均匀分布的，一般可分为两种：第一种 是层流状态，即管内的流体的流动主要是轴向的运动：第二种是紊流状态，即管内的流体 的流动不仅有轴向运动，还有剧烈的横向流动f j 。两种不同流动状态对应着管内的速度分 布也不同。 由于管道流体流速分布规律的复杂性，人们对流体的分布规律的研究仅限于理想管道 流，即光滑层流和光滑紊流条件下的流体流速分布规律”j 。 流速较低或管壁粘性较大时，流体流动的状态是平滑的层状流动，主要是轴向的运动； 流速较高时或管壁粘性较小时，流体质点呈现不规则的流动，即紊流，此时管内流体既有 轴向也有横向的流动。两种不同状态所对应的管内的速度分布也不同。层流状态下的速度 分布为抛物线状，而紊流的流速分布是以管道轴线为中心呈对数曲线对称状，也即管道内 的速度分布趋于平坦，因此紊流状态的速度分布比层流时均匀的多。 所以，精确计算流体的单位时间体积流量p 时，应考虑流速在横断面的分布状况，需 要采用一定的方法对流速分布进行补偿。修正后单位时间体积流量： 6 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 o ：矿s ：兰丝( 2 - 8 ) k4 其中d 为管道的内径，v ，为声程上的线平均流速，可为面平均流速，k = 二土为波速 。 v 分布修正系数，与被测管道的阻力系数a 有关， 小1 + 1 2 5 悖 ( 2 _ 9 ) 式中九是流体雷诺数的函数，可表示为： a = o 0 0 3 2 + 0 2 1 1 r e 。0 2 3 7( 2 1 0 ) 所以修正系数k 写成雷诺数r e 的函数如下： k = l + 0 0 1 、6 2 5 + 4 3 1 r e 。0 2 3 7 ( 2 1 1 ) 由流体力学可知，雷诺数r e 是判断流体流动状态一个依据。一般认为，r e = 2 3 0 0 视 为流体从层流状态到紊流状态的临界判断，其计算公式为： r 。：旦兰d ( 2 1 2 ) 町 式中p 为流体密密度，可为流体的平均流速， 为管道中流体的运动粘度，d 为管 道直径。可见不同流体流动状态下，计算流量时r e 和k 的取值也应随着流体流动状态动 态变换。因此如何方便快捷且比较精确的得到k 值是提高流量计性能的关键问题之一。下 面就对如何方便的取得k 值进行分析。 通常认为，在换能器的安装起点前后有足够的直管段前提下，r e = 2 3 0 0 为流体从层流 状态到湍流状态的临界判据；r e 2 3 0 0 为紊流状态；r e 2 3 0 0 流体就开始向层流状态过渡吼 层流状态下，由于与管道( 半径为r ) 中心相距r 处的流速”同管道中心处最大流速 ，满足流速分布规律： 一心 2 由此式，则管道直径方向上的平均流速v 传播路径方向上的平均流速： ( 2 1 3 ) 也就是超声流量计用于流量测量沿超声波 7 。“2 v ， ( 2 - 1 4 ) 南京信息工程太学硕士论文 基于a r m 的时差法超声波流量计研制 管道横截面上的平均流速可： 一一q s = _ f v 删, 2 7 r r d r = 鲁 2 m a x 旺 s石月22 丌r 2 由式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 则： k ：皇：4 ( 2 1 6 ) 可3 所以，在流体处于层流状态时，即使流速有变化，k 值却保持不变，即v ，和v m 。的比 值恒定。采用此修正系数。可以简化测量复杂度。 当流体处于素流状态时，采用同样的处理方法可以得到素流补偿系数： k ：竺：塾生：1 + 上( 2 - 1 7 ) 可2 玎2 胛 其中n 是随r e 不同而变化的系数，此修正公式很好符合湍流状态时的经验公式： k = i + 0 0 1 4 6 2 5 + 4 3 1 r ；0 2 3 7 ( 2 1 8 ) 当流体状态介于层流状态与湍流状态之间时运用经验公式： 世2 1 1 1 9 + o 0 1 1 1 9 足 ( 2 1 9 ) 综上可得修正后的流量方程为： o ：可s ：皇三生：鱼兰垡：一a t ( 2 - 2 0 ) 。 k44 k s i n 0 t 则从t 到t 2 时间段内的累积流量为： w = r q d t 4 1 从式( 2 - 2 0 ) 可知，如果测量满管均匀流动流体，在温度变化不大且其他参数如管道 内径d ，入射角日和声楔中的声速“在使用前能够精确给定前提下，测量精度与超声波传 播时间的准确测量密切相关，只有准确、稳定的测量顺逆流传播时间，才能保证流量测量 精度。当温度在大范围变化且考虑管壁的厚度h 时，还需要对该参数进行设定，根据实际 情况调整流速补偿系数，对超声波的传输时间进行修正，才可实现精确的测量。因此，实 现仪器精确流量计量的关键是对顺逆流传播时间及其差值的测量。 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 第三章超声波流量计的总体设计 3 1 系统总体设计方案总述 时差法超声波流量计系统主要有以下功能：发送超声波、接收并处理超声波信号、数 据处理、测量结果显示与存储、上位机通信等。 设计以a r m 微控制器作为系统的控制与运算核心，运用a r m 芯片的高速处理技术。 提高超声波流量测量的精度和实时性。系统总体的功能框图如图所示3 - 1 。 图3 - 1 系统功能框图 系统方案中各功能单元可看作三个主要部分： ( 1 ) 超声信号收发部分 主要完成超声波的发射、接收，信号调理以及收发切换控制。 ( 2 ) 数字信号处理部分 主要完成接收信号的数字化及数字信号处理，数据存储等，包括已调理信号的模数转 换，数据输入缓冲f i f o 、f l a s h 数据存储等功能单元。 ( 3 ) 驱动服务部分 主要完成系统的人机交互，数据通信，包括人机接口的l c d 显示及键盘，通信接口、 温度检测及报警电路等功能单元。 系统设计为降低硬件成本，同时也为简化电路设计的复杂度，设计采用收发一体式换 能器，且顺逆流测量共用信号处理电路，换能器与收发电路的连接由a r m 微控制器通过 收发切换单元进行控制。信号处理部分，采用数字程控放大电路，增强系统的环境适应能 力。驱动服务部分：测量前，通过键盘进行相应工作参数的设置：测量完成后，己存储的 测量数据通过u s b 接口传给上位机，方便上位机对测量数据的打印保存、统计等进一步处 理：通信接口单元，辅助完成系统程序开发、调试和程序下载等。 9 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 3 2 流量测量过程 系统电路的工作过程： ( 1 ) 系统上电后，a r m 微控制器初始化内部功能模块和系统外部电路单元，并通过 交互接口设定相应的测量参数。 ( 2 ) a r m 控制发射电路进行信号发射，发射驱动电路提供发射高压脉冲激励，激励 发射传感器发射超声波信号。a r m 微控制器启动超声波发射的同时，启动内部定时时中， 经过适当延迟后，通过p w m 匹配触发启动信号接收电路。超声波通过被测量流体，由接 收换能器接收并经调理电路调理后，进行a ，d 转换，转换完成，通过中断触发请求主控芯 片a r m 进行接收信号数字处理。 ( 3 ) a r m 对接收数据进行数字处理，即判别接收信号波形的起点，求出传输时间， 并计算流体流量及数据存储等。 完成一次流量测量，系统至少需要进行顺逆流各一次信号收发。测量过程中，主控制 器根据测量管道管径大小，自动修正a d 转换器的转换启动时间。通过多次重复测量，计 算平均值，提高流量测量精度。 1 0 南京信息工程大学碗士论文 基于a r m 的时差法超声波流量计研制 第四章系统硬件设计 根据系统设计方案的总体框图，本章对具体硬件电路设计进行说明。系统硬件可分为 以下三个主要功能模块：第一部分a r m 系统电路模块，包括系统电源、芯片时钟和j t a g 接口电路；第二部分超声波发送与接收电路模块，包括换能器驱动电路、接收信号放大和 调理电路、a d 转换和f i f o 缓冲电路；第三部分辅助电路部分，包括按键和显示的人机接 口电路、上位机通信接口电路、温度检测和报警电路、数据存储器电路等。 4 1l p c 2 2 14 芯片简介 a r m 即a d w a m c e dr i s cm a c h i n e ，可看做为一种技术，也可看做对一类微处理器的通 称。自1 9 9 0 年ar m 公司正式成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各 大半导体制造商出售知识产权，其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得 众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目 前，基于a r m 技术的微控制器约占3 2 位r i s c 微处理器的7 5 以上的市场份额【l 。 当前，a r m 微处理器主要有a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、 s e c u r c o r e 系列、s t r o n g a r m 系列和x s e a l e 等系列。同时a r m 芯片还获得了许多操作系统 供应商如：w i n d o w sc e 、u c l i n u x 、v x w o r k sn u c l e u s 、u c o s 1 1 、p s o s 和p a l mo s 等的 支持。 a r m 微处理器已广泛应用于工业控制、消费电子、通信系统、网络系统、无线通讯等 领域。a r m 7 系列内核普遍支持t d m i 四种功能模块。其中各代表含义如下：t ：t h u m b ， 内核指令集除包含3 2 位a r m 指令集外还支持1 6 位压缩指令集t h u m b ；d ：d e b u g ，内核 支持在线调试功能，即内核集成了边界扫描链j t a g 的调试结构，可使c p u 进入调试模式， 方便跟踪内核运行状态；m ：m u l t i p l i e r ，内嵌硬件乘法器；he m b e d d e di c el o g i c ，支持 断点和调试点。a r m 7 系列微控制器具有如下特点： ( 1 ) 功耗低，适用于对功耗要求较高的应用； ( 2 ) 具有嵌入式i c e 逻辑，调试开发方便： ( 3 ) 对操作系统广泛支持； ( 4 ) 支持三级流水线结构： ( 5 ) 高密度指令代码，兼容1 6 位t h u m b 指令集： ( 6 ) 主频最高达到1 3 0 m i p s ，能够胜任绝大多数复杂的应用。 目前，a r m 7 微处理器主要应用于中低端的网络设备、终端、i n t e m e t 设备、移动电话、 多媒体嵌入式应用和工业控制等领域【l “。 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 系统选用p h i l i p 公司l p c 2 2 1 4 ，它是一款支持实时仿真和跟踪的3 2 1 6 位a r m 7 t d m i s 低功耗a r m 微控制器，采用1 “引脚的l q f p 封装，带有2 个3 2 位定时器、9 个外部中 断、2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、7 6 路输出的p w m 单元、2 个s p i 接口、4 0 0 k b p s 的高速 1 2 c 接口、1 6 k b 的静态r a m 、2 5 6 k b 高速f l a s h 、实时时钟和看门狗等模块。芯片独特的 加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行，使用1 6 位t h u m b 模式可将代码规模降 低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 l p c 2 2 1 4 微控制器的主要特性1 1 2 如下： ( 1 ) 双电源供电：内核c p u 操作电源为1 8 v ( 0 1 5 v ) ，i o 操作电源为3 3 v ( 1 0 ) ， 可承受5 v 电压； ( 2 ) 具有内部代码加密功能，是全球首款可加密的a r m 微控制器； ( 3 ) 通过可编程的片内锁相环可控制c p u 的工作频率，最高可达6 0 m h z ，片内晶振 频率范围：1m i - i z 3 0m h z ；e m b e d d e di c e r t 接口支持断点和观察点： ( 4 ) 在前台任务使用片内r e a l m o n i t o r 软件调试时，中断服务程序可继续执行； ( 5 ) 具有多达1 1 2 个可承受5 v 电压的通用i o 口； ( 6 ) 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； ( 7 ) 通过片内b o o t - l o a d e r 固件可实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( t a p ) ； ( 8 ) f l a s h 编程5 1 2 字节仅需l m s ，单扇区或整片擦除仅需4 0 0 m s ： ( 9 ) 外设功能模块可单独使能或禁止，实现功耗最优化。 l p c 2 2 1 4 支持两个低功耗模式：空闲模式和掉电模式。在空闲模式中，指令的执行被 停止，直到产生复位或中断为止。外围功能在空闲模式下继续工作并可产生中断唤醒处理 器。空闲模式使自身、存储器和相关控制器以及内部总线不再消耗功率。在掉电模式中， 振荡器被关闭，系统中没有任何内部时钟，处理器状态和寄存器、外设寄存器和内部r a m 的值在掉电模式下保持不变。由于芯片所有动态操作都被暂停，芯片功耗降到最低几乎为 零。外设功率控制器允许关闭不使用的外设，进一步降低功率。l p c 2 2 1 4 体积小，功耗低， 特别适用于访问控制。 4 2a r m 系统电路设计 a r m 系统电路，实现a r m 微控制器的基本功能，其硬件设计主要包括：电源电路、 复位电路、时钟电路、存储器接口等。 4 2 1a r m 系统电源设计 l p c 2 2 1 4 为降低功耗采用低压供电方式，而且内核电压和i o 电压分开供电，内核电 压采用+ 1 8 v ，i o 电压采用+ 3 3 v 。为进一步降低功耗，系统设计中所采用的a d 转换器、 串口通信接口芯片m a x 2 3 2 、z l g 7 2 9 0 也用低压+ 3 3 v 电源供电，而放大器和数字程控增 1 2 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 益的d a 转换器使用传统的5 v 电源供电，超声波驱动电源采用+ 1 2 v 。所以系统共需要 五种电源。电源电路如图4 2 所示。 系统设计先通过l m 2 5 7 5 实现对+ 9 v 供电电源进行电压变换，得u + 5 v 的电压。然后 对+ 5 v 电压，一路使用1 c l 7 6 6 0 实现- 5 v 系统电源，一路使用t p s 7 3 h d 3 1 8 实现+ 3 3 v 和 + 1 8 v 的系统电源。其中l m 2 5 7 5 电路中稳压芯片的输入端接入4 7 0 u f ，3 5 v 的电容，是为 了抵消输入时的电感效应，防止稳压块产生自激振荡，保证稳压块正常工作i i “。稳压块的 输出端接的电容，用于改善瞬态响应和稳定性。t p s 7 3 h d 3 1 8 可输出两路电压，每路输出 电流最高可达7 5 0 m a t “j ，能够满足a r m 的电源需求。 i 上 剖赫嵛p _ 2 2 。衍咔阳刹 叫里竺l ；j 宁币帅缁铲5 7 50 1 _ li 1 b 1 5 8 le 。翟宁 4 2 2 复位及晶振电路 u 0 2 瓢 j 邛妥 n2 f2 2 f b ，疆 2 g l 难 _ _ _ 一 1 4 1 g l 匹 c 2 3 3 3 u 坠：托 鸳占 ：帮3 h d 3 1 8 图4 - 2 系统电源电路 可靠性是系统性能的重要指标。考虑系统工作环境可能带来的系统死机等严重影响。 系统设计手动复位电路。由于a r m 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低， 对电源的纹波、瞬态相应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等方面提出了更高的要 求。系统设计的复位电路使用内含2 k 位e e p o m 存储器的电源监控芯片c a t l 0 2 5 ，能够 实现系统按键复位。此外c a t l 0 2 5 还内含1 6 秒的看门狗定时器电路”“，能够使系统在外 界干扰等“挂起”或程序跑丢而“终止”时复位到已知状态。电路原理如图4 3 所示。 电路采用3 3 v 电源供电，当手动按下按键s 1 时，m r 为低电平，r e s e t 输出低电平 触发l p c 2 2 1 4 的复位管脚1 3 5 使芯片复位，使i o 口和外围功能恢复默认状态，处理器从 地址0 开始执行。当无按键时，m r 保持高电平，r e s e t 输出也保持高电平，不触发芯片 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 的时差法超声波流量计研制 复位。 图4 - 3 系统复位电路图 l p c 2 2 1 4 微控制器内部振荡电路支持i m h z 3 0 m h z 外部晶振，如果片内p l l 系统或 引导装载程序被使用，输入时钟频率应在1 0 m h z 2 5 m i - i z 。考虑系统功耗和不同工作模式 对时钟的要求不同，设计采用较低的工作频率1 1 0 5 9 2 m h z ，通过外部晶振实现，电路如图 4 - 4 所示。采用该频率晶振的另一原因是串口波特率实现更方便且精确，同时能够支持芯片 内部的p l l 功能和i s p 功能。其中c 4 6 、c 4 7 选用2 0 p f 的磁介电容，并联1 m 欧姆的电阻 r 4 5 ，使晶振更容易起振，且振荡频率较稳定。 4 2 3 系统地址空间分配 图4 - 4 系统时钟电路 为满足系统数据和程序存储的需要，系统设计了外部存储器。l p c 2 2 1 4 外部空间分配 由n c s 0 n c s 3 控制实现。设计使用1 6 位数据总线系统，系统中数据的读写都采用2 字节 为一个单元，所以l p c 2 2 1 4 的最低位地址线a 0 不用于地址译码。系统外部器件地址分配 如下：n c s o 片选s s t 3 9 v f l 6 0 ( n o rf l a s h ) 地址空间：0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 0 x 8 0 1 f f f f f ；n c s l 片选k 1 8 6 4 1 6 8 6 c ( r a m ) 地址空间：0 x 8 1 0 0 0 0 0 0 0 x 8 1 3 f f f f f ；n c s 3 和地址线a 2 l 译 码片选k 9 f 2 8 1 6 q o c ( n a n df l a s hm e m o r y ) 地址空间：0 x 8 3 2 0 0 0 0 0 。 系统中片外r a m 采用k 1 8 6 4 1 6 8 6 c i l “，容量为4 m * 1 6 b i t ；片外f l a s h ，一个是s s t 1 4 南京信息工程大学硕士论文 基于a r m 的时差法超声波流量计研制 公司的n o rf l a s h 芯片s s t 3 9 v f l 6 0 i l7 1 , 容量为1 m * 1 6 b i t ( 存放移植u c l m u x 时的 b o o l o a d e r 代码) ，另一个是n a n df l a s h 存储器k 9 f 2 8 1 6 q o c ”j ，容量为8 m * 1 6 b i t ( 存放 u c l i n u x 操作系统代码和程序及数据) 。电路如图4 5 所示。外部存储器共用系统的数据总 线和地址总线，只是l p c 2 2 1 4 的地址线从a l 开始，依次分别同外部存储器的地址线a 0 连接。写控制信号1 1 w e 来控制和读控制信号n o e 与控制芯片的读写引脚直接相连。芯片 的选通信号按照上述系统地址空间分配中的分配方式进行连接。其中为实现单字节的读写 r a m 芯片k i b 6 4 1 6 8 6 c ，使用n b l s 0 ( 低8 位f 0e l 使能端) 和n b l s i ( 高8 位l ，o 口使 能端) 进行控制。l p c 2 2 1 4 对于n a n df l a s hk 9 f 2 8 1 6 q o c 的控制，采用将地址线a 2 0 与芯片的c l e 连接，a 1 9 与a l e 连接，所以，k 9 f 2 8 1 6 q o c 的数据地址为0 x 8 3 2 0 0 0 0 0 ， 命令控制字为0 x 8 3 3 0 0 0 0 0 ；地址锁存使能为0 x 8 3 2 8 0 0 0 0 。 4 3 超声波收发电路设计 图4 _ 5 系统片外存储器电路 4 3 1 超声波换能器特陛及选用 超声波换能器( 或称为传感器、探头) 是能将交流电信号转换成机械振动而向介质中辐 射( 或发射) 超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置。超声波换能 器按工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。本设计中采用最常用的压电式换能 器完成高频声能与电能之间的相互转化。压电式换能器的核心是压电材料。在受到压力时， 南京信息工程大学硕士论文基于a r m 的时差法超声波流量计研制 压电陶瓷材料的表面会产生电荷，且电荷量与所加的作用力成正比，当压力捎失时电荷也 消失。 换能器正是利用压电材料的正逆压电效应实现超声波收发的。在接收超声波时，压电 材料接收到超声波时将产生轴向交替的压缩和拉伸形变，发生交替的极化，在两端面上出 现符号相反的束缚电荷，将声能转换为电能即正压电效应；换能器在发射超声波时，将适 当的交变电信号施加到压电材料上，即将压电材料置