（电子科学与技术专业论文）基于fpga的时差法超声波流量计系统的设计与实现.pdf

祈江大学坝士学位论艾 度达到纳秒及砸纳秒景级，满足了超声波流量计在小管径测量环境下的精度要求： 三是对流量修正系数进行了分析与研究，并给出了不同情况f 的流量修正系数的训 算公式。 关键词：时差法超声波流量计：测时精度：边沿检测技术；误差分析：流量修正系 数 2 浙江大学硕十学位论史 u l w a s o n i cf l o wm e a s u r e a l l 田tt e c h n o l o g y , w h i c hd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ts e v e r a lt e n y e a mi san e w s t y l ef l o wm e a s u n e n tt e c h n o l o g y i tr i s e st h el i q u i dv e l o c i t yi n t b r m a t i o n c a r r i e d b y t h e u l l m s o n i c w h e n i t i s p r o p a g a t i n g i n t h e h 咖d 幻m s u t h e f l o w o f l i q u i d t h e 枷nm e r i t so ft h ef l o w m e t e ra r en o n - c o n t a c t , 陆g i la c c u r a c y , w i d em e a s u r e m e n ts c o p e c o n v e n i e n c eo fi n s t a l l a t i o na n dn k a i n t e t l a n c e , e s p e c i a u ya c c e p t a b l ef o rm e a s m m n e n to f t e | 珥) 0 唧f l o w , 1 雒g ef l o w s , a n df l o wi nd a n g e a x i l st m v i r o n m m t i nr e c e n tt e ny e a r s , o nt h e b a r n so fd e v e l o p m e n to fk 曲却o e dd i g 眦s i g n a lp r o c e s s o r 锄dm i c r o p r o c e s s o r , o nt h eb a s i s 0 fi e f o rn e w - s t y l e 眦m a t e r i a la n dt e c h n o l o g y , 0 1 1t h eb a s i so fr e s e a r c hf o ra c o u s t i c c h a n n e lc o n f i g u r a a o na n df l o wm e e l k g 嘶c , t h eu l t r a s o l f i cf l o wm e a s u r e l l e a tt e c h n o l o g yh a s o b t a i n e dag r e a ta d v a n c e m e n t ，s h o w i n gi t ss t r o n gt e c h n i c a la d v a n t a g ea n db e c o m i n g 肌 i n 驴咖tf l o wm 圈捌吒衄吐t e d m o l o g y t h ep a p e ri n m m , e sb a 西cp r i n c i p l ea n dr e a l i z i n g 劬0 do ft h eu 阳盈s w 眈f l o wn 鬻a 图窃m a l tt e d m o l o g y o nb a s i so fa b s o f l 湎ga n dr e l y i n gt o t h ed o n l 碰ca n df e 昵i g na d v a n c e du l w & q o l l i cf l o wm e a m m m m n tt e c h n o l o g y , an e wh i g h 珥e c 涵o n 6 n 七m 朗鲫d n g m e 吐1 0 d w 瞻弘葛e n 自。d 诅0 蝴首协j n 唾舯v e m e s y 曲翦l 口e c 两o f 面1 e m e a s u r i n go f t r a v e lt i m eu l t r a s o n i cf l o w n x 舾a n d t h ew h o l es y s t e l nh a r d w a r ei sd e s i g n e da n d t h ed e s i g ni d e ao ft h es y s l l 曹l as o f l a k d l ei sg h 衄c o e 商d o j n gt h ed e v e l o p m e n ts l a t ea n dt h e e x i s t e n td e n 俩t so ft h ed o r n e 嘶cu i w d s ( “cf l o wn 埒疆潮玎嚣n d l tt e c h n o l o g yp r e s e n t l y , t h e f o l l o w i n g s e v 嘲i 庐d l 岫砸b 珈豳：i yd i 踮u 鹤e d 和s o h 。d ： 1 w i t h r e g a r d t o t h e p r o b l e m o f s y s t e m s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y f l m l , d e l a y w i n d o w i s u s e d t or l n i u c l ：i n f l u e n c eo f l m l s ed i s m d m m c ea n ds i g n a lm ：n p l i t u d et on 譬a 曩岛咖tr e s u l ts e c o n d c h o o s ei n m g m l e dc i i i 吐tc r o p sa n dc i r c u i tm o d u l ei nt h ed e s i g no fu l w a s ( 疵s i g n a l s d n i u i n g a n dr e , r e l y i n gc i l c l l i t si n s t e a do ft h em a d i f i o m ld i m m e 把锄a 1 0 9c 0 棚p ( 删t oi n l p r o v et h e s t a b i l i t ym a dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m 1 1 i 毗m o s to fd i g i t a lc i r c u i t sa r ei n t e g r a t e di n t ob 1 g a ( r e l dp r o g r a n n 【1 a b l eg a t ea r m y ) c h i po fs p 砸锄扼x c 2 s 1 0 0 eo fx i l i n xc o m p a n ys oa st o s i m p l i f yd e s i g nm x lt od e v e l o pt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s m r l 2 w i t hr e g a r dt ot h ep r o b l e mo f i m p r o v i n ga c c u r a c ya n dm e a s u r e m e n ts c o p eo f 廿1 es y s t e m 浙 工大学硕士学毹论文 f i r s t , m u l t i p l e q e v e la m p l i f i e r s a r eu s e dt oa = l l 翻i l c em p l i t i e rd y n a m i cs c o p e s e c o n d ， c o m b i n i n g t h e t h e o r y o f p l l w i t h t h e t e c h n i q u eo f e d g ed e 缸血g ，t h e n e w t i m e m e a s u r i n ga r i t h m e t i c m a d e t h e t r a v e l t i m eo f u l t r a s o n i c j u s t c o n s i s t o f i n t e g r a lu n i t s o f t i m i n g p u l s e , w h i c hc o u l d m i n i m i z e t h ep h a s ee l l o ro ff i t - m n gp u l s e ；m e a n w h i l ei m p l e m e n t e dt h ec i r c u l a r u t e m e n to fs p r e a dt i m e t h r o u g hl o g i c a lp m g r a m m 面g ，w h r d lc o u l dr e c k l o et h ee d g ed e t e c t i n ge i t o ra n ds y s t e me r r o r t h i r d ， f l o wr e v i s i o nc o e f f i c i e n ti ss t u d i e da n d m 坶z e 正 a n dc a l c u l a t i o nf o r m u l a eo ft h ef l o w r e v i s i o n c o e f f i c i e n t a r e g i v e a i n d i f f e r e n t s i t u a t i o n s k 眄聊帆l s ：u l t r , m o n i cf l o wm e a s u l w a tt e c h n o k ) g y , l i m ed i f f e r e n c em e l t s ；p c c c i s i o no f t i r a en m s t m g ；e 【0 r 枷y s i s ；e d g ed o e a i n gt e c h n o k 毽y 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超声波流量测量技术发展概述 超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体 的流速信息来测量流体流量的。利用超声波测定流速、流量的技术不仅应用 在工业生产方面，而且在医疗、海洋观测及各种计量测试中都有着广泛的应 用1 1 卜i7 1 。1 9 5 5 年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就 是“呜环”时差测量法，用于航空燃料油流量的测量 8 】。 上个世纪7 0 年代中后期，基于大规模集成电路技术的飞速发展，商精 度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的 p l l ( 锁相环路) 技术的应用，使得超声波流量计的稳定性和可靠性得到了初步 的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法。同一时 期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律进行了大量深入细致的 研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流状态和絮流状态，并给出了 层流状态与絮流状态下流速分布规律的理论分析，提出了流量修正系数及其 理想状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚 实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来。 进入8 0 年代中期，超声波流量计的实现方法已不仅仅局限于时差法和 频差法两种方法，由于电子技术及其相关理论的飞速发展，超声波流量计的 种类越来越多，又出现了射束位移法、多普勒法、相关法及噪声法等。 到了8 0 年代中后期，单片机技术的应用使超声波流量计向高性能、智 能化方向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂 的数学运算和数据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能 够设计出友好的人机界面，使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其 他一些辅助功能，大大方便了用户的操作和使用。单片机在超声波流量计中 的应用，使超声波流量计开始真正进入工业测量领域。 8 衙扭大学硕士学位论文 最近1 0 年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步， 基于新型探头材料与工艺的研究，基于声道配置及流体动力学的研究，超声 波流量测量技术取得了长足的进步，显示了它强劲的技术优势，形成了迅猛 发展的势头，其潜在的巨大的生命力是显而易见的【9 】。 超声波流量计的发展历史来看，美国最早着手这方面的研究，而强很快 就有产品投入使用。前苏联以及西欧各国也很快很早就开始从事这方面的研 究，前苏联的科学工作者广泛地对流量测量理论进行了研究，讨论了流速分 布中的流量补偿系数问题，并且提出用多路超声波流量计解决流场畸变对测 量精度的影响，为超声波流量计进一步提高精度打下了坚实的基础，但在实 际应用方面远不美国那么活跃。日本是超声波流量计研究的后起之秀，在消 除管外传播时间、提高一起精度和缩短响应时间方面有独到之处。我国的超 声波流量计研究工作虽然起步比较晚，但是由于广大科技工作者的努力和引 进国外先进的技术，国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用了。 目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、唐i 汇 中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电予有限公司、 大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。国外著名的品牌 有日本的富士，美国的宝丽声、康创，英国的梅克罗尼等。其中美国的宝丽 声公司的最新一代d d f 系列超声波流量计使用了d s p 技术，进一步提高了 超声波流量计的灵敏度和抗干扰能力，其可测的最小管径为0 0 0 6 米 1 o 】。 1 2 超声波流量计的特点和用途 超声波流量计在工业中的应用包括气体、液体以及固体物质流量的测 量，其测量范围对大多数液相介质而言，流速从每秒几厘米到每秒十几米， 管径从小于1 厘米到几米，工作温度从低温( 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击败个大气压，其响应时间从儿个 毫秒( 引擎控制) 到2 4 小时( 监控管道流量) ，在医学上可以测量胤管流量， 浙江大学硕i 学位论文 还可以用于江河流量和敞开水道流量的测量。和传统的流量计，如差压流嚣 计、转子流最计、文丘里流量计、涡街流量计等相比，超声波流量计有以p 突出的优点： 1 结构简单，安装、使用和维护方便。超声波流量计可以夹装在管道外侧 安装，无需对管道进行改动，这给临时检奇管内的流量提供了方便。 2 可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流量，可以用模拟董或者数字 量输出。 3 待测液体只要可以传播声波就可以对其进行管外测量。这种非接触式测 量方法无压力损失，不破坏流场，部件不受流体腐蚀和磨损。 4 超声波流量计的成本和制造难度不随口径的增加而增加，尤其适合犬、 中口径管道的测量。 1 3 超声波流量计的实现方法 超声波流量计发展到今天，其实现方法已经有了很多类型1 越，按照其 工作原理可以分为： 1 3 1 传播时差法 时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流 速，进而求得流量的，根据时差的表现形式不同可以分为直接时差法、频差 法和相位差法。直接时差法最早应用于超声波流量计，它适用于大、中口径 管道及敞开水道流量的测量，但是此法受温度影响比较大，其发展方向是提 高计时精度和设法降低温度对测量精度的影响。频差法是循环多次的直接法， 此法的精度是直接时差法的循环次数倍，适用于中、小口径管道，优点是精 度高、受温度影响较小，缺点是受环境影响大，工作不稳定。相位差法是将 时间差转换为相位进行铡量。关于时差法将在论文的第二章进行详细的介绍。 l o 还可以用于江河流量和敞开水道流量的 ! | | 量。和传统的流量计，如差压流量 训、转了流最计、文斤里流量计、涡街流星订等相比，超声波流量训有以下 突 i 的优点； 1 结构简单，安装、使用和维护方便。超声波流景计司以夹装在管道外侧 安装，无需对管道进行改动，这给临时榆镬管内的流量提供了力便。 2 可以直接给出被测流体的瞬时流量和累积流景，可以用模拟精或者数字 量输出。 3 待测液体只要可以传播声波就可以对其进行管外测量。这种非接触式测 量方法无压力损失，币破坏流场，部件不受流体腐蚀和磨损。 4 超声波流量计的成本和制造难度不随口径的增力l | 而增加，咒其适合夫、 中口径管道的测量。 1 3 超声波流量计的实现方法 超声波流量计发展到今天，其实现方法已经有了很多类型1 1 ”，按照其 j 二作原理可以分为： 1 3 1 传播时差法 时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流 速，进而求得流量的，根据时差的表现形式不同可以分为直接时差法、频筹 法和相位差法。亩接时差法最早应用于超声波流量计，它适用于大、巾口径 管道及敞开水道流量的测量，但是此法受温度影响比较大，其发展方向是提 高计时精度和设法降低温度对测量精度的影响。频差法是循环多次的直接法， 此法的精度是直接时差法的循环次数倍，适用于中、小口径管道，优点是精 度高、受温度影响较小，缺点是受环境影响大，t 作不稳定。相位差法是将 时间差转换为相位进行测量。关于时差法将在论文的第二章进行详细的介绍。 时间差转换为相位进行测量。关于时差法将在论文的第二章进行详细的介绍。 浙江大学硕。t 学位论文 1 3 2 多普勒法 当测量含有悬浮粒子或者气泡的流体流量时 频移是： a f = 矗一 = 2 v s i n o c 式中： 于是 暂一一多普勒频移； ，一一发射信号频率； 工一一接收信号频率； 0 一入射角( 等于反射角) ； y 流体流速； c 超声波信号在流体中的传播速度 发射超声波信号的多普勒 v = c 掣( 2 s i n 卿 ( 1 2 ) 这一技术已经在医疗仪器上得到了重要应用。在工业计量测试领域应用彳i 是 十分广泛，仅在含泥沙的河水、下水、排水等喊有较大颗粒的流体流量的测 量中使用。但是，多普勒法对流速变化的灵敏度比其他方法好得多，值得重 视和研究。 1 3 3 相关法 数流体可以看作沿管道以相干方式运动的湍流模式，任意两点a 、b 记 录的信号工( r ) 、y ( f ) 满足相关函数： 如( f ) 2 鲤j ：工( f ) y ( t + z ) d t ( 1 3 ) 如果有湍流扰动，在a 、b 两点产生幅度和相位相同的信号，那么f 等于a 、 b 两点间的扰动平均传播时间，如( 力将出现最大值，设h 是对应于如( f ) 峰 值点的f 值，则流体流速满足： 浙江大学硕 学位论文 v = l ht 1 4 ) 其中：l 是两个换能器之间的距离。 相关法测量流量属于非接触式测嚣方法，在使用超声波换能器的同时， 需要将两组参数近似相等的换能器固定在被测管道上进行测量。通过对接收 到的两路信号进行时域特性分析，可以确定h ，从而求得流量。相关法的测 量的特点在于寻找两路信号的相似程度，因此这种方法的测量精度与所测管 道的l 1 径、介质的种类及流速关系不大，比较而言，相关法更适合于小管道、 小流量的测量。 1 3 4 噪声法 管道中流体流动时产生的噪声与流体流速有关，通过检测噪声可以求得 流速值，在测量精度不高时可以用这种方法( 1 0 以内) 。这种方法又被称为 被动式测量( 凡是有超声波发射的称为主动式测量) 。 1 3 5 卡门涡漩法 其原理是在流体中垂直地插入一根三角形不绣钢针，流体经过钢针后会 产生涡漩，该涡漩对穿过流体的超声波信号进行调制，调制频率满足： f = s v l d ( 1 5 ) 式中： s 斯特哈尔系数： d 涡漩发生体的直径； y 流体的流速； 于是： v = f d ，s ( 1 6 ) 这些方法各有优缺点，在实际应用中。要根据待测对象和要求的精度进 1 2 浙钉大学硕卜学位论文 行选择。在某些工业测量中有5 l o 的精度就够了，这时可以采用射柬 位移法和噪声法。目前工业上常采用的方法是传播时差法和多普勒法，用这 两种方法作研究的很多，所生产的产品性能也比较稳定，精度高：相关法的 研究也比较活跃，并有相应的产品问世，但是由于技术和价格上的原网，应 用不是很广泛，有待于技术上的进一步成熟。 1 4 论文的主要研究内容 超声波流量计以其非接触、易于安装维护的优点在工业测量领域获得了 广泛的应用。然而超声波流量计本身也存在许多不足之处，如稳定可靠性差， 测量范围窄，精度不高等。现有国内的大多数超声波流最计虽然在价格上比 国外的便宜，但总体性能比较差；而国外的超声波流量计尽管在精度、性能 和操作使用方面都优于国内的产品，但是因为价格昂贵，也不太可能在工业 界大量使用。因此对超声波流量计技术加以改进和提高，使超声波流量计工 作性能更加稳定，总体性能接近或者达到国际先进水平，以便在国内推广和 使用，是本课题的研究目的之所在。基于难度和可实现性两方面因素的考虑， 本论文选用传播时差法为研究课题，在综合吸收国内外先进的超声波流量测 量技术的基础上，完成了以下一些主要工作： 1 4 1 关于提高系统的穗定性和可靠性 1 采用高性能的、具有较小的温度声速系数和声阻抗的超声波换能 器，对超声波换能器与发射电路及接收电路的匹配问题也作了一定的研究： 2 为了消除接收电路在等待接收信号时脉冲干扰信号的影响，采用了延 迟窗口接收技术，对接收窗口时间以外的干扰信号不予理睬；对于窗内干扰 浙江入学硕士学位论文 信号，则根据接收信号的脉宽比干扰信号脉宽要宽的特点，采用信号脉宽鉴 别电路来鉴别接收信号； 3 本课题研究的硬件电路结构较为复杂，传统电路设计中使用分立器件 的数量较多，这给设计和调试带来了很大的不便，因此本设计在超声波发射 和接收电路设计中采用集成电路模块取代了分离模拟器件，以提高发射电路 和接收电路的稳定度；并且用x i l i n x 公司的s p a r t a n 2 e 系列x c 2 s 1 0 0 e 现场可 编程逻辑门阵列f p g a 芯片作为核心器件对系统的数字电路部分进行了集成 化设计，达到既简化电路设计、又提高系统稳定性和可靠性的目的。同时， 硬件的软件化也方便了系统功能的修改和升级。 1 , 4 2 关于提高系统的精度和溅量范围 1 采用多级放大器来提高放大电路的动态范围，以适应不同管径的需 要； 2 在测量超声波信号在流体中的传播时间时，利用传统锁相环路测时 原理，并结合边沿检测技术，保证了超声波信号传播时间测量值为整数个 计时脉冲；同时利用逻辑编程实现对超声波信号多次、循环传播的时间测 量，减小了边沿检测误差和系统误差，提高了测时分辨率，使测时精度达 到纳秒及亚纳秒量级，满足了超声波流量计在小管径测量环境f 的精度要 求； 3 对流量修正系数进行了分析与研究，并给出了不同情况下的流量修 正系数的计算公式。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章时差法超声波流量计基本原理和实现方法 2 1 时差法超声波流量计的基本原理 超声波传感器被夹装在被测管道上、下游两侧( 如图2 一l 所示) ，两个传 感器交替地发射和接收超声波信号。超声波信号沿着顺流方向和逆流方向的 传播时间分别为1 1 1 川2 】， 1 ”： 式中 图2 1 时差法超声波流量计的测量原理图 r 。；旦丝竺! + f c + v s i n 口 r ：里丝! ! ! + f c v s i n 口 伊一管道内径； 口超声波信号进入流体介质的折射角 ( 2 1 1 ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 c 一一一流体中的声速： y 一一流体的流速； f 流体以外声传播时间及电路延迟时间之和； 因为c v 7 - 一丁2 = 2 vs i n o r - d c o s 0 ( 2 3 ) 式中c z 项与介质的种类、温度等一些物理参数有关1 2 1t f “l ，为了消除它的影 响，作变量代换消去c 2 项，取 丁。= 丢( r t + ，z ) = d c c o s _ _ _ _ 堕o + f ( 2 4 ) 则流体的流速为： 流量可由下式确定 式中 y ：j l 竺 s i n 2 口( t o - ) ： o 1 坐y k4 k 流速分布修正系数； 型兰管道截面积； 4 2 2 时差法超声波流量计的实现 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 在时差法超声波流量计中，测时精度是决定系统测量精度的关键。传统 的填脉冲计数测量时问方法精度不高，即使使用频率高达1 0 0 mh z 的脉冲计 数，也仅仅能达到1 0 n s 的测时分辨率，无法满足小口径小流量测量的需要。 以直径为2 5 r a m 口径管道为例，为了扩大声程，采用v 字形安装，信号的传 播时间为3 6 微秒，加上延迟时间约为5 0 微秒左右，在介质流速为l m s 时， 时差t 仅仅为2 0 n s 左右，要达到1o a 的分辨率( 即o 2 0 n s ) ，用传统的填 1 6 新江大学硕士学位论文 脉冲计数是无法实现的【l 州。本文在测量超声波信号在流体中的传播时间时， 利用传统锁相环路测时原理，并结合边沿检测技术，保证r 超声波信号传播 时间测量值为整数个计时脉冲；同时利用逻辑编程实现对超声波信号多次、 循环传播的时间测景，减小了边沿检测误差和系统误差，提高，测时分辨率， 使测时精度达到纳秒及亚纳秒董级，满足= r 超声波流量计中小管径测量的精 度要求。另外，流量修正系数也是制约超声波流量计测量精度的个关键因 素，论文将在第六章的误差分析中详细讨论和介绍。 浙? 1 ：大学硕士学位论文 第三章系统方案设计与电路实现 3 1 高糟度测时系统的设计与实现 超声波流量计是将超声波换能器夹装在被测管道的外侧，利用超声波信 号在流体中的传播时所载流体的流速信息来测餐流体流量的。它安装方便， 不影响流体的流动状态，测量范围宽、精度高，已经在工业生产，医疗，海 洋观测等领域得到广泛应用h 7 。时差法超声波流量计测量流量是目前应用很 广泛的一一种方法，它利用超声波信号在流体中顺流方向和逆流方向传播的时 间之差来反映流体的流速和流量。 在实际应用中，特别是在小管径测量环境下，所检测的时差往往要求精 确到纳秒量级甚至亚纳秒量级，因此高精度的测时方法是决定时差法超声波 流量计精度的关键因素。 本文在分析了传统测时方法误差的基础上，设计了一种新的高精度测量 超声波信号在流体内传播时间的方法。这种新的测时方法利用传统锁相环路 测时原理【1 8 】，并结合边沿检测技术，保证- r 超声波信号传播时间测量值为攘 数个计时脉冲，避免了传统脉冲式测时方法造成的计时脉冲相位误差；同时 利用逻辑编程实现对超声波信号多次、循环传播的时间测量，避免丁锁相环 路测量单个传播声程可能的偶然误差，减小了边沿检测误差。实验表明，应 用该方法提高了测时分辨率，使超声波信号传播时间的测时精度达到纳秒及 亚纳秒量级，满足了超声波流量计中小管径测量的要求。 3 1 1 传统测时方法的误差分析 在流量检测等仪器仪表中有多种测时方法，最常见是用脉冲计数法测 时，测时的分辨率直接决定了此种方法的测量精度。通常情况下，为了提 高测时分辨率，只能不断提高计时脉冲的频率。如果要求测时精度达到纳 浙扛大学硕七学位论文 秒及亚纳秒量级，则相应的计时脉冲的频率必须达到g h z 量级以 _ = ，非常 难以实现。可见不可能无限地提高计时脉冲的频率，况且提高计时脉冲的 频率就等于增加计数器的位数，从而加大硬件成本的开销。 y “1 图3 - 1 测时系统锁相环路基本结构 f i 9 3 1s t r u c t u r eo ft i n t i n gs y s t e mp l l 锁相环路法是一种改进的应用于时差法超声波流量计的测时方法，系 统基本结构如图3 1 所示【2 0 t 。工作原理如下：由压控振荡器v c o 的振 荡频率或其分频后的频率作为测时系统的计时频率；每次在发射超声波信 号时同步打开传播时间计数器开始计数；在接收端，超声波信号到达后立 即关闭传播时间计数器并与计时脉冲通过鉴相器进行相位比较，比较结果 继而控制v c o 的振荡频率发生改变，使得计时脉冲与接收信号之间的相 位差逐渐减小。当锁相环路工作稳定时，此时计时脉冲与接收信号之间的 相位差为零，传播时间计数器的计数值恰好为整数，这样就消除了计时脉 冲的相位误差：读取v c o 此时的振荡频率进行计算2 0 1 。但是该方法需要 所用的锁相环具有较大的频偏范围，而且由于所要求的频率变化范围很大， 即使所采用的锁相环电路的频偏达到要求并且工作在稳定状态下， v c o 的振荡频率2 1 1 也是在某一中心频率左右摆动，存在频率不稳定引起的误差 分量。 测量振荡频率有两种基本方法，一种是固定一段时间，由该时间段内 浙i l i 大学硕l 学位论文 振荡频率的脉冲个数计算得到；另一种是固定振荡频率的脉冲个数，通过 测晟相应时间得到。无论采用哪种方法都会引入新的误差分量，由此可见 锁相环路法要想在计时频率不太高的基础卜获得高的测时精度，还需要进 一步改进。 综上所述，要提高时差法超声波流量计系统的测时分辨率，首先需要 保证信号传播时间的计数值由整数个计时脉冲组成；其次要减小接收信号 与计时脉冲之间边沿检测的误差。 3 1 2 测时系统方案设计 本文设计的高精度测时系统的目的在于提高时差法超声波流量计的测时 精度，满足在小管径下测量的藉度要求。 其工作原理如下：通过发射信号发射次数计数器来记录发射超声波信号的 次数；在第一个发射信号的上升沿时刻同步打开传播时间计数器进行计数； 在接收端每次接收信号到达以后立即发射下一个超声波信号并且将接收信号 送入边沿检测模块与传播时间计数器的计时脉冲进行边沿检测；直至边沿检 测模块判断接收信号与计时脉冲边沿同步，此时立即关闭传播时问计数器和 发射信号发射次数计数器，读取当前的计数值进行计算。这样就保证了传播 时间计数器从首个发射信号发射开始计时到边沿检测模块检测到接收信号与 计时脉冲上升边沿同步结束计时的计数值恰好是计时脉冲的整数个，大大降 低了计时脉冲的相位误差，有效的提高了测时分辨率；由于所测得时间是超 声波信号在流体中多次、循环传播的时间总和，相当于扩大了超声波的传播 声程，求其平均值就可得到信号传播单个声程所用时间，避免了单个声程测 时的偶然误差，减小了边沿检测误差对测量结果的影响，提高了系统的精度。 测时系统工作时序图如图3 - 2 所示。发射第一个超声波信号的同时，同 步打开传播时间计数器；在n c 时刻传播时间计数器的计时脉冲和接收信号 边沿同步，关闭传播时间计数器。这样从开始计时到n c 时刻，传播时间计 浙江大学硕士学位论文 数器的计数值恰好为计时脉冲的整数个；计时脉冲周期为t c ，计时频率为f c ： 停止计数时传播时间计数器和发射信号发射次数计数器当前计数值分别为 n c 和n s 此时超声波信号发射次数为s 次；t n ( n = l ，2 ，n s ) 为超声波第 n 次发射在流体中的传播时间；r 为系统电路延迟。超声波信号在流体中传播 一次的时间丁即可由下式计算得出， t = t c ( n c l1 一r ( n s 一1 ) n s ， ( 3 ，1 ) 汁歉脉冲 ：一丁l 牟一 ：一p ：卜： 世二h 阿二二h 竺 图3 - 2 测时系统工作时序图 f i g 3 2w o r k i n gc l o c km a p o ft i m i n gs y s t e m 3 1 3 边沿检测模块的设计 边沿检测模块的作用是在接收端对接收到的超声波信号与传播时间计数 器的计时脉冲进行边沿检测。由于在实际电路中不可能很精确的检测到传播 时间计时脉冲和接收信号完全同步，因此会存在一个同步检测的误差。式 ( 3 1 ) 是在理想状态下，即假设传播时间计数器的计时脉冲和接收信号完全 同步的情况下，得到的计算超声波信号单个声程的传播时间公式。通过边沿 检测技术的引入，可以得到更加精确的超声波信号单个声程的传播时间公式， 其中将边沿检测误差考虑到公式推导中。 浙江火学硕 学位地文 个逻辑信号通过单个门电路的延迟时间火多是i i s 量级，该模块的设计 正是利用此性质，将接收信号通过缓冲门产生几个n s 的时间延迟。在t t n , t 脉 冲的时钟上升沿对接收信号与经过缓冲门延时后的信号进行逻辑判断，如果 此时接收信号为高电平，其延时后的信号为低电平，就在该时钟e 升沿时刻 判断计时脉冲与接收信号边沿同步。如图3 3 所示，接收信号在计时脉冲时 钟有效变化之前至少要先保持时间，接收信号的延迟信号在计时脉冲时钟 有效变化之后要保持“时间2 3 1 。因此在图示中“和t h 时间段内时，边沿检测 模块无法进行逻辑判断，则边沿检测误差f 的范围可由下式表示： 0 sa t “d t h 一6 。( 3 2 ) 其中t 一。”为缓冲门延迟时间，对式( 3 ，1 ) 进行边沿检测误差修正，则 7 k 【乃f n c j j z f n s - j ，一以一t 8 u 1 n s ， ( 3 3 ) 化简，得 t = 【t 4 n c 一1 ) 一m 1 ) 一( 蜥1 2 + 抽，2 一“，2 ) 1 ，n s ， ( 3 4 ) c i k p 图3 3 边沿检测示意图 f i g - 3 3e d g ed e t e c t i n gm a p 其中式( 3 4 ) 和图3 3 中变量： r 超声波信号单个声程的传播时间 浙江大学硕= e 学位论文 z ：传播时间计时脉冲的周期； m 停止计时时刻传播时间计数器的计数值； m 一一停止计时时刻发射信号发射次数计数器的计数值； 如啦接收信号通过缓冲门产生的时间延迟； 一一接收信号在计时脉冲时钟有效变化之前至少需要保持的时间； t h 接收信号的延迟信号在计时脉冲时钟有效变化后要保持的时问； f _ 边沿检测误差； 图3 3 中信号变量： c 1 k 传播时间计数器的计时脉冲； r e c 接收信号： r e cb u f ! f 一一接收信号通过缓冲门的延时信号； p l l o k 一一接收信号与传播时间计数器的计时脉冲同步标志信号； 由上式可见，由于实现了对超声波信号的多次、循环传播时间的测量，通 过求其平均值，边沿检测误差f 对测时结果丁的影响大大减小。在实际测量 中还可以通过逻辑编程对算法稍做修改，将传播时间计数器和发射信号发射 次数计数器停止计数的时刻设置为传播时间计数信号与接收信号边沿同步标 志信号p l l _ o k 第n ( n 1 ) 次出现的时刻，继续扩大超声波信号的传播声程， 可以进一步减小边缘检测误差的影响，使系统的测时精度得以提高。 3 2 系统的电路设计与实现 本系统的硬件电路由数字逻辑电路部分和模拟电路两部分组成。数字电 路部分主要完成时序控制、超声波信号传播时间计时、边沿检测、读数显示、 测量结果实时计算等工作。本章节主要讨论电路的硬件实现问题。模拟电路 部分主要包括超声波传感器、超声波发射接收电路、多级放大电路等。 数字电路部分主要包括定时和控制电路、计数电路、分频电路、边沿检 测电路、读数显示电路等。 浙江大学硕上学懂论文 数字电路部分主要是用来测量传播时间的，这也是超声波流量计的核心 所在，它的具体工作过程是这样的：时序控制电路每隔一定时间产生一次发 射脉冲，并且控制顺流方向和逆流方向之间的相互切换。通过发射信号发射 次数计数器来记录发射超声波信号的次数；在第个发射信号的上升沿时刻 同步打开传播时间计数器进行计数；在接收端每次接收信号到达以后立即发 射下一个超声波信号并且将接收信号送入边沿检测模块与传播时间计数器的 计时脉冲进行边沿检测；直至边沿检测模块判断接收信号与计时脉冲边沿同 步，此时立即关闭传播时间计数器和发射信号发射次数计数器，读取当前的 计数值进行计算。 在求得超声波信号顺流方向和逆流方向单个程声程传播时间乃，死后， 由式( 2 5 ) 即可求得流量。这样就保证了传播时间计数器从首个发射信号发 射开始计时到边沿检测模块检测到接收信号与计时脉冲上升边沿同步结束计 时的计数值恰好是计时脉冲的糇数个，大大降低了计时脉冲的相位误差，有 效的提高了测时分辨率；由于所测得时间是超声波信号在流体中多次、循环 传播的时间总和，相当于扩大了超声波的传播声程，求其平均值就可得到信 号传播单个声程所用时间，避免了单个声程测时的偶然误差，减小了边沿检 测误差对测量结果的影响，提高了系统的精度。 本系统硬件电路的结构比较复杂，所需分立器件的数量很大，因此使用 了x i l i n x 公司的s p a r t a n 2 e 系列x c 2 s 1 0 0 e 现场可编程逻辑门阵列f p g a 芯片 作为核心器件对系统的数字电路部分进行了集成化设计，达到既简化电路设 计、又提高系统稳定性和可靠性的目的。另外，利用v e r i l o gh d l 硬件描述 语言逻辑编程灵活的特点24 1 ，可以实时进行程序的修改，方便了系统的改进。 本文设计的硬件系统的数字逻辑部分利用了浙江大学电子信息与系统研 究所设计的e d a 电子设计自动化实验开发板e i t s 2 0 0 3 进行电路实现。本文 将在下一小节详细介绍该实验开发板的硬件结构以及在本系统电路设计中的 作用。 浙江大学硕j = 学位论文 3 2 1e i t s 2 0 0 3 电子设计自动化实验开发板 e i t s 2 0 0 3 多用途e d a 开发实验平台( 下简称e i t s 2 0 0 3 实验平台或者 e i t s 2 0 0 3 ) 是根据目前高等学校e d a 技术、电子系统设计、计算机组成及 数字电路课程教学、实验的需求及中、高端电予产品的研发需求，由浙江大 学电子信息技术与系统研究所历经三年时间研制而成的一个e d a 实验与产 品开发两用平台。该平台选用x i l i n x 公司s p a r t a n 一2 e 系列芯片作为核心器件。 平台在设计中兼顾了实验与科研开发的需求，在提供了大量可用的i o 口同 时，采用芯片“嵌入式”的架构，使得可以在5 3 0 万门间自由选择所需的目 标芯片。这种住芯片嵌入式结构，连同平台设计中采用的其它耐用性措施， 使得平台具有灵活的使用方式、长期的使用寿命和低廉的维护费用。 e i t s 2 0 0 3 多用途e d a 开发实验平台具有以下性能与特点： 可编程逻辑器件x i l i n xs p a r t a n t m h e 系列f p g a - - x c 2 s 1 0 0 e ，p q 2 0 8 封装，1 0 万门，其他兼容可选的f p g a 规模从5 万门到3 0 万门不等； 板载晶体振荡器，5 0 m h z 频率，可选购晶振频率从1 0 m 到1 0 0 m ； 4 m b i t s r a m ( 5 1 2 一k w o r d 8 - b i t ) ，可作通用的数据存储； 六个按钮和一个八路拨码开关，可用作通用逻辑输入； 八盏l e d 和四个七段数码管，可用来显示f p g a 和单片机的输出信息； 标准r s 2 3 2 接口，可方便的连接p c 及其他工业设备： 标准p s l 2 接口，用来外联键盘或鼠标，扩展输入设备； 标准v g a 接口，可显示6 4 种颜色； 集成x i l i n xp h i 型并口下载接口，允许p c 机下载配置文件： 浙江大学硕十学位论文 图3 4e i t s 2 0 0 3 多用途e d a 开发实验平台电路实物图 图3 5e r r s 2 0 0 3 多用途e d a 开发实验平台各模块示意图 浙江大学硕士学位论文 a d c 电路，可同时采样8 路模拟信号； d a c 电路，把f p g a 的数字信号转换成模拟信号输出； 板载a t m e ls 系列的a t 8 9 s 5 2 单片机，可减轻f p g a 编程负担，也可以 独立进行单片机实验，a t 8 9 s 5 2 不需要编程器，在线可编程( 1 s p ) ； 1 2 ce e r p o m 一2 4 c 2 5 6 ，提供另一种通用存储方式； 大面积的扩展面包板，可以根据用户需要扩展其他电路； 恒定直流供电，分为5 v 、3 3 v 、1 8 v 。 3 2 2 系统分频、定时、计数和控制电路 这部分电路主要包括f p g a 芯片、晶振、分频器、触发器和- 些逻辑电 路。系统的分频、定时、计数和控制功能是这样实现的：由分频模块产生各 个需要的时钟信号，分别用于实现定时、计数和控制功能的计数器模块和定 时模块。此部分电路的设计主要是依靠硬件描述语言的编程在e i t s 2 0 0 3 多 用途e d a 开发实验平台上实现。 3 2 3 超声波换能墨 超声波换能器又称为超声波传感器、超声波探头，主要由压电晶片组成。 超声波换能器是将超声波能量与电能或其它形式的能量相互转换的装置。发 射换能器将电振荡或者脉冲转换成超声波信号发射出去，接收换能器将接收 到的超声波信号转换为电信号，同一个超声波换能器兼有发射和接收两种功 能，因此只用一对超声波换能器交替发射和接收超声波信号即可完成顺、逆