（物理电子学专业论文）基于sopc的超声波流量计的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前，流量计在化工、冶金、石油输送、天然气输送、民用水表、民用燃气等方面 都有广泛的应用。而超声波流量计是在超声波技术发展到一定程度之后才得以应用在实 际生产场合的一种新型的流量测量技术， 论文在借鉴了目前的s o p c ( s y s t e mo np r 0 掣a m m a b l ec h j p ) 技术的基础上，通过 吸收国内外先进的超声波流量测量技术，采用交叉声路时差法的测量原理，设计了一款 基于s o p c 技术的气体超声波流量计，流速的测量范围为5 3 5 0m 弧，测量的精度可达 2 ，重复性可达1 。 该流量计在软硬件的设计方面具有以下特点： 通过采用s o p c 技术，实现了软硬件的协同设计，最大限度的利用了现有的p 核 进行系统设计，并自行设计了系统所需的功能口模块，通过总线成功的实现了通信，简 化了外部硬件电路的设计，减少了外部噪声的干扰，提高了系统的可靠性。 通过采用与换能器匹配良好的发射接收电路，极大的提高了收发电路的工作性能； 又通过设计合理的程控放大电路，扩大了放大电路的动态范围；并通过采用带通滤波电 路、门限比较电路、高速数据采集电路以及相应的数字信号处理技术来减小外部噪声干 扰。通过软件算法对流速修正系数进行自动修正以减小误差，提高了系统的性能。 通过采用延迟窗口接收技术，减小了干扰脉冲对测量结果的影响；另外，通过采用 脉冲宽度检测技术来识别接收信号，提高了系统的稳定性，并通过使用v c + + 编写了上 位机通信程序，实现对流量的实时监控。 现场测试表明，系统运行稳定，测量精度在较宽的测量范围内达到了2 ，为今后 开发高性能的气体超声波流量计奠定了基础。 关键词：s o p c ；交叉声路；超声波流量计；时差法 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fa nu l t r a s o n i cf l o w m e t e rb a s e do ns o p c a b s t r a c t a tp r e s e n t ，f l o w m e t e rh a sw i d e a p p l i c a t i o n s i nc h e m i c a l i n d u s t r y ，m e t a l l u r g y ， o i l t r a n s p o r t a t i o n 。c i v i l i a nw a t e rm e t e r sa n dc i v i l i a ng a su t i l i z a t i o n w i t ht h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y ，u l t r a s o n i cf l o w - m e t e ri sa p p l i e dt ot h ep r o d u c t sa sa n e wk i n do ff l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y w i t ht h ec u r r e n ts o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) t e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n c e d u l t r a s o n i cf l o wm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dak i n d o fu l t r a s o n i cf l o w m e t e rb a s e do ns o p ct e c h n o l o g ya n dc r o s s - r o a dt r a n s i tt i m ed i f f e r e n c e m e t h o d ，w i t haf l o wr a t em e a s u r e m e n tf r o m5m ? ht o3 5 0m h ，t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yu p t o 2 a n dt h er e p e a t a b i l i t yu pt o1 n ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ef l o w m e t e ri nt h i sp a p e rh a st h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ： t h es o p ct e c h n o l o g yi sa d o p t e dt oi m p l e m e n tt h es y n e r g yo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g nw h i c hn o to n l ym a x i m i z e st h eu t i l i z a t i o no fc u r r e n ti pi ns y s t e md e s i g np r o c e s s ，b u t a l s od e s i g n saf u n c t i o n a li pf o rt h es y s t e mt oa c h i e v es u c c e s s f u lc o m m u n i c a t i o nv i ab u s t h u s t h er e l i a b i l i t yo ft h ec i r c u i ti si m p r o v e da sar e s u l to ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n s i m p l i f i c a t i o na n d t h ee x t e r n a li n t e r f e r e n c er e d u c t i o n 田l es e n d a n d r e c e i v ec i r c u i tw h i c hc a nw e l lm a t c hl a u n c h i sa l s oa d o p t e dt oi m p r o v e t h ec i r c u i tp e r f o r m a n c e a n dt h ed y n a m i cr a n g eo ft h ea m p l i f i e re x p a n d sb yw e l l - d e s i g n e d p r o g r a m c o n t r o l l e da m p l i f i e rc i r c u i t t h en o i s ei n t e r f e r e n c ei sr e d u c e db yt h em e a n so f b a n d p a s sf i l t e r i n g , t h r e s h o l dc o m p a r i s o n ，h i g h s p e e dd a t ac o l l e c t i o n a n dc o r r e s p o n d i n g d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 1 1 1 es y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e dw i t ht h eh e l po f t h es o f t w a r ew h i c hc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ec o r r e c t i o nc o e f 丘c i e n to ff l o wv e l o c i t y n ew i n d o w r e c e i v i n g - d e l a yt e c h n o l o g yi se m p l o y e dt or e d u c et h ei m p a c to ft h e i n t e r f e r e n c ep u l s eo nm e a s u r e m e n tr e s u l l 皿es y s t e ms t a b i l i t yi si m p r o v e db yp u l s ew i d t h d e t e c t i o nc i r c u i tt o i d e n t i f y r e c e i v es i g n a l s t h j sp a p e rd e v e l o p st h ep r o g r a mf o r c o m m u n i c a t i o nw i t hp ci nv c + + l a n g u a g et om o n i t o rt h em e t e r o n s i t et e s t ss h o w e dt h a tt h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mi ss t a b l ea n dt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yr a n g ei su pt o2 ，a n dl a y sag o o df o u n d a t i o ni nd e v e l o p i n gt h ep r a c t i c a l ， h i g h p e r f o r m a n c eu l t r a s o n i cf l o w - m e t e ri nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：s o p c ：c r o s s r o a d ：u l t r a s o n i ch o w - m e t e r ；t r a n s i tt i m e 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阕。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文 作者签名 导师签名 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垄童鱼臣鱼耋越纽盘划 作者签名：垂丝苤日期：三塑年巨月j l 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 超声波流量计概述 超声波与一般声波相比，它的振动频率高，波长短，具有束射特性，可以定向传播， 具有很高的穿透能力。超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束的信号 调制作用，并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表【1 1 。 超声波流量计研究已经有近8 0 年的历史。早在1 9 2 8 年，一位德国科学家就已将超 声波信号用于天然气流量测量，并获得这一技术的首项专利【2 1 。到上世纪7 0 年代中后期， 随着大规模集成电路技术的飞速发展，再加上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，给出了管道内流体层流状态与絮流状态流速分布规 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基础1 3 】。此后，随着电子技术的发展，特别是单片机技术在 超声波流量计的应用，使超声波流量计开始真正进入工业测量领域。 与其它流量计相比，超声波流量计具有量程比宽，无压损等优点，解决了大管径、 大流量及各种明渠、暗渠测量的问题。对介质几乎没有要求，可以测量液体、气体甚至 双相介质的流体的流量，使用方便，易于数字化管理，是非接触仪表，没有压力损失， 所以不会破坏流体的流场，同时解决其它流量计难以解决的强腐蚀性、非导电性、放射 性的流量测量的问题【4 j 。超声波流量计与其它的流量计的对比如表1 1 所示。 表1 1 流量计性能对比 t a b 1 1d i f f e r e n c ea m o n gs e v e r a lf l o wm e t e r s 基于s o p c 的超声波流量计的研制 如表1 1 所示，超声波流量计具有传统流量计无法比拟的优势，目前超声波流量计 的优点已逐渐被人们所认识，应用场所也在不断扩大。我国举世瞩目的西气东输工程已 将超声波气体流量计作为天然气管道流量检测的主要仪表，前景将更加美好【5 1 。 目前，国外针对超声波气体流量计展开的研究工作主要集中在美国、加拿大、荷兰 等国家、主要的研究机构包括美国的西南研究所、d a n n i e l 公司、c o n t r o l o t r o n 公司、德 国的e l s t e r ，k e r h n e 公司，荷兰的l n s t r o m e t 公司( 已经与e l s t e r 公司合并) 等。我国的超 声波流量计研究工作虽然起步较晚，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开始批量生产并投入使用，目前，国内超声波流量计的主 要生产厂家包括上海自动化仪表有限公司、唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术 有限公司、大连索尼卡电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等【6 j 。 1 2 超声波流量计的种类和区别 ( 1 ) 根据超声波流量计的使用场合不同，可以分为固定式超声波流量计和便携式超 声波流量计，其主要区别在于： 使用场合不同 固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置，对某一特定管道内流体的流量进行 长期不间断的计量；便携式超声波流量计具有很大的机动性，主要用于对不同管道的流 体流量作临时性测量。 供电方式不同 固定式超声波流量计要求能长期连续运行，所以要使用2 2 0 v 交流电源：便携式超声 波流量计既可以使用现场的交流电源，也备有内置充电电池，可以连续工作5 1 0 h ，大 大方便了不同场合临时性流量测量的要求。 部分功能不同 固定式超声波流量计，通常都有4 - 2 0 m a 的信号输出等功能，供远传显示使用，但 其内部只能存贮一条管道的参数；便携式超声波流量计测量短时间内的累积流量，故一 般无输出信号功能，但为了方便测量不同管道参数，它具有丰富的贮存功能，可以同时 存贮十条不同管道的参数，供随时调出使用【7 1 。 ( 劲按超声波流量计换能器供电方式不同，可分为外贴式、插入式、管段式三种。 外贴式 外贴式超声波流量计是生产最早、用户最熟悉、且应用最广泛的超声波流量计，安 装换能器无需管道断流，即贴即用，它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的 特点。 大连理工大学硕士学位论文 管段式 某些管道因材质疏、导声不良，或者腐蚀严重，衬里和管道内有间隙等原因，导致 超声波信号衰减严重，用外贴式超声波流量计无法正常测量，所以产生了管段式超声波 流量计。 管段式超声波流量计把换能器和测量管组成一体，解决了外贴式流量计在测量中的 一个难题。而且测量精度也比其它超声波流量计要高；但同时也牺牲了外贴式超声波流 量计不断流安装这一优点，要求切开管道安装换能器，所以安装麻烦。 插入式 插入式超声波流量计在安装上可以不断流，利用专门工具在有水的管道上打孔，把 换能器插入管道内，完成安装。由于换能器在管道内，其信号的发射、接收只经过被测 介质，而不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管衬材料限n t m 。 1 3 超声波流量计的实现方法 根据超声测量原理，超声波流量计一般采用时差法、相关法或者多普勒法等多种方 法加以实现。其中时差法和多普勒法较为成熟，应用较纠9 1 。 1 3 1 传播速度差法 传播速度差法( 包括直接时差法、时差法、相位差法、频差法) 的基本原理是通过 测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，其中频差法和时差法克 服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。而直接时差法虽 最早应用于超声波流量计，但由于此法受温度影响较大，因此在发展方向上只有降低温 度对测量精度的影响，才能被广泛的应用。至于相位差法，是将时间差转换为相位进行 测量的方法【1 0 l 。关于时差法将在论文的第二章进行详细的讨论。 1 3 2 相关法 相关法利用互相关计算获得信号的间隔测量流体流量。当流体在管道内流动时，可 以看作沿管道以相干方式运动的湍流模式，任意两点八b 记录的信号x c t ) 、y c t ) 满足相 关函数： r 知p ) ；t i m 卜( f ) y o + f ( 1 1 ) 一+ ) d t 如果有湍流扰动，在ab 两点产生幅度和相位相同的信号，那么当f 等于a 、b 两 点间的扰动平均传播时间时， ) 将出现最大值，设f m 是对应于瓯p ) 峰值的f 值， 则流体流速满足： 基于s o p c 的超声波流量计的研制 ，。j l ( 1 2 ) ，一一 ki z ， 了_ 相关法测量流量属于非接触式测量方法，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，可以确定时间位移fm ，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口径、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 1 】。 1 3 3 多普勒法 多普勒效应是指因波源与观测者的相对运动，使观测者感觉到声波频率有所变化的 现象。而超声波换能器为固定声源，随流体运动的固体颗粒起到了与声源相对运动的“观 测者 的作用，超声波遇到固体颗粒将反射回换能器，接收到的声波频率与发射源的声 波频率的差值称为多普勒频移。多普勒法就是利用流体中的散射体对超声波的多普勒频 移现象测量声速的【1 2 1 。如图1 所示，换能器1 发射频率为正的超声波信号，经过管道内 液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以厶的频率反射到换能器2 ，这就是多普 勒效应，兵与厶之差即为多普勒频差j c f 。 设流体流速为n 超声波声速为c ，则发射超声波信号的多普勒频移为： 厶疋一f x ，2 f ls i n 0 矿 ( 1 3 ) c 当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c ，五和8 即为常数， 流体流速和多普勒频移成正比，通过测量频移就可以得到流体流速，进而求得流体流量。 换能器1 。 矿7 i 换能器2i il 图1 1 多普勒效应测量模型 f i g 1 1 t h em o d e lo fd o p p l e rm e a s u r e m e n t 大连理工大学硕士学位论文 由多普勒法的测量原理可见，多普勒式超声波流量计只能用于测量含有适量的能反 射超声波信号的颗粒或起泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的工 厂过程液等。它对被测介质要求比较苛刻，而且不同厂家生产的仪表性能及对被测厂家 的要求也不一样，因此在工业计量测试领域应用不是十分广泛，仅在含泥沙的河水、下 水、排水等含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，值得重视和研列1 3 l 。 1 4 论文研究内容及主要创新点 本论文的研究内容就是研制一种基于s o p c 的高精度，高可靠性的气体超声波流量 计。通过对国内外气体超声波流量计的发展及现状分析，并结合现有的s o p c 技术的灵 活、高效、设计可重用等特性，我们认为有必要进行基于s o p c 的气体超声波流量计方 面的研究，现将其主要技术指标列举如下： ( 1 ) 适用气体：天然气； ( 2 ) 电源：5 8 v d c ： ( 3 ) 声道：2 ； ( 4 ) 测量管径：d n 5 0 d n 8 0 ： 测量流速范围( m 3 h ) ：5 - 3 5 0 ； ( 6 ) 测量精度( ) ：2 ； 量程比：1 ：7 0 ； ( 8 ) 重复性：1 1 ( 9 ) 数据接i ；3 ：r s 2 3 2 ； ( 1 0 ) 显示方式：背光液品模块显示，同时采用键盘方式进行仪器调整。同时可通过 r s 2 3 2 与上位机通讯，在上位机进行实时显示和控制。 本论文的主要创新点如下： ( 1 ) 改变传统的超声波流量计的电路设计中使用分立器件组成的硬件电路结构，充 分利用f p g a 的内部资源进行整合，采用s o p c 技术的口复用、软硬件协同设计、自 顶向下的方法，这将大大减少外围电路，达到简化电路设计的目的。 ( 2 ) 改变传统的超声波流量计的设计方式，采用边设计、边调试、边验证的方式进 行系统设计，大大缩短产品的开发周期，减少开发成本。 ( 3 ) 由于采用口复用技术，使大量的硬件软件化，从而保证在不需要重新设计电路 的基础上进行仪表的修改和程序的升级，延长了超声波流量计的使用寿命。 基于s o p c 的超声波流量计的研制 ( 4 ) 充分采用内部电路设计，大大减少y j , i 、部的干扰，能够更精确的测量数据，达 到提高系统稳定性和可靠性的目的。 ( 5 ) 改进时差法超声波测量技术，采用交叉声路测量，使得超声波流量计安装在流 体流向不平行于管壁或渠壁的条件下，也能进行稳定和精确的测量，简化了超声波流量 计的安装要求和安装条件，方便实用。 ( 6 ) 采用数字信号处理技术，易于数字化管理，可以适时传输计量信号，便于适时 监控，适合工业生产的适时监测。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 s o p c 技术原理及开发简介 2 1f p g a 技术 2 1 1 f p g a 概述 f p g a 是现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的简称，它是在n 也， g a l 等可编程逻辑器件的基础上进一步发展起来的。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既能解决了定制电路的不足，又克服了原有的可编 程器件门电路数有限的缺点。 同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块 通用i c 芯片。这样f p g a 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子 工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，f p g a 已经成为当今数字 系统设计的主要硬件平台。其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而 完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变p c b 电路 板，只需在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统 设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本。 随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多i c 制造厂家涉足f p g a 领域。最为出 色的主要有x i l i n x 和a l t e r a 两大生产厂商，它们开发较早，占据了较大的市场，通常来 说，在欧洲用x i l i n x 的人多，在日本和亚太地区用a l t e r a 的人多，在美国则是平分秋色。 全球f p g a 产品6 0 以上是由x i l i n x 和a l t e r a 提供的。可以讲x i l i n x 和a l t e r a 共同决定 了f p g a 技术的发展方向。 2 1 2f p g a 结构与原理 x i l h = 公司的s p a _ r t 柚系列f p g a 采用了查找表l u t ( l o o k u p t a b l e ) 结构，内部 主要包括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l elo g i cb l o c k ，c l b ) 、输入输出模块l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ，i o b ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。 其中，c l b 模块用于实现f p g a 的大部分逻辑功能，i o b 模块用于提供封装引出端 与内部逻辑之间的接口，内部连线用于f p g a 逻辑资源的互连，b l o c k r a m 用于实现 f p g a 内部数据的随机存取，d l l 用于f p g a 内部的时钟控制和管理。 整个f p g a 内部由逻辑功能块排成阵列，并由可编程互连资源连接这些逻辑功能块 来实现不同的设计，其内部结构如图2 1 所示。 基丁s o p c 的超卢渡流量汁的研制 墓蚕l ttt li 吁 1 2i r r r r 盆8 _ - 冒 c l b 一 1 _ 。一 1 - r 吞 吾 图21 f p g a 内部结构 f i g2 1 i n t e m a ls 廿i l c t u l c f o r f p g a ( 1 ) 可编程逻辑块c l b 可编程逻辑块( c l b ) 是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则的排列成一个阵 列，散布丁整个芯片，其内部结构如图2 2 所示： 吲22c l b 基卓结构框h f i g2 , 2 c l bb a s i cs u c 【u md i a g r a m 大连理工大学硕士学位论文 c l b 是f p g a 的主要组成部分，也是评估f p g a 性能的一个主要参数。它主要由 逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路构成。通过对c l b 内部的数据选择器编 程，逻辑函数发生器的输出可以连接到c l b 内部触发器，或者直接连到c l b 输出端， 并用来选择触发器激励输入信号、时钟有效沿、时钟使能信号，以及输出信号。这些数 据选择器的地址控制信号均由编程信息提供，从而实现所需的电路结构。 ( 2 ) 输入输出模块i o b 输入输出模块( i o b ) 提供了f p g a 的器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，内部 包含有：可编程延时( p r o g r a m m a b l ed e l a y ) 、可编程输出缓冲器( p r o g r a m m a b l eo u t p u t b u f f e r ) 、可编程输入缓冲器( p r o g r a m m a b l ei n p u tb u f f e rp r o g r a m m a b l e ) 、偏置和e s d 网络( b i a s & e s dn e t w o r k ) 、内部基准( i n t e r n a lr e f e r e n c e ) 、到下一个i o 的连接( t o n e x ti o ) 、到另一个b a n kv r e f 到输入端的连接( t oo t h e re x t e m a lv r e fi n p u t so db a n k ) ， o 等输入输出直接连接到封装引出端。 在i o b 模块中，三个内部寄存器共享一个时钟信号( c l k ) 和置位复位信号( s r ) ， 具有独立的使能信号o c e 、t c e 和i c e ，可以实现d 触发器和锁存器功能。其主要结 构如图2 - 3 所示。 每个i o b 控制一个引脚，他们可被配置为输入、输出、三态或者双向i o 功能。当 i o b 控制的引脚被定义为输入时，通过该引脚的输入信号先送入输入缓冲器。缓冲器的 输出分成两路：一路可以直接送到m u x ；另一路经过几a s ( 或者不延时) 送到输入通 路d 触发器，再送到数据选择器。通过编程给数据选择器不同的控制信息，确定送至 c l b 的信号是来自输入缓冲器，还是来自触发器。 通过配置i o b 模块中的输入缓冲器，可以支持s p a r t a n 系列产品的所有输入接口信 号标准。大多数情况下，输出信号的高电平取决于接口电压v c c o 。i o 引出端分布在不 同的b a n k 中，同一个b a n k 的v c c o 电压必须保持一致，不同的b a n k 的v c c o 电压允许 不同。但是，在p q 2 0 8 封装中，所有的b a n k 的v c c o 电压必须保持一致。 当i o b 控制的引脚被定义为输出时，c l b 阵列的输出信号o u t 也可以有两条传输 途径：一条是直接经m u x 送至输出缓冲器；另一条是先存入输出通路d 触发器，再送 至输出缓冲器。 l o b 输出端配有两只m o s 管，他们的栅极均可编程，使m o s 管导通或截止，分 别经上拉电阻或者下拉电阻接通v c c o 、地线或者不接通，用以改善输出波形和负载能力 【l4 1 。 基于s o p c 的超声波流量计的研制 图2 31 0 b 基本结构 f i g 2 3 b a s i cs t r u c t u r eo fl o b l o 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 可编程互连资源i r 可编程互连资源( 瓜) 可以将f p g a 内部的c l b 和c l b 之间、c l b 和i o b 之间 以及i o b 、c l b 的输入和输出连接到逻辑网络上，构成各种具有复杂功能的系统。块间 互连资源由两层金属线段构成。开关晶体管形成了可编程互连点和开关矩阵s m ，以便 实现金属线段和块引脚的连接。 瓜主要由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各 种电路的连接。 片内连线按相对长度分单长度线、双长度线和长线三种。 单长度线连接结构如图2 4 所示。c l b 输入和输出分别接至相邻的单长度线，进而 可与开关矩阵相连。通过编程，可控制开关矩阵将某个c l b 与其他的c l b 或l o b 连在 一起。 图2 4 单长度线 f i g 2 4s i n g l e l e n g t hl i n e 双长度线连接结构如图2 5 所示。双长度金属线段的长度是单长度金属线段的两倍， 要穿过两个c l b 之后，这些金属线段才与可编程的开关矩阵相连。因此，通用双长度 线可使两个相隔( 非相邻) 的c l b 连接起来。 图2 5 双长度线 f i g 2 5d o u b l e l e n g t hl i n e s 长线连接结构如图2 6 所示。由长线网构成的金属网络，布满了阵列的全部长宽， 每条长线中间有可编程分离开关，使长线分成两条独立的连线通路，每条连线只有阵列 的宽度或者高度的一半。c l b 的输入可以由邻近的任一长线驱动，输出可以通过三态缓 冲器驱动长线。 基于s o p c 的超声波流量计的研制 图2 6 长线 f i g 2 6b n g l i n e s 单长度线和双长度线提供了相邻c l b 之间的快速互连和复杂互连的灵活性，但传 输信号每通过一个可编程开关矩阵，就增加一次延时。因此，f p g a 内部延时与器件结 构和逻辑布线有关，它的信号传输延时不可确定。长线不经过可编程开关矩阵，信号延 迟时间小。长线用于高扇出、关键信号的传播【1 5 1 。 f p g a 的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配置数据存放在片内的 s r a m 或者熔丝图上。其中基于s r a m 工艺的典型的f p g a 器件，在工作前需要从芯 片外部加载配置数据，配置数据可以存储在片外的e p r o m 或者其他存储体上。用户可 以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场编程。 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，f p g a 芯片将外部 存储器中的数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态。掉电后， f p o a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无 需专用的f p g a 编程器，只需用通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需要换一片e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ，不同的编程器，可以产生 不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活【1 6 1 。 2 1 3f p 6 a 器件的选择 在选择哪一款f p g a 芯片作为开发器件时，需要考虑以下技术因素：门密度、内存 容量、最大时钟频率、工作电压、器件功耗、最大 o 引脚数、封装形式等。另外，还 需考虑器件价格、技术支持、产品应用场合等市场因素。 本文选用的是x i l i n x 公司生产的s p a r t a n 3 e 系列f p g a 芯片中的x c 3 s 5 0 0 e ，封装 形式为p q 2 0 8 。它的 o 利用内线i o 环研制，支持1 8 类不同的单端与差分i o 标准， 而本系统选用的p q 2 0 8 封装形式的芯片，含有高达1 5 8 个i o 口，完全满足系统的需要。 大连理1 大学硕士学位论文 而它的fj 密度达到5 0 万门，经综合评估后，资源利用率可达7 6 左右，即留肯一定的 余量又合理利用了f p g a 的内部资源。其内部结构如图27 所示。 s p a r t a n 一3 e 系列f p g a - 片适合于对容量需求较小的系统，主要应用于对成本敏感 的领域。s p a r t a n 一3 e 系列f p g a 芯片具有强大的d c m 系统，x c 3 s 5 0 0 e 中含有四个d c m ， 町以使用户减少对外部时钟器件的需求，可以划分更多的时钟域，建立更多的源同步i o 路径。s p a r t a n 一3 e 系列f p g a 芯片的d c m 提供了很宽的频率范围，町以灵活的支持5 m l - l z 到3 0 0 m h z 的时钟，满足系统的需要。 它的电源工作电压可以分别采用内核电压k = 12 v ，辅助电源p l 删= 25 v ， 屹c o ：- 25 v ，外围输入，输出电压k 剐：33 v ，k 呻。- 33 v ，k c 。，= 33 v ，符合系统 设计的要求。 日 ： ：、 ： l 二_ 7 。二 2 、 b l o c k r a m m u l t a p l i “ 翻27 s p a r t a n3 e 型f p g a 结构 f i g2 7 f p g as i d l c l u r eo f s p a r t a n 一3 e s p a r t a n 一3 e 系列f p g a 芯片去除了部分支持高端应用的资源，极大的削减了成= 辛= 使得s p a r t a n 一3 e 系列f p g a 芯片成为单位逻辑最便宜的f p g a 。 日目曰目目日日曰日曰词 基于s o p c 的超声波流量计的研制 2 2 s o p c 技术 2 2 1s o p c 技术概述 概括而言，可编程片上系统( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 是一种特殊的 嵌入式系统：首先它是一个片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) ，即由单个芯片就可以 完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是以f p g a 为基础的可编程系统，具有灵活的 设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可编程等功能，是随着集成 电路产业的飞速发展而产生的新技术。 s o p c 结合了s o c 和f p g a 各自的优点，一般具备以下基本特征： ( 1 ) 至少包含一个嵌入式处理器内核； ( 2 ) 具有小容量的片内高速r a m 资源； ( 3 ) 丰富的i pc o r e 资源可供选； ( 4 ) 足够的片上可编程逻辑资源； ( 5 ) 处理器调试接口和f p g a 编程接口； ( 6 ) 可能包含部分可编程模拟电路； 单芯片、低功耗、微封装。 s o p c 设计技术实际上涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实 时多任务操作系统( r t o s ) 为中心的软件设计技术和以p c b 和信号完整性分析为基础 的高速电路设计技术外，s o p c 还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协同设计技术。使 得设计者可以从系统功能描述开始，将软硬件完成的功能作全盘考虑并均衡，设计出不 同的软硬件体系结构并进行评估，最终找到较理想的目标系统的软硬件体系结构，然后 使用软硬件划分理论进行软硬件划分并设计实现。 在具体的设计实现时，s o p c 技术始终保持软件设计和硬件设计的并行进行，并提 供两者互相通信的支持。在设计后期可以对整个系统进行验证，最终设计出满足条件限 制的目标系统。以f p g a 为基础的s o p c 的软硬件协同设计，为系统设计实现提供了更 为广阔自由的空间1 1 7 1 。 2 2 2s o p c 开发流程 一个完整的s o p c 的设计开发流程包括硬件设计与调试，软件设计与调试，以及仿 真等步骤，各步骤相辅相成，又各自独立，各步骤的关系如图2 8 所示，针对不同的设 计和熟悉程度，用户可以选择需要进行的步骤。 大连理工大学硕士学位论文 仿真流程 l 硬件设计流程i 软件设计流程 定制 一创建硬件平台i - i 设置软件属性 核h 设置工程特性 设置编译和 生成b s p i 生成仿真文件“r 连接属性 和库文件 i 生成硬件流文件l l 00 + 使用 使用i 下载硬件流文件l 生成可执行生成操作 i 软件代码 系统内核 b f r o m o d e l s i m 仿真 仿真 使用 使用 i c h i p s c o p c x m d 调试 工具调试 图2 8s o p c 开发流程框图 f i g 2 8 s o p cd e v e l o p m e n tp r o c e s sd i a g r a m ( 1 ) 创建硬件平台：这是设计的第一步，e d k 工具提供了b s bw i z a r d 帮助用户较 快的构建硬件平台。 ( 2 ) 定制口核：用户自主设计符合需求的专用外设。 ( 3 ) 设置工程属性：设置不同硬件模块之间的连接关系，以及外部端口的特性。 ( 4 ) 生成硬件流文件：生成网表和比特流文件，这个步骤类似于传统f p g a 设计的 综合、布局布线、生成编程文件这三个操作。 一 ( 5 ) 下载硬件流文件：使用j t a g 编程电缆或者编程器烧录f p g a 。 ( 6 ) 使用c h i p s c o p e 调试，使用j t a g 编程电缆在线调试f p g a 内部逻辑。 生成仿真文件：生成仿真用的相关文件，可选择行为级、结构级、时序级仿真 方式。 ( 8 ) 使用b f m s i m u l a t i o n 仿真：支持b f ms i m u l a t i o n 仿真模式，需要额外的软件包。 ( 9 ) 使用m o d c l s i m 仿真：类似于传统的f p g a 的仿真方式。 ( 1 0 ) 设置软件属性：使用e d k 工具确定软件的操作系统、库、外设驱动等属性。 ( 1 1 ) 设置编译和连接属性：针对每个应用软件工程，设置编译器、优化级别、使用 的连接文件等信息。 ( 1 2 ) 生成可执行软件代码，编译并生成e l f 格式的可执行代码。 ( 1 3 ) 生成b s p 和库文件：当需要第三方操作系统支持时，通过x i l i n x 驱动和库文 件生成目标操作系统可识别的b s p 和库文件。 基于s o p c 的超声波流量计的研制 ( 1 4 ) 生成操作系统内核：一般在躁标操作系统提供的交叉编译环境中完成。 ( 1 5 ) 使用x m d2 1 2 具调试：通过j t a g 编程电缆在线调试，下载可执行软件代码， 控制执行，并监控相关信息【堋。 2 2 3s o p c 开发环境简介 为方便用户开发基于) ( i 融公司的f p g a 产品，x i l i n x 公司在推出f p g a 的集成开 发软件i s e ( ( i n t e g r a t e ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t ) 的基础上，又推出了开发m i c r o b l a z e3 2 位微处理器内核和p o w e r 4 0 5 硬核的相应的集成开发环境e d k ( e m b e d e dd e v e l o p m e n t k i t ) ，两者结合共同组成了功麓强大的s o p c 开发套件，这一开发套件使用灵活方便， 带有丰富的职资源，既可以进行用户所需的婵模块的设计，又可以进行m i c r o b l a z e 软 核稠p o w e r p c 硬核嵌入式微处理器的开发，是冒莆性能比较优异的嵌入式徽处理器开发 工具。 e d k 嵌入式系统工具组成如下： ( 1 ) x i l i n xp l a t f o r ms t u d i ( x