基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要近年来，汽车工业有了突飞猛进的发展，由于全球高新技术的日新月异以及人们对环境保护与节约能源的更加关注，各种油耗检测仪器应运而生，但是其中大部分为解体式油耗检测技术下的燃油消耗检测仪器，主要为容积法和质量法。由于此种检测设备的结构复杂，特别是在我国颁布的第一个关于乘用车燃料消耗量限制值的标准，使得汽车油耗检测的需求更加迫切，不解体油耗分析系统的开发研究是交通部重大科技攻关项目，此项目包括从方案确定、硬件设计、信号处理到软件编程等很多内容，本论文的目的就是设计一套不解体燃油消耗检测仪器-汽车超声波油耗仪。汽车超声波油耗仪是一种利用超声波流量计技术测量燃油流量并通过计算电路得到燃油消耗情况的一种新型的燃油消耗检测仪器。超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点，广泛应用于液体和气体的计量。关键词：超声波换能器；流量；模块；FPGA；串行通讯；IABSTRACTIn recent years, Automobile industry has been developing by leaps and bounds, due to the global high-tech is changing and people to the environmental protection and energy saving more attention, all kinds of fuel consumption testing instrument is made, but mostly disintegrated type of fuel detection technology fuel consumption testing instrument, mainly for volumetric method and quality standard. Because this test equipment of structure is complex, especially in the first China promulgated on passenger cars fuel consumption of standard, make cars limit consumption detection more urgent demand, not the disintegration of fuel consumption analysis system development research ministry of science research project is significant. The project including from plan, hardware design, signal processing to software programming and many other topics, the aim of this paper is to design a set of non-dismatiement testing instruments fuel consumption based on ultrasonic technology - the fuel consumption testing instruments.Based on the fuel consumption under ultrasonic technology testing instrument is a use of ultrasonic flowmeter measurement fuel flow and technology through calculation of fuel consumption circuit get a new type of fuel consumption testing instruments.Ultrasonic flowmeter is not disturbed flow field, no moving parts, without pressure loss, high accuracy, stable and reliable performance, wide measuring range and other characteristics, widely used in liquid and gas measurementKeywords： Ultrasonic Transducer; Flow ; Module; FPGA;Serial Expert;II目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究目的11.2 课题研究意义11.3 国内外课题研究现状21.4 主要研究内容3第2章 汽车超声波油耗仪的总体方案设计42.1 汽车油耗仪器测量方法的确定42.2 汽车超声波油耗仪结构方案确定62.3 本章小结8第3章 汽车超声波油耗仪数学模型建立93.1 时差法测试机理93.2 主要影响因素分析与修正103.3 本章小结15第4章 汽车超声波油耗仪硬件部分设计164.1 微控制器模块164.1.1 单片机的选择164.1.2 FPGA的芯片选择174.2 超声波换能器的选择204.3 超声波发射模块214.4 超声波接收及后续处理模块224.4.1 接收及放大电路224.4.2 滤波电路234.4.3 采样选通部分244.4.4 发射/接收切换电路254.5 实时时钟、看门狗及数据存储模块254.6 液晶显示模块264.7 键盘模块284.8 打印模块304.9 通讯模块314.10 电源模块324.11 本章小结33第5章 汽车超声波油耗仪软件系统的设计345.1 系统软件整体结构及功能345.2 主要功能模块的设计345.2.1 系统主程序模块345.2.2 中断服务程序模块355.2.4 数据存储模块395.2.5 显示模块395.2.6 按键的去抖功能的程序流程图设计415.3 本章小结42第6章 汽车超声波油耗仪机械部分设计436.1 壳体材料的选择436.2 外型尺寸的确定436.3 控制面板的设计446.4 数据线接口的设计456.5 油耗仪器内部结构设计466.6 超声波换能器装夹结构设计476.7 本章小结48结论49参考文献50致谢52黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章 绪 论1.1 课题研究目的综合运用所学知识，设计汽车油耗仪。通过正确使用设计手册、运用行业技术标准、进行相关技术资料查阅等，掌握汽车油耗仪的设计方法，达到综合训练的目的。可综合运用汽车构造、汽车理论、汽车设计、机械设计、汽车制造工艺学等课程知识，将理论与实际相结合，通过毕业设计可与工程实践接触，学会从工程一线的角度出发，合理选择汽车油耗检测方法，制定汽车油耗仪总体设计方案，正确分析、计算与校核，并考虑制造工艺、经济性、使用与维修、技术标准规范、环境等因素，突出非技术指标能力和解决复杂工程问题能力的培养。1.2课题研究意义我国经济持续快速发展，对石油资源需求激增，能源供需矛盾日益突出。中国石油集团经济技术研究院发布2017年国内外油气行业发展报告称，2017年中国石油消费增速回升，全年原油消费量为6.10亿吨，国内原产油量却连年下降。中国是汽车大国，截止到2018年，我国汽车保有量已经达到近三亿九千万辆。车用燃油是我国燃油消耗的主体，由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的55%，油价的不断上涨使人们更加关注汽车油耗问题，汽车油耗，是评价汽车经济性能、综合性价比的最重要指标，也是评价汽车节能减排效果的最重要指标。特别是在公交、货运、客运、工程机械等行业，燃料成本已占到了整个运营成本的70%以上。因此，精确地测定汽车燃油消耗，对于企业成本控制、对于驾驶员操作技能提高具有重要意义；厂家公布的油耗与实际差距很大，为此我国陆续出台了乘用车燃料消耗量限值等多项指标，以加快汽车节能管理体系的建立和完善，因此需要更专业的检测机构和更科学合理的油耗检测仪器，提供更权威的汽车油耗检测数据，汽车油耗关系环保节能及汽车前沿技术的发展和应用。因此，研究汽车超声波油耗仪检测技术具有重要意义。研究车辆超声波油耗检测仪，提高油耗检测精度，扩大仪器测量范围，是实现油耗仪产品更新换代的要求，也是科学技术日益发展的需要，基于超声波技术的汽车油耗检测仪器能精确检测汽车油耗，可以对汽车的燃油经济性有一个正确的评价和预测；对营运车辆油耗检测评价，也可为其维护、维修提供依据。11.3国内外课题研究现状1、国外研究现状：目前，燃油消耗的测量方法主要分为两大类:直接测量法和间接测量法。直接测量法，即通过拆开发动机油路接入流量测量仪器，直接测得燃油消耗量，主要有容积法，质量法等。这类方法测量的精度虽然较高，但操作复杂、费时，破坏了车辆的原有油路结构；间接测量法即不解体测量法，包括碳平衡法、超声波法、电喷测量法、空燃比测量法、放射性跟踪试验方法等。这类方法不需要拆解被测车辆，符合未来汽车不解体检测的发展趋势，还可以和汽车排放检测相结合，但测量精度相对较低。国外汽车工业发达国家, 较重视环保与节能。其车辆油耗检测技术较先进,投入的人力和财力也较多, 并大量采用了传感技术和微电脑技术, 正在大力研发智能型油耗检测装置,其功能、测试项目、精度、显示方式都在不断发展与完善之中 ,成本逐渐趋向合理。 美国、日本等发达国家在70年代中期就对基于碳平衡法理论的汽车油耗检测系统进行了大量的研究,并取得了一些成果及试验数据,结果表明, 该方法测汽车油耗完全可行,并且可以在检测汽车尾气排放的同时进行,但该检测系统设备庞大、复杂 ,而且无法实现快速检测。采用这种检测系统进行油耗量检测仅局限于实验室中,难以在实际中广泛应用。 日本小野公司的FP-214型活塞式流量传感器,最低采样时间为0.1s, 最小油量分辨率为1mL, 传感器量程为0.3120L/h;美国Pierburg仪器公司的流量计为涡轮流量仪的改进型, 流量范围可从1L/ h起 ,响应时间为200ms, 精度可达0.1%;奥地利的AVL公司研制的台架试验中发动机燃油耗的精确测量仪,在油量25g时精度较高, 台架试验测量范围为0150kg/h,尽管该油耗仪可进行动态测试,但仍是静态燃油测量秤的改进 ,动态响应时间大于200ms。 2、国内课题研究现状国内技术落后，对汽车燃油经济性的检测重视较晚，到1991年10月1日交通部才颁布颁布实施涉及车辆燃油消耗检测的法规汽车运输业综合性能检测站管理办法, 规定采用的测量方法为容积法和重量法。1995年，朱维真等首创了对容积式油耗仪的标定方法，使校检误差达到0.09%以内；2007年，徐东以容积法测量燃油消耗量的原理为理论基础，研发了一种浮球式发动机油耗仪；2008年，刘军等基于碳平衡法测油耗的原理，采用锥形流量计，建立了汽车油耗测量模型及测量系统；2012年，付百学等对超声波检测技术进行改良优化，基于时差法超声波流量测试原理，结合单片机控制技术，构建了汽车油耗测试数学计算模型；2013年，黄展华等研发了一款无需流量计传感器的新型容积式油耗仪；2014年，付百学等基于发动机喷油器喷油控制原理，结合单片机控制技术，设计油耗测试样机，通过对喷油器的特性在不同转速下的参数进行修正，减小因发动机转速过大对喷油器特性参数的影响，油耗测试样机的相对误差可达0.46%以内。我国汽车保有量迅速增长，控制汽车油耗，不仅是能源问题，也是环境问题。间接测试汽车油耗以碳平衡法为主，测试精度高，但测试设备昂贵，体积大，无法移动，对测试环境要求较高，取样口需要与排气管密封连接，应用受限；直接测试汽车油耗是通过计量一定里程或时间内汽车消耗的燃油体积或质量得到汽车油耗，需拆开发动机油路接入油耗仪，使用不便，历时较长，且存在安全隐患，影响油耗测试精度。研发汽车超声波油耗仪器，实现汽车不解体油耗测试，以解决国内汽车油耗测试仪器测试存在的问题，对于节能减排，推动汽车技术发展，具有重要意义。1.4 主要研究内容（1）介绍基于超声波技术的汽车油耗检测技术理论；分析汽车油耗不同检测方法的特点；设计本次油耗仪的结构；（2）确定基于超声波技术的汽车油耗检测的控制原理；设计建立汽车油耗检测的数学模型；（3）涉及汽车油耗检测仪器的总体结构和选择硬件设备，并进行系统控制电路设计；（4）根据一起功能要求和油耗检测数学模型等进行软件系统流程设计，编写控制程序流程图。 第2章汽车超声波油耗仪的总体方案设计2.1汽车油耗仪器测量方法的确定汽车油耗测量主要采用直接测量法和间接测量法。汽车油耗直接测量法计量一定里程或时间内，汽车消耗的燃油质量或体积计算汽车油耗，有容积法和失重法；汽车油耗间接测量方法有碳平衡法，燃油喷射量累积法和超声波法等。 1、直接测量法（1）容积法 组成：主要由流量传感器、单片机、显示器、打印机和控制面板等组成。原理：在电子燃油喷射发动机的进油路、回油路上各安装一个流量传感器，进行进油路、回油路的燃油流量测量，测量信号送入单片机进行处理，得到进油路、回油路的燃油流量差值，累计得到实际燃油消耗量。特点：容积法测量油耗精度较高，使用灵活；但该方法需要将油耗仪串入发动机的燃油供给系统,存在着安全问题(汽油挥发造成污染和易燃)；同时,油耗仪的安装连接十分不便；安装和测量过程时间较长。（2）失重法组成：失重法油耗测量系统主要由压差传感器、单片机、测量油杯、电磁阀、油气交换器等元件组成。原理：使用失重法油耗测量系统测量汽车油耗时，测量油杯存放提供给发动机燃油，压差传感器测出一定时间内测量油杯内燃油质量的变化，然后将检测信号送入单片机进行处理，由此控制电磁阀的开与闭，控制系统进入充油状态或测试状态，汽油交换器在测试过程中实现油气交换，放气阀调节油气交换器中空气的数量，出油口连接发动机，进油口连接油箱，压差传感器输出与测量油杯内燃油质量成正比的信号，流量传感器输出的电压信号随测量油杯中燃油的消耗而变小，对该信号进行求导，求得发动机的燃油消耗量。特点：失重法的测试精度高，测试速度快，使用方便，可靠性高，但需要拆解发动机供油系统燃油管路接入汽车油耗仪，且存在一定的安全隐患，破坏了发动机供油系统原有结构。2、间接测量法（1）碳平恒法通过发动机混合气燃烧前、后的碳(C)质量守恒,得到汽车的燃油消耗量。基于物质守恒定律。该方法只要测得排气 (或稀释排气) 中含C成分(主要是CO、CO、HC) 和排气(或稀释排气)的流量,就可得到排气中总的C质量；燃烧前的C质量主要来源于燃料 ,同时考虑参与燃烧的空气(或用于稀释的空气)含有的C。因此,只要测量(稀释) 排气的流量和含C成分的浓度以及空气中的含C成分浓度,就可实现汽车和发动机不解体燃油消耗量的测量,解决直接测量法存在的弊端。（2）燃油喷射量累积法根据电控喷射发动机的特性及原理，汽车耗油量与喷油器的开启时间成正比，直接通过采集喷油器的控制脉冲宽度（即喷油时间），找出耗油量和控制信号脉宽之间的关系，只需测量控制信号脉宽就可以计算出相应的耗油量及耗油率。（3）超声波法分类：采用超声波技术通过测试燃油管路流量测试汽车油耗。测量方法有传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法和噪声法等，传播速度差法包括时差法、频差法和相差法。特点：a.实现非接触测量。夹装式超声波流量传感器无需停流截管安装，在管路外部安装换能器即可，无额外压力损失，为无流动阻挠测量；b.不受管径大小限制，通用性好；c.测试精度受被测液体密度、温度、压力和粘度等参数影响小；d.对被测介质要求不高；e.测量范围较宽。汽车油耗直接测试法需拆解发动机供油系统燃油管路接入油耗仪，历时时间长，存在安全隐患，破坏了发动机供油系统原有结构，对汽车油耗测试精度产生一定影响；汽车油耗间接测试法测试精度不高，测试仪器昂贵，对测试环境要求高，其应用受限。针对以上问题，基于上述汽车油耗测试方法分析，确定采用单片机控制技术和超声波技术。原理：多普勒法：多普勒法基于声波多普勒效应，当接受换能器与声源进行相对运动时，换能器收到的声波频率发生变化，即多普勒频移。波束偏移法：超声波在燃油中传播时，由于燃油流动，超声波波束方向产生偏移，其大小是燃油流速的量度。频差法：频差法测试超声波脉冲顺流、逆流的重复频率差。相差法:相差法测试超声波顺流、逆流传播时接收信号之间的相位差计算燃油流速，从而得到燃油流量。时差法：测试超声波脉冲在同一液体中顺流、逆流传播的时间差，得到被测燃油的流速，再结合燃油管路横截面积计算燃油流量。最终方法确定：由于相差法其测量结果受声速影响较大，模拟信号处理过程中引入测量误差，测试精度较低；频差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，但测量电路比较复杂，功耗偏大，成本较高；波束偏移法依据超声波波束垂直于液体流动方向入射时产生偏移，计算液体流速，结构简单，当液体流速较低时，灵敏度和精度相对较低；相关法计算液体在管路内流动时的渡越时间，得到液体流速和流量，测试精度相对较高，但线路复杂；多普勒法用于含悬浮颗粒、气泡等流体测量，不适合测量较洁净的流体；超声波时差法油耗测试仪器具有体积小，携带方便，采用夹装式超声波流量传感器，实现非接触式油耗测试，不破坏液体流场，无压力损失；油耗测试精度受燃油压力、温度、粘度、密度等参数影响小，测量范围宽，成本低等特点，因此，采用超声波时差法测试汽车油耗。2.2汽车超声波油耗仪结构方案确定1、汽车超声波油耗仪的组成超声波油耗仪就是采用超声波流量计来测量流过主输油总管的燃油流量减去流出回油管路的燃油流量而得到消耗的燃油量的思想设计的。其整个工作过程都在主控电路的控制之下，根据流量计的具体需要，本设计中采用单片机作为控制电路的核心。流量计所有的控制功能都是由单片机和其外围器件完成的。其主要由微控制器模块、超声波发射模块、超声波接收及后续处理模块、实时时钟及看门狗数据存储模块、液晶显示模块、键盘模块、打印模块、通讯模块和电源模块等组成。2、汽车超声波油耗仪的原理如图2.1所示，首先，系统读取数据存储器中预设的测量参数及历史信息后，单片机向顺流超声波换能器A和C输出触发群脉冲，同时通知FPGA中的高速计数模块开始计数。触发信号经驱动电路激励换能器A产生超声波，换能器B和D接收到波 等电路组成的接收信号预处理模块进行处理。确认成功收到超声波信号后及时通知FPGA的高速计数器停止计数，计数值代表的超声波在管道中的顺流传播时间暂存于FPGA的寄存器中，并通知单片机可以开始下一次发射，根据系统完成多次顺流测量后，保存顺流传播时间平均值和，通知单片机。用多次测量的平均值作为超声波渡越时间，可以减小误差，提高测量精度。后单片机对逆流超声波换能器输出触发群脉冲，通过FPGA的定时器模块控制模拟开关实现发射/接收电路的切换，重复前面的过程得到逆流传播时间平均值和。单片机读取这些数据后通过计算可得到流体流速、流量，并将结果送到LCD上显示出来。并且在此常规过程中，我们可以通过键盘中断实现显示界面的切换。系统工作流程图如图2.2所示。 时钟发射/接收转换电路信号接收及处理模块超声波发射电路FPGA89C52显示模块键盘模块数据储存计时控制电路计时电路定时器电路分频器电路回油路主油路换能器B换能器A换能器D换能器C图2.1系统结构原理图 开 始发射顺流超声波触发脉冲发射逆流超声波触发脉冲计数器渡越时间计数并保留计数值计数器渡越时间计数并保留计数值与之前测量值取平均与之前测量值取平均是否完成预设发送次数是否完成预设发送次数分别读取主油路回油路的顺逆传播时间的平均值读取计算参数流速流量计算显示计算结果 图2.2 系统工作流程图2.3 本章小结本章首先介绍了汽车油耗测量的几种方法及每种方法原理和特点，在对它们进行分析比较基础上，针对各种测量方法的特点和课题的基本要求，提出了应用超声波的时差法来测量计算燃油流量。紧接着提出了本课题的关键，通过文字叙述和流程图等说明了超声波油耗仪的组成和它的测量原理。第3章 汽车超声波油耗仪数学模型建立3.1时差法测试机理时差法测试机理如图 3.1 所示。图中，TS、TR为换能器，为超声波在换能器界面的折射角，为超声波在管壁与被测燃油的分界面处的折射角(声路角)，为超声波信号通过换能器的入射角，L为超声波信号在燃油中的传播距离，为油管内径，为管壁厚度，D为油管外径。测量超声波脉冲在同一流体中顺流和逆流传播的时间差，获得被测燃油的流速，结合管路横截面积计算燃油流。换能器由单片机控制，发射和接收超声波脉冲信号。超声波信号发射后穿过换能器楔块，在换能器界面发生折射，穿过管壁，在管壁与被测燃油的分界面处再次发生折射，穿过被测燃油到达对面管壁内侧，经反射后超声波信号按相反顺序进入另一个换能器。设u为燃油线平均流速，为超声波在燃油中的传播速度，为超声波在管壁中的传播速度，为超声波顺流从TS到TR历经的时间，为超声波逆流从TR到TS历经的时间，则 （3.1） （3.2）式中，为超声波换能器斜楔延时，为电路延时，和近似相等。 （3.3）通常，因此可忽略。则 （3.4） （3.5）被测燃油的流量 （3.6）式中，S为管路横截面积。图 3.1 超声波时差法油耗测试原理3.2主要影响因素分析与修正1.流体动力学修正测试燃油流量时，燃油流经管路断面的速度分布不均匀，其线平均流速与面平均流速不等，只有面平均速度能反映燃油在管路中的实际流速，式中的u为线平均流速。须运用流体力学理论，引入流量修正系数对流速u进行修正 （3.7） （3.8）式中，为面平均流速。当雷诺数时，管道内的燃油处于层流状态，沿过流断面的速度分布为抛物面，燃油流速 （3.9） （3.10） （3.11）式中，为压力损失，为温度时燃油的运动黏度，为测点与管道中心的径向距离。当雷诺数时，管道内的燃油处于湍流状态。根据湍流光滑管的试验曲线，湍流光滑区的流速分布为 （3.12） （3.13）式中，为距管道中心距离为r的燃油线平均流速，为管道中心处最大燃油流速，n为指数。针对不同的Re，可通过插值法确定n，见表 1。表1 Re与n的关系雷诺数指数n66.678.810 （3.14） （3.15） （3.16）取 n=7，则，若不进行修正，由此引起的测量误差可达到。因此，对燃油测量精度的影响很大。当时，用经典公式计算，；或用尼古拉兹导出，；或用布拉修斯摩擦因数修正，。2. 温度修正环境温度T变化，会引起流量修正系数和发生变化，从而对汽车油耗测试精度产生影响。温度变化会引起燃油运动黏度变化，即 （3.17）式中，为温度为(温度为 0 )时燃油的运动黏度，为黏温系数(0.0350.052)，为燃油密度。燃油运动黏度变化会引起Re变化，从而使n取值不同，导致变化，直接影响油耗测试精度。因此，应根据不同温度对进行修正。与的平方成正比，而随环境温度T变化而变化，T变化导致油耗测量误差较大。目前主要采用被测燃油声速温度系数对进行温度补偿 （3.18）式中，为温度为时的声速。通过试验，对实验数据进行线性回归，声速数学模型，从而获得声速温度系数。3.超声波流量传感器几何参数超声波流量传感器的几何参数是影响汽车油耗测试精度的主要因素之一。（1）声路角根据Snall定律，声路角随的变化而变化，而为燃油温度的函数。当温度变化较大时(换能器工作温度为40200 )，应对进行修正 （3.19） （3.20） 式中，为超声波信号在换能器楔块中的传播速度。由于、为已知量，为温度的变量，可通过修正后的对进行修正。（2）油管外径通过测量油管外径和可计算出，由超声波流量传感器内置运算器处理，可计算被测油管内横截面面积，其准确程度取决于和的测量准确度。 （3.21）求导，由误差传递公式可知 （3.22）式中，为油管内径变化量，为油管外径变化量，为油管壁厚变化量，(由超声波流量传感器输入参数的位数确定)。和对的影响为 。油管内横截面积测量误差为 （3.23）由于为常量，内横截面面积的测量误差与油管内径成反比，随着管径的增大而减小，即小管径的测量误差要大，且油管内径的测量误差可导致测量结果的误差。（3）油管壁厚油管壁厚的测量准确度对油耗测量结果影响较大，根据超声波流量测量原理可知，随的改变而变化，导致变化，从而产生流速误差。由可知，壁厚误差直接影响到油管内径的计量准确性，从而产生面积误差。油管壁厚的测量误差会引起双重误差(和)，最后导致油耗测量误差。利用三维坐标对超声波流量传感器进行柱面参数化，通过柱面拟合计算超声波流量传感器几何参数，可解决测量管路内径和声路角难以精确测量的问题，精确地测试超声波流量传感器几何参数。4.噪声待测信号中存在由放大电路或电阻上的热噪声引起的高斯白噪声、沿着发射和反射路径传播且在管路内壁中经过多次反射和折射的多途同频噪声。（1）高斯白噪声超声波信号与高斯白噪声信号叠加为 （3.24）式中，为超声波信号幅值，为噪声信号幅值，为超声波信号的瞬时角频率，为随机角度。当信噪比较大时，远大于1， （3.25） 声时测量误差 （3.26） 可见，若发射的超声波信号频率一定，信噪比越大，声时测量误差越小。影响信噪比的因素还有电流冲击噪声、环境声学噪声等，可根据具体情况，进行相应的信号处理消除其影响，以提高信噪比。（2）同频噪声同频噪声和待测信号的叠加信号为 （3.27）式中，为叠加信号，为同频噪声的幅值，为待测信号的幅值，为同频噪声相对于同步信号的相位，为待测信号相对于同步信号的相位，为服从的高斯白噪声信号。多途同频噪声在空间上相对固定，可用待测信号未到达前的一段数据对其参数进行估计，其联合概率密度 （3.28）式中，。求式的最小值，进行和的最大似然估计，推导可得 （3.29） （3.30）式中，为的最大似然估计值；为的最大似然估计值。估计待测信号的幅值和相位，当待测信号和同频噪声叠加时，采样信号模型为 （3.31）用采样信号减去估计得到的同频噪声可得 （3.32）式中，y(t)为消除同频噪声后的信号。对 y(t)进行最大似然估计，则顺流测试结果为 （3.33）逆流测试结果为 （3.34）式中，为顺流时待测信号的幅值，为逆流时待测信号的幅值，为顺流时待测信号的相位，为逆流时待测信号的相位。声时误差估计结果为 （3.35）式中，为顺流和逆流时差估计，为发射信号周期。3.3本章小结 本章先介绍了超声波时差法的油耗测试机理及其原理图，导出被测燃油的流量公式，后通过流体动力学、温度、超声波流量传感器几何参数、噪声等对流量公式进行修正，以此来提升油耗测试的精度，本章数学模型的建立及对参数的修正是汽车超声波油耗仪的重中之重。第4章 汽车超声波油耗仪硬件部分设计4.1微控制器模块4.1.1单片机的选择根据前面的介绍，单片机作为整个系统的控制核心，主要完成系统时序的控制、超声波触发信号的产生、测量数据的接收和处理以及控制键盘显示等功能。本设计选择ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存储数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，功能强大的AT89C52适合于许多较为复杂控制应用场合。1.AT89C52的主要性能参数：（1）8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器。本系统中，单片机为控制核心，主要工作为控制系统整体工作流程并计算气体流速和流量，AT89C52的存储器容量和运行速度可以实现以上功能；（2）256字节内部RAM，用十存放系统软件运行过程中的临时变量；（3）32个双向I/O口；（4）3个16位定时/计数器；（5）8个中断源；（6）可编程串行DART通道；（7）低功耗空闲和掉电模式。2、单片机的引脚配置AT89C52引脚配置如图4.1所示：（1）P0.1接收来自FPGA计数器的计数结束信号；（2）P0.2,P0.3,P0.4与铁电存储器芯片FM31256的SCL端相连；（3）P0.5,P0.6,P0.7与LCD制器HT1621B的CS,WR,DATA端相连；（4）P1口为自FPGA计数器计数结果的8位并行输入口；（5）P2.0连接拉高电阻，为了控制打印机和串口的切换；（6）P2.1输出超声波顺流/逆流传播方向选择信号；（7）P2.2连接主油路顺流超声波换能器触发群脉冲；（8）P2.3连接主油路逆流超声波换能器触发群脉冲；（9）P2.4,P2.5，P3.2接键盘矩阵；（10）P2.6连接回油路顺流超声波换能器触发群脉冲；（11）P2.7连接主油路逆流超声波换能器触发群脉冲；（12）P3.0,P3.1接打印机和485串口。图4.1 AT89C52引脚分配示意图4.1.2 FPGA的芯片选择1、简述：FPGA的工艺决定其具有众多的触发器和LUT,设计中需要用到大量的触发器如复杂的时序逻辑，那么FPGA是个好的选择。本设计的数字系统中最关键的模块是高速计数器模块，我们知道计数器是典型的时序逻辑电路，本系统选择其作为数字电路部分。目前国际上FPGA最大供应商是美国的Altera公司和Xilinx公司。他们的设计较为灵活，器件利用率高，器件价格较便宜而品种和封装形式较丰富。但XilinxFPGA产品需要外加编程器件和初始化时间，保密性较差，延时较难事先确定，信号等延时较难实现。Altera公司一直占据着行业的领先地位，其产品主要有FLEXIOK, FLEX8000, MAX9000, MAX7000, MAX5000, FLASH logic以及Classic七大系列，其中FLEX 10K系列器件采用了可重构的CMOS SRAM单元，该结构集合了一般门阵列的全部特长，其容量可达25万门，能够高密度、高速度、高性能地将整个数字系统集成于一个器件中，而且该系列器件在业内应用十分广泛。根据课题特点，通过对各系列产品性能及价格的综合比较，我们选择了Altera公司的FLEXIOK系列中的EPF10K10LC84器件。作为FPGA模块的主要芯片。2、FPGA内部模块设计本系统的FPGA主要涉及到的功能模块有：时钟源模块、逻辑控制模块和高速计数器模块。下面对各个功能模块作逐一进行介绍。（1）高速计数器模块利用FPGA设计高速计数器是本系统设计的一个最重要的部分。提高测时精度是提高时差法超声波流量计测量精度的关键。要精确的测量时间必须有高速的计数器，利用FPGA芯片很高的工作频率可实现高速计数，而且本系统设计的高速计数模块在一定的时钟频率下能够更精确的判断计数停止信号的来临，从而提高测量精度。高速计数器的设计思想是利用频率较低的时钟信号实现高速计数的。我们知道当计数停止脉冲信号来临时，它不会准确的落在时钟信号的边沿上，这个样就会产生测量误差，而最大误差是一个时钟周期。显然通过提高时钟频率可以提高计数精度，而当时钟频率固定时，我们还可以通过其他的方法提高计数精度，这就是本系统设计中利用FPGA设计的高速计数器。首先时钟信号CK通过一比较器产生两路时钟信号CLK+和CLK-输入高速计数模块，显然CLK+和CLK-的相位刚好相反。将CLK+和CLK-分频倒相后，这可以通过D触发器实现，产生了四路时钟信号CK1,CK2,CK3,CK4，它们的相位彼此相差90，每路时钟信号后接一个D触发器，计数停止脉冲的上升沿作为触发器的触发信号，当计数停止信号来临时，4个触发器会发生翻转，输出4个不同的组合值:0110，0101 ,1001，1010。我们把其它组合形式视为无效。本模块的计数值我们采用16位来表示，将CK1作为计数器的时钟信号，即计数器对CK1进行计数，其计数值作为计数结果的高13位，记为C1。当过零比较电路传来计数停止信号时，记录下D触发器的输出，即CK1,CK2,CK3,CK4的当前状态，通过对其组合值的判断我们可以知道，停止信号的脉冲前沿处CK1的哪个周期内。我们将当前组合值经过译码后并加上一位校验位作为最终计数结果的低3位。与此同时Q和Q经过一与非门后触发锁存器读取当前计数器的计数值，与译码器的输出共同构成了16位最终计数值C输出。通过这种方法设计的计数器能够判断出计数停止信号来临的时候处于一个时钟周期中的具体位置，从而精确了计数停止时间，提高了计时测量精度。单片机在输出换能器触发群脉冲的同时通知计数器开始计数：当电压比较电路输出一个上升沿时，计数器停止计数，然后将计时结束信号引脚电平抬高，通知单片机计时结束，可以读取计数结果。计时结果由一个8位并行口输出，单片机通过改变引脚P2. 0电平的高或低来通知FPGA在计时结果输出口上输出的是高八位或低八位计时结束。在计数器模块中我们采用的是顺流逆流方向各使用一个高速计数模块，两个计数器分开工作方便我们的测试以及数据分离。以后再对系统进行进一步优化的时候还可以采取设计可逆计数器的方法，直接读出一次顺流流传播的时间差。采用FPGA设计高速计数模块还有一个优点就是灵活，在资源允许的情况下，可以方便的设计任意位数的计数器。（2）时钟信号模块时钟信号模块为系统中各个模块提供工作时钟。系统中时钟信号模块由一50MHz有源晶振和一系列分频器元件构成。有源晶振提供的50MHz时钟信号通过FPGA的全局时钟线输入FPGA 。FPGA中逻辑控制模块中的定时器所需要的1MHz时钟信号则是通过分频元件对50MHz时钟信号作增进式计数分频。为了调试方便，分频模块的在设计时考虑到了模块的通用性，通过更改参数就可以方便的调整分频模块的工作方式，得到所需频率的时钟信号。50MHz时钟信号通过比较器产生两路相位相反的时钟信号提供给高速计数器模块使用。（3）逻辑控制模块逻辑控制模块由6个定时器和1个开关控制逻辑组成。系统中模拟开关CD4066所需的开关控制信号就是由FPGA中的逻辑控制模块产生。6个定时器通过开关控制逻辑分别输出6个开关量信号，用来控制模拟开关4066的通断，包括控制超声波顺/逆流传播信号接收通路选通与关闭;控制采样选通电路中储能电容充/放电，以实现采用选通电路中峰值电平的传递，这些定时器都是由16位计数器构成，对1 MHz的时钟信号进行增进式方式计数，当计数值达到预设的阀值后，停止计数，并通过开关控制逻辑输出相应的控制信号。超声波触发群脉冲发出时，单片机通知FPGA打开计数器，同时将6个定时器一起打开，它们根据预设好的计数门限，实现各自的定时控制，在完成一次超声波渡越时间的计数后，单片机会相FPGA发送复位信号，各个定时器也在此时被复位。3、 FPGA的接口电路设计EPL10K10LC84的I/O口电压为5V。AT89C52的I/O口电压也为5V。本系统中FPGA与单片机的接口之间不需要任何电平转换器件，即可相互传送数据。AT89C52的P2.3和P2.4口作为两支超声波传感器的触发脉冲群输出口，将这两个I/O口直接与FPGA相连接，在系统触发超声波的同时也启动了FPGA内部的计时器。当超声波接收器接收到超声波信号，并将其处理后触发停止计时，然后以高电平信号示意计时结束通知单片机。单片机判断到计时器计时结束后，分别将计时结果高/低八位选择信号线置为高/低电平，经八位并行信号线读出高八位和低八位计时结果。在超声波顺流方向传播和逆流方向传播时，FPGA内部定时器模块中开关控制逻辑的输出是不同的，所以AT89C52的P2.1口在系统处于两种传播方向时，分别使用高电平和低电平信号启动FPGA的两种不同开关控制逻辑用于控制各个模拟开关的通断。当系统执行完一次工作流程后，单片机会自动将P2.2口置为高电平，向FPGA发出复位信号，待下一个工作流程开始之前，再将复位信号清零。系统中还利用FPGA设计了逻辑控制模块，由定时器定时产生开关量控制模拟开关CD4066的通断，通过查找CD4066使用手册我们知道在+5V供电情况下，CD4066控制端口输入电压大于2. 75V即可识别为高电平，所以EPL10K10LC84在本系统中I/O口驱动电压为+5V，可以驱动模拟开关芯片CD4066，故可以将FPGA与CD4066直接连接。4.2超声波换能器的选择超声波换能器是超声波流量计不可缺少的组成部分，是将电信号转换为机械振动或将机械振动转换为电信号的装置。声波的发射和接收都需要通过换能器来完成。按作用原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。这里选用最常用的由压电陶瓷构成的压电式超声波换能器，转换效率较高，机械强度好，结构简单、原材料价格便宜以及不易老化，利用压电晶片的逆压电效应来产生超声波，利用正压电效应来接收超声波。根据超声波在介质中的传播形式，超声波换能器通常可以分为：纵波型、横波型以及表面波形型。它取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质进行触发使其产生超声波。而根据超声波换能器的结构又可分为:直探头、斜探头和可变探头。一般来说，直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波。一般可变探头是通过探头芯的旋转，得到不同折射角的斜探头，当入射角为零的时候就是直探头。我们一般通过超声波换能器的工作频率、方向性、机电偶合系数、机电品质因数、阻抗特性、功率、效率、频率特性以及表面振幅和表面振动相位分布九个性能指标对超声波换能器进行选择。总的来说当用于触发超声波换能器的交变电压的频率等于其工作频率时，也就是等于换能器的压电材料的固有频率时。但是由于共振超声波换能器产生的超声波能量最大。我们选择应用于气体流量测量的超声波传感器主要是进行超声波振荡频率的选择。超声波频率越高，方向性就越好，而超声波频率越高的超声波在介质中的衰减越大，所以较小频率超