基于FPGA的多聲路超聲波流量計設計與實(shí)現

摘 要：利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的靈活配置功能及豐富高速的硬件邏輯資源，設計并實(shí)現了時(shí)差法多聲波超聲波流量計。介紹了超聲波流量計測量原理與方法，給出系統硬件設計方案，包括FPGA內部邏輯設計及外圍電路設計，同時(shí)給出了超聲波換能器發(fā)射、接收電路及收發(fā)換能器自動(dòng)切換電路的原理，完成了主控流程的軟件設計，實(shí)現了多聲路超聲波高壓脈沖發(fā)射、回波信號自動(dòng)增益控制、傳播時(shí)間的高速測量等，所研制的多聲路超聲波流量計具有擴展性好、精度高、測量距離遠等特點(diǎn)。

關(guān)鍵字：超聲波流量計 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA） 自動(dòng)增益控制 精度高

    0 引言

    超聲波是頻率高于20kHz的聲波，它方向性好、穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在液體中傳播距離遠。超聲波流量計是利用超聲波在液體中傳播時(shí)載流體流速的信息來(lái)實(shí)現流量的測量，因其安裝方便、測量精度高、測量距離遠，適宜測量大管徑或較寬的渠道內流體流速，在水利、電力、石化及冶金等行業(yè)有著(zhù)廣泛的應用。

    以多聲路時(shí)差法超聲波流量計為研究對象，對超聲波流量計的硬件平臺和軟件設計進(jìn)行研究，利用嵌入式軟核處理器、高速數字邏輯及現代電力電子技術(shù)，設計了基于FPGA的多聲路超聲波流量計實(shí)現方案。該方案利用功能強大FPGA，實(shí)現嵌入式軟核處理器和高速邏輯的緊密結合，完成超聲波換能器的大功率發(fā)射，采用高速A/D實(shí)現接收換能器回波信號的高速采集，使得所研制的多聲路超聲波流量計具有測量距離遠、傳播計數精度高等特點(diǎn)。

    1 時(shí)差法超聲波流量計原理

    時(shí)差法超聲波流量計的原理是通過(guò)測量流體的流速，進(jìn)而計算流體的流量。其測量方法原理如圖1所示，在管道或渠道的上下游位置各安裝一個(gè)超聲波換能器，換能器A安裝在上游，換能器B安裝在下游。在一個(gè)時(shí)刻，換能器A發(fā)射超聲波信號，換能器B接收超聲波信號，而在另一時(shí)刻，換能器B發(fā)射超聲波信號，換能器A接收超聲波信號。通過(guò)計算超聲波由換能器A發(fā)射到換能器B接收的時(shí)間，就可以得出其在流體中的順流傳播時(shí)間；同理，計算超聲波由換能器B發(fā)射到換能器A接收的時(shí)間，就可以得出其在流體中逆流傳播時(shí)間。

    由超聲波在管道或渠道中的順流和逆流傳播時(shí)間，結合管道或渠道的截面參數，就可以計算瞬時(shí)流量。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計測量原理

    超聲波流量計在流體中順流和逆流的傳播時(shí)間計算如下式所示

        （1）

        （2）

    式中：T_AB為超聲波在流體中順流傳播時(shí)間；T_BA為超聲波在流體中逆流傳播時(shí)間；υ為流體速度；L為換能器A與換能器B之間聲路長(cháng)；φ為聲路與流速之間的夾角；C為超聲波在靜水中的傳播速度。由以上兩式推導出該流量計測量出所在聲路的流體流速為

        （3）

    2 系統硬件設計

    多聲路超聲波流量計總體硬件方案如圖2所示，由主處理器FPGA、高壓發(fā)射電路、接收與放大電路、發(fā)射接收切換控制電路及收發(fā)換能器組成。

圖2 基于FPGA的超聲波流量計硬件系統結構圖

    2.1 主處理器FPGA設計

    主處理器選用Xilinx公司的高速中型Spartan系列FPGA，內部資源豐富，多達150000個(gè)邏輯單元，具有分布式BlockRAM，內嵌高速軟核處理器Mi-croBlaze作為主CPU，可根據設計需要添加SDRAM存儲器軟核控制器、串口通信UART軟核控制器及各類(lèi)功能的數字信號處理器（DSP）軟核，同時(shí)可實(shí)現用戶(hù)自定義各類(lèi)邏輯功能，實(shí)現CPU、高速邏輯及SDRAM之間的高速數據交互，具有較強的設計靈活性。

    多聲路超聲波流量計的FPGA外圍電路及內部邏輯功能結構如圖3所示。外圍電路包括供電電源、監視復位電路、晶振及JTAG調試接口等，同時(shí)包含了外部SDRAM存儲器及FPGA的上電配置FLASH存儲器。

圖3 超聲波流量計FPGA內部原理框圖

    FPGA內部設計嵌入式軟核處理器MicroBlaze作為主控單元，通過(guò)內部獨立的AXI（AdvancedExtensi-bleInterface）總線(xiàn)與外部SDRAM存儲器相連，實(shí)現程序和數據的高速存儲和交互。FPGA內部的其他邏輯，如發(fā)射控制邏輯、收發(fā)切換邏輯、高速A/D采樣控制邏輯、增益控制及串口通信均設計在A(yíng)XI_Lite總線(xiàn)（AXI總線(xiàn)簡(jiǎn)化版）上，軟核處理器MicroBlaze通過(guò)讀寫(xiě)AXI_Lite總線(xiàn)就可以實(shí)現對外部設備控制及數據獲取。

    2.2 發(fā)射電路

    超聲波換能器是一種電聲能量轉換器件，作為發(fā)射換能器時(shí)，把高頻電信號轉換成超聲波信號，而作為接收換能器時(shí)則把超聲波信號轉換為電信號。超聲波流量計的發(fā)射電路就是為超聲波換能器提供一定高頻電壓信號，激勵換能器發(fā)出超聲波。

    為使超聲波換能器產(chǎn)生良好的超聲波信號，需要用一定的高電壓驅動(dòng)超聲波換能器，且發(fā)射電壓的脈沖寬度盡量和換能器的固有頻率一致。經(jīng)試驗研究，方案選取400V的電壓作為換能器驅動(dòng)電壓。發(fā)射電路的原理如圖4所示，主要由驅動(dòng)電路、場(chǎng)效應管Q及變壓器T組成。其中變壓器的變比為1∶17，驅動(dòng)電路把一次側24V電壓通過(guò)場(chǎng)效應管Q的開(kāi)關(guān)及變壓器T升壓，形成400V的高電壓脈沖去驅動(dòng)換能器。

圖4 超聲波流量計發(fā)射電路

    2.3 接收放大電路

    接收放大電路對接收換能器所接收到的超聲波信號進(jìn)行限幅、濾波、放大、比較和采集等。接收放大電路原理如圖5所示。

圖5 超聲波流量計接收與放大電路

    接收放大電路接收到超聲波信號之后，首先對信號進(jìn)行限幅和保護，以免后級電路受到損害。多聲路超聲波流量計所采用的超聲波換能器固有頻率一般為1～2MHz，所以設計了窄帶濾波電路，濾除0.5～5MHz之外的雜波干擾信號。由于流量計各聲路測量距離不同，在同樣發(fā)射電壓的情況下，接收換能器所接收到的回波信號幅值大小會(huì )不一樣，為了使后續A/D采集和檢波電路能夠正確識別有效回波信號，需要對不同大小的回波信號進(jìn)行放大，使其進(jìn)入A/D和檢波電路的信號幅值大致相同，所以專(zhuān)門(mén)設計了自動(dòng)增益控制電路，把回波信號的幅值放大至1V左右。

    2.4 發(fā)射與接收切換控制電路

    根據超聲波流量計的測量原理路，上游與下游的換能器既可以作為發(fā)射換能器又可以作為接收換能器，因為發(fā)射時(shí)需要給換能器施加高壓，而接收時(shí)需要把換能器微弱信號與接收放大電路相連。發(fā)射與接收切換控制電路的原理如圖6所示，其中K1與K2為雙刀雙擲的固態(tài)繼電器。該電路的工作原理是，換能器A作為發(fā)射換能器，換能器B作為接收換能器，高壓發(fā)射前，由FPGA控制驅動(dòng)電路，使繼電器K1的觸點(diǎn)導通，400V的高壓以脈沖形式驅動(dòng)換能器A，發(fā)射結束后，使繼電器K1斷開(kāi)，延時(shí)一定時(shí)間后使繼電器K2的觸點(diǎn)導通，等待換能器B接收信號的到來(lái)。當換能器B作為發(fā)射換能器，換能器A作為接收換能器時(shí)，發(fā)射流程同上，只是發(fā)射時(shí)使繼電器K2閉合，接收時(shí)使繼電器K1閉合。

圖6 超聲波流量計發(fā)射與接收切換電路

    3 軟件設計

    多聲路超聲波流量計的程序設計包括C語(yǔ)言實(shí)現的軟件以及VerilogHDL實(shí)現的硬件邏輯程序。C語(yǔ)言程序為主控程序，負責整個(gè)超聲波流量計發(fā)射、接收、通信、數據存儲等控制功能；硬件邏輯程序在主程序的控制下，協(xié)助實(shí)現發(fā)射脈沖的形成、自動(dòng)傳播計數啟動(dòng)與停止、高速A/D采集控制、數字濾波及其他外設的控制。

    多聲路超聲波流量計的主程序運行在軟核處理器MicroBlaze中，完成各聲路換能器收發(fā)流程控制，對接收信號進(jìn)行窄帶濾波、增益控制、A/D采集控制，測量各聲路的超聲波信號在流體中正向和逆向傳播時(shí)間，計算其差值，并根據式（3）計算流體的軸向流速，再結合管道或渠道的橫截面積計算出流體的瞬時(shí)流量。

    主控程序的流程如圖7所示，FPGA上電后，自動(dòng)從外部FLASH中讀取數據，完成軟核處理器MicroB-laze及其他IP軟核的硬件配置，然后C語(yǔ)言的主程序在MicroBlaze中運行，首先讀取測量聲路的數量、長(cháng)度、換能器類(lèi)型及安裝角度等信息，完成通信速率配置及增益值的預設置。如果讀取失敗則一直等待配置信息，如果配置信息讀取成功，則首先對第一聲路進(jìn)行高壓發(fā)射，同時(shí)啟動(dòng)傳播時(shí)間高速計數器，待接收信號到達時(shí)使高速計數器停止，啟動(dòng)A/D采樣，計算回波幅值大小，調整接收信號的增益，使下一次接收信號的幅值穩定在1V左右，如此循環(huán)，完成對所有聲路的增益調節和傳播時(shí)間計數的測量，再通過(guò)各聲路順流和逆流傳播時(shí)間差值計算流速與瞬時(shí)流量，進(jìn)行存儲或通過(guò)RS-485總線(xiàn)的方式上送。

圖7 主控程序的流程圖

    4 試驗結果與總結

    為驗證基于FPGA的多聲路超聲波流量計的實(shí)際效果，分別在靜水和動(dòng)水中進(jìn)行傳播時(shí)間測量精度和流量測量精度試驗。

    在聲路長(cháng)為1m的靜水水槽中安裝了一對超聲波換能器，通過(guò)試驗發(fā)現，采取400V的電壓驅動(dòng)超聲波發(fā)射換能器，接收換能器接收到原始信號的幅值0.3V左右。通過(guò)軟件設定，使A/D采集到的信號幅值始終在1V左右，自動(dòng)增益控制能自動(dòng)對接收信號進(jìn)行放大，放大倍數為3倍左右，觀(guān)察到正逆向高速傳播時(shí)間計數差值僅為4～6，即靜水中的傳播時(shí)間最大差值為30ns，滿(mǎn)足系統設計要求。

    該多聲路超聲波流量計按照平行4聲路的布置方法，在國家水大流量計量站進(jìn)行流量精度測量試驗，通過(guò)校準及標定，該流量計的準確度等級達0.5級，得了良好的設計效果。