基于NiosII的便攜式超聲波流量計設計

摘要：介紹了便攜式超聲波流量計的工作原理和系統(tǒng)硬件結構，分析了系統(tǒng)收發(fā)電路各個模塊的設計，著重介紹了基于FPGA軟核NioslI的便攜式超聲波流量計的數(shù)字電路部分設計。試驗結果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足測量精度要求，并且減小了便攜式超聲波流量計的體積，降低了產(chǎn)品成本。
關鍵詞：便攜式超聲波流量計；SOPC；NioslI

引言
超聲波流量計是隨著IC技術迅速發(fā)展而開始得到實際應用的一種非接觸式儀表。它是一種利用聲學原理工作的新型流量測量儀表。與傳統(tǒng)流量計(如孔板、渦輪流量計等)相比，它具有測量準確度幾乎不受介質(zhì)溫度、壓力影響等優(yōu)點，尤其是在大管徑流量測量方面，其優(yōu)越性更加明顯，因此得到了越來越廣泛的應用。
近年來，隨著Altera公司32位軟核CPU NiosII的推出，基于FPGA的SOPC(System On a Programmable Chip)技術發(fā)展越來越快。SOPC是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，并且可裁剪，可擴充，可升級，同時具備軟硬件在線系統(tǒng)可編程的功能。SOPC兼具PLD和FPGA的優(yōu)點，它的特點包括：至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；有足夠的片上可編程邏輯資源；有處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；可能包含部分可編程模擬電路；單芯片，低功耗，微封裝。正是基于這些優(yōu)點，基于NiosII的SOPC得到了越來越廣泛的應用。
本文就是基于超聲波以及SOPC這兩項技術來設計便攜式的超聲波流量計，充分發(fā)揮這兩項技術的優(yōu)點，實現(xiàn)對液體、氣體的高精度測量。

1 工作原理及系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)利用時差法進行流速測量：安裝于被測容器頂部的收發(fā)一體的超聲波換能器(A或B)通過空氣向被測物體發(fā)射一束超聲波，該聲波經(jīng)被測物體反射后，回波被換能器(B或A)接收并被轉(zhuǎn)換為電信號。原理圖如圖1所示。

這樣，在已知安裝角度θ和管徑D的條件下，測量A到B的傳播時間tAB以及從B到A的傳播時間tBA，通過計算可得

這種算法只需測出tAB與tBA就可以得到流速V，而通過對流速進行積分運算就可以進一步算得流量，這就是時差法測量流速的基本原理。
整個便攜式超聲波流量計系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)由脈沖發(fā)射電路、回波接收電路、信號處理電路和CPU控制電路組成。脈沖發(fā)射電路是輸出一定超聲波頻率的脈沖激勵信號經(jīng)功率放大和升壓后驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射超聲波；回波接收電路即是接收回波信號；信號處理電路用于對回波信號進行放大、帶通濾波、自動增益控制、電壓比較等處理；CPU控制電路控制發(fā)射信號、控制模擬開關、捕獲計時、數(shù)據(jù)處理及與外部設備通信。

2 模擬電路部分設計
2．1 超聲波前端驅(qū)動電路
如圖2所示，超聲波換能器驅(qū)動電路產(chǎn)生一個具有特定頻率、脈沖寬度和輸出功率的電脈沖去激勵超聲波換能器，進而產(chǎn)生超聲波向外發(fā)射。對于超聲波換能器，超聲波換能器驅(qū)動電路提供的功率越大，超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為聲能的效果越好，所以超聲波換能器驅(qū)動電壓應該越大越好，但需要注意驅(qū)動電壓壓值不能超過換能器壓降極限。本系統(tǒng)應用晶體管組成推挽式電路結合場效應管電路來實現(xiàn)功率放大。