CPLD技術(shù)在時(shí)差法超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用-

1、 郵局訂閱號(hào):82-946120元/年技術(shù)創(chuàng)新您的論文得到相關(guān)企業(yè)家品評(píng)PLD/CPLD/FPGA 設(shè)計(jì)應(yīng)用電話:010-*,62192616(T/F 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用200例CPLD 技術(shù)在時(shí)差法超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用The Application of CPLD Technique in Tim e Difference Method Ultrasonic Flowm eter(青島理工大學(xué)王玉輝Wang,YuhuiLT C V 2cos 22b D =V D K Q ´´´=24p 117-摘要:研究了多通道時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理,介紹了流量計(jì)系統(tǒng)的硬件

2、組成和實(shí)現(xiàn)方法,概述了軟件功能和軟件流程設(shè)計(jì)。采用CPLD+AVR 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)時(shí)、復(fù)雜邏輯控制以及采樣控制和多機(jī)通訊,以提高流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:CPLD ;時(shí)差法;超聲波流量計(jì);單片機(jī)中圖分類號(hào):TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1008-0570(20058-2-0117-03Abstract:The measurement principle of the time difference method of the multi -channel ultrasonic flowmeter is presented.The hardware structure and

3、 realization method are introduced.The software function and work mode are overviewed.In order to enhancing flowmeter 's precision and stability,CPLD and AVR microprocessor are applied in high precision timing,com-plex logical control,sampling control and multi-meter communi-cation.Keywords:CPLD

4、 ;Travel time difference method ;Ultrasonic flow meter ;Microprocessor1概述時(shí)差法超聲波流量計(jì)由于精度高,換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不影響流體流動(dòng)形態(tài)而被廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的超聲波流量計(jì)是一套由計(jì)算機(jī)控制的多通道時(shí)差法超聲波流量測(cè)量系統(tǒng),可用于測(cè)量多個(gè)通道液體流速、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。設(shè)計(jì)中采用了ALTERA 公司生產(chǎn)的大規(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD :MAX7000S 系列EPM7128S 。為了提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性,利用CPLD 大規(guī)模復(fù)雜可編程特點(diǎn),在邏輯電路中設(shè)計(jì)了發(fā)射波抑制電路、激勵(lì)脈寬可電調(diào)整電路和數(shù)字倍頻計(jì)數(shù)器電路。

5、發(fā)射波抑制電路有效地抑制了發(fā)射激勵(lì)波的干擾;激勵(lì)脈寬可電調(diào)整電路能夠方便地適配不同特性探頭對(duì)激勵(lì)脈寬的要求;數(shù)字倍頻計(jì)數(shù)器電路提高了計(jì)時(shí)精度。由于CPLD 高速、高穩(wěn)定性、高可靠性和現(xiàn)場(chǎng)可編程的特點(diǎn),大大提高了超聲波流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的精度和可靠性。主機(jī)使用新型高性能、低功耗、RISC 結(jié)構(gòu)、內(nèi)載FLASH 的AVR 單片機(jī)AT90S8515。8515帶有一個(gè)全雙工的通用串行異步收發(fā)器,可方便的與多臺(tái)儀表進(jìn)行通訊,從而實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量系統(tǒng)。EPM7128S 內(nèi)部還設(shè)計(jì)有AT90S8515的外擴(kuò)總線、譯碼電路和輸入輸出等接口。8515以外擴(kuò)RAM 的訪問(wèn)形式操作EPM7128S 內(nèi)部所有資源,進(jìn)行通道

6、切換、控制采樣過(guò)程、讀取鍵盤(pán)等操作。實(shí)現(xiàn)的主要功能有:測(cè)量8個(gè)通道的流速、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量,顯示出錯(cuò)報(bào)警等信息。2時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理和影響測(cè)量精度的因素分析2.1時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理超聲波在流體中的傳播速度與流體流動(dòng)速度有關(guān),據(jù)此,可以實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。超聲波的發(fā)射和接收采用雙探頭方式,發(fā)射和接收傳感器的材料和結(jié)構(gòu)完全相同,可以互換使用或進(jìn)行雙向收發(fā)。結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖1。由于篇幅有限,有關(guān)公式推導(dǎo)見(jiàn)參考文獻(xiàn)1,這里只給出結(jié)論。其中,C 為聲速,T 為順逆流傳播時(shí)間差,為聲路角,L 為聲程。需要特別說(shuō)明的是,V 是液體沿管道中心線的速度。考慮到液體流速沿管道直徑的不均勻分布,添加一

7、個(gè)修正系數(shù)K 。根據(jù)流體力學(xué),當(dāng)雷諾數(shù)Re 在某一范圍內(nèi)時(shí),K 為定值,在標(biāo)定過(guò)程中確定K 的大小。瞬時(shí)流量(D 為管道直徑(1如果已經(jīng)知道了L 、C 、D 和,只要能夠測(cè)得順流和逆流傳播時(shí)間差(T 就可以求出速度V ,進(jìn)而得到瞬時(shí)流量。2.2影響流量計(jì)測(cè)量精度的因素和解決方法精度是測(cè)量?jī)x表的重要指標(biāo),在時(shí)差法超聲波流量計(jì)流量測(cè)量中,誤差來(lái)源主要來(lái)自以下幾方面:加工精度及溫度變化對(duì)機(jī)械尺寸的影響。聲路角、管道直徑D 、聲程L 等機(jī)械參數(shù)的加工精度、溫度穩(wěn)定性對(duì)流量的測(cè)量有直接的影響。在測(cè)量過(guò)程王玉輝:碩士研究生技術(shù)創(chuàng)新您的論文得到兩院院士關(guān)注中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與S OC2005年

8、第21卷第8-2期中,它們會(huì)隨著溫度的變化而變化。這種誤差可以通過(guò)精密加工,合理選材以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使影響減到最小。溫度變化對(duì)流速的影響。超聲波的傳播速度隨流體的溫度的升高而升高,因而會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。流體溫度變化對(duì)精度的影響可以采用溫度補(bǔ)償方法通過(guò)測(cè)量流體的溫度和溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型的計(jì)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償。電氣特性上的誤差。器件工作不穩(wěn)定、計(jì)數(shù)電路精度低會(huì)給流量測(cè)量帶來(lái)誤差。為了減小該誤差,我們選用100MHz、高精度、高穩(wěn)定性的石英晶體振蕩器作為時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào),選用大規(guī)模高速可編程邏輯器件(CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制和高精度計(jì)時(shí)功能,以達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性?；夭úㄐ巫兓头底兓瘞?lái)誤差該變

9、化會(huì)使二值化電路的計(jì)時(shí)比較點(diǎn)發(fā)生變化,造成波形誤差。這種誤差用硬件方法很難克服,必須借助于軟件方法引入智能分析算法加以解決。3系統(tǒng)硬件組成超聲波流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。3.1流量計(jì)主機(jī)硬件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中,微處理器采用ATMEL公司高性能AVR單片機(jī)AT90S8515,芯片內(nèi)可下載的FLASH存儲(chǔ)器可通過(guò)SPI串行接口對(duì)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)的重新編程。主要功能如下:人機(jī)接口:系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和存貯,液體流速、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量顯示,出錯(cuò)報(bào)警。通訊接口:利用RS485通訊接口與上位機(jī)通訊。例如:修改參數(shù)、回傳測(cè)量值、監(jiān)控工作狀態(tài)等。RS485接口可與PC計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊,組成多達(dá)8

10、15;128點(diǎn)的流量測(cè)量系統(tǒng)。3.2功能電路設(shè)計(jì)超聲波換能器:采用雙探頭完成超聲波信號(hào)的發(fā)送與接收。探頭頻率為2.5MHz。通道切換電路:8路電磁繼電器實(shí)現(xiàn)通道選擇,實(shí)現(xiàn)指定通道或循環(huán)各通道采樣。方向切換電路:利用一個(gè)電磁繼電器切換傳感器方向,實(shí)現(xiàn)順流和逆流時(shí)間測(cè)量。D/A電壓調(diào)節(jié)有三個(gè)作用:(a調(diào)節(jié)高壓,產(chǎn)生400600V的激勵(lì)電壓調(diào)節(jié)范圍,用來(lái)形成發(fā)射電路所需發(fā)射功率。(b調(diào)節(jié)放大電路增益,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益控制。增益調(diào)整范圍:1030dB。(c調(diào)節(jié)二值化電路的參考端輸入電壓。使之與放大后的回波信號(hào)相比較。8個(gè)獨(dú)立式鍵盤(pán)可以進(jìn)行功能選擇、參數(shù)設(shè)置、通道切換、顯示切換等操作。顯示器采用LED顯示

11、?？娠@示液體流速、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量及報(bào)警等信息。CPLD實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)的控制下的超聲波激勵(lì)、計(jì)時(shí)測(cè)量以及與單片機(jī)接口。3.3超聲波信號(hào)處理電路超聲波信號(hào)處理包括放大電路、濾波電路、二值化電路。放大器采用高頻、可電壓調(diào)整增益運(yùn)算放大器AD603,濾波電路采用高Q值濾波器,提高了信噪比。二值化電路采用高速比較器MAX909。通過(guò)放大以后的超聲波回波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波,進(jìn)入二值化電路,產(chǎn)生回波脈沖信號(hào),送入CPLD,進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的控制。4流量計(jì)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、通訊程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)等。主程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容有流量計(jì)的鍵盤(pán)輸入、顯示輸出、數(shù)據(jù)處理、測(cè)量控制、參數(shù)處理、參數(shù)存儲(chǔ)等。通過(guò)這些工作,

12、可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)及循環(huán)采樣。通訊程序采用中斷、半雙工通訊方式,可以實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊。中斷程序有定時(shí)中斷、外部INT0中斷。5CPLD時(shí)序控制邏輯電路原理設(shè)計(jì)CPLD是新型可編程邏輯器件。其編譯環(huán)境是MAX+PLUS。在本設(shè)計(jì)中,我們采用的具體型號(hào)是MAX7000S系列器件EPM7128SLC84-15。計(jì)時(shí)電路的精度本設(shè)計(jì)中的流體流速小于10m/s,聲程按照300mm計(jì)算,聲速為1500m/s,通過(guò)公式可以算出最大傳播時(shí)間差大約為2us左右。在CPLD內(nèi)設(shè)計(jì)有倍頻電路,計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率選100MHz,因而得到相當(dāng)于200MHz的計(jì)數(shù)頻率,分辨率達(dá)到1/400,滿足設(shè)計(jì)精度要求。118

13、- 郵局訂閱號(hào):82-946120元/年技術(shù)創(chuàng)新您的論文得到相關(guān)企業(yè)家品評(píng)PLD/CPLD/FPGA 設(shè)計(jì)應(yīng)用電話:010-*,62192616(T/F 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用200例由前述公式可知,時(shí)差隨聲程L 增加而增大,因而分辨率也會(huì)增加,但傳感器尺寸隨之增加。L 要根據(jù)實(shí)際需要確定。計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)CPLD 的工作原理圖略可向作者索取,各部分電路功能:(a74373為地址鎖存器,鎖存CPU 低八位地址信號(hào)A0-A7。74138譯碼器對(duì)A0-A2進(jìn)行譯碼,產(chǎn)生Y0-Y7片選信號(hào),控制對(duì)I/O 口的操作。(b74273產(chǎn)生觸發(fā)器控制邏輯信號(hào)Z0-Z4及傳感器方向切換信號(hào)Z5。CPU 在Y0有效時(shí)寫(xiě)

14、入。(cSK0-SK7為8個(gè)獨(dú)立鍵信號(hào)輸入,在Y2有效時(shí)讀入CPU 。(d通道選擇信號(hào)SEL0-SEL7由CPU 在Y1有效時(shí)發(fā)出。(e發(fā)射波抑制電路在發(fā)射波期間禁止回波信號(hào)通過(guò),抑制發(fā)射波干擾,防止誤觸發(fā)。(f脈沖寬度發(fā)生器的功能是產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號(hào)SA 。其脈沖寬度可以通過(guò)Z3Z0的不同設(shè)置選擇。當(dāng)FOSC=100MHz ,Z3Z0=00H 時(shí),脈寬最小,為0.2us;Z3Z0=0FFH 時(shí),脈寬最大是2.45us 。共有十六種選擇。Z4是采樣啟動(dòng)/停止/清零控制信號(hào)。Z4=0停止計(jì)數(shù),并清零計(jì)數(shù)器為下次采樣做準(zhǔn)備。這里,探頭頻率為2.5MHz ,脈寬取其周期的整數(shù)倍2,則Tsa=0.

15、8us ,所以Z3Z0=04H ,得脈寬=0.8us 。(g兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器組成高精度計(jì)數(shù)器,保證在時(shí)鐘的上升沿和下降沿全部計(jì)數(shù)。Z4是清零信號(hào),當(dāng)Z4為低時(shí),脈沖寬度發(fā)生器Z4信號(hào)有效,SA=0。計(jì)數(shù)器qf2-16輸出為00H 。發(fā)射波抑制電路輸出為零。當(dāng)Z4剛開(kāi)始變?yōu)楦唠娖綍r(shí),SA=1,發(fā)出一定寬度激勵(lì)脈沖,產(chǎn)生超聲波。此時(shí),FQ12為低,因此或門(mén)被禁止,激勵(lì)波信號(hào)B909不能通過(guò)或門(mén)。INT0保持高電平,計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。CLK-EN 是計(jì)數(shù)使能信號(hào),高電平有效。當(dāng)二值化電路測(cè)到回波信號(hào)時(shí)使B909負(fù)跳變,D 觸發(fā)器清零,其Q 端INT0跳變?yōu)榈碗娖?。產(chǎn)生外部中斷的同時(shí),計(jì)數(shù)使能信號(hào)CLK

16、-EN 變低,計(jì)數(shù)器qf2-16停止計(jì)數(shù)。qf2-16的Q 端是CLK 上升沿計(jì)數(shù)輸出值,NQ 端是CLK 下降沿計(jì)數(shù)輸出值,由74244送到主機(jī)相加求和。從而實(shí)現(xiàn)倍頻計(jì)數(shù)。(h四個(gè)74244在Y3、Y4、Y5、Y6分別有效時(shí),將計(jì)數(shù)值讀入CPU 。信號(hào)波形圖如圖3所示。如圖所示,t1為發(fā)射波抑制電路作用時(shí)間,t2是發(fā)射波產(chǎn)生的干擾時(shí)間。t2-t0是傳播時(shí)間。t2-t0是傳播時(shí)間。圖3信號(hào)波形圖6結(jié)論該超聲波流量計(jì)是為高爐冷卻壁熱負(fù)荷測(cè)量設(shè)計(jì)的,它與高爐爐墻厚度測(cè)量裝置、冷卻壁進(jìn)出水溫差測(cè)量裝置共同組成一套完整的高爐爐墻厚度測(cè)量與冷卻壁監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可測(cè)量冷卻壁熱負(fù)荷以及檢漏?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明,該流量

17、計(jì)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、達(dá)到設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn)1徐愛(ài)鈞,智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì),北京航空航天大學(xué)出版社,1995.11.2強(qiáng)發(fā)紅,毛協(xié)柱,時(shí)差法超聲波流量計(jì)的應(yīng)用技術(shù),石油化工自動(dòng)化,2001.1.Author Resume:Wang Yu-hui (1973.11-,Female,Graduate student,Specialty:electronic information,Field of inquiry:the research and design of intelligent instru -ment.(266033山東省青島市撫順路11號(hào)青島理工大學(xué)數(shù)理系王玉輝(Dep

18、artment of Mathematics and Science,Qingdao technological university.26603311Fushun road,QingdaoWang,YuhuiPCI 總線IEEE-488接口卡及系列軟件西安交通大學(xué)在推廣I SA 總線I EEE-488接口卡(G PI B -PC 1、G PI B -PC 2、G PI B -PC 3基礎(chǔ)上,最近又研制成功PC I總線的I EEE-488接口卡(G PI B -PC 4。G PI B -PC 4卡符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),適用于PC I總線微機(jī),通信速度相對(duì)I SA 總線卡大大提高。與其配套的驅(qū)動(dòng)軟件支持W i ndow s 環(huán)