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硬件結構，分析了系統收發(fā)電路各個(gè)模塊的設計，著(zhù)重介紹了基于FPGA軟核NioslI的便攜式超聲波流量計的數字電路部分設計。試驗結果表明，系統工作穩定，能夠滿(mǎn)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(guān)鍵詞：便攜式超聲波流量計；SOPC；NioslI

引言
超聲波流量計是隨著(zhù)IC技術(shù)迅速發(fā)展而開(kāi)始得到實(shí)際應用的一種非接觸式儀表。它是一種利用聲學(xué)原理工作的新型流量測量?jì)x表。與傳統流量計(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(diǎn)，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(lái)越廣泛的應用。
近年來(lái)，隨著(zhù)Altera公司32位軟核CPU NiosII的推出，基于FPGA的SOPC(System On a Programmable Chip)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快。SOPC是可編程系統，具有靈活的設計方式，并且可裁剪，可擴充，可升級，同時(shí)具備軟硬件在線(xiàn)系統可編程的功能。SOPC兼具PLD和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，它的特點(diǎn)包括：至少包含一個(gè)嵌入式處理器內核；具有小容量片內高速RAM資源；有足夠的片上可編程邏輯資源；有處理器調試接口和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(diǎn)，基于NiosII的SOPC得到了越來(lái)越廣泛的應用。
本文就是基于超聲波以及SOPC這兩項技術(shù)來(lái)設計便攜式的超聲波流量計，充分發(fā)揮這兩項技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現對液體、氣體的高精度測量。

1 工作原理及系統組成
本系統利用時(shí)差法進(jìn)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(guò)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(shí)間tAB以及從B到A的傳播時(shí)間tBA，通過(guò)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(guò)對流速進(jìn)行積分運算就可以進(jìn)一步算得流量，這就是時(shí)差法測量流速的基本原理。
整個(gè)便攜式超聲波流量計系統組成如圖2所示。系統由脈沖發(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動(dòng)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(jìn)行放大、帶通濾波、自動(dòng)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(kāi)關(guān)、捕獲計時(shí)、數據處理及與外部設備通信。

2 模擬電路部分設計
2．1 超聲波前端驅動(dòng)電路
如圖2所示，超聲波換能器驅動(dòng)電路產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)而產(chǎn)生超聲波向外發(fā)射。對于超聲波換能器，超聲波換能器驅動(dòng)電路提供的功率越大，超聲波換能器將電能轉換為聲能的效果越好，所以超聲波換能器驅動(dòng)電壓應該越大越好，但需要注意驅動(dòng)電壓壓值不能超過(guò)換能器壓降極限。本系統應用晶體管組成推挽式電路結合場(chǎng)效應管電路來(lái)實(shí)現功率放大。