引言
超聲波流量計(jì)是隨著IC技術(shù)迅速發(fā)展而開始得到實(shí)際應(yīng)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儀表。與傳統(tǒng)流量計(jì)(如孔板、渦輪流量計(jì)等)相比，它具有測量準(zhǔn)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，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)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(shù)發(fā)展越來越快。SOPC是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，并且可裁剪，可擴(kuò)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(diǎn)，它的特點(diǎn)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(diǎn)，基于NiosII的SOPC得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
本文就是基于超聲波以及SOPC這兩項(xiàng)技術(shù)來設(shè)計(jì)便攜式的超聲波流量計(jì)，充分發(fā)揮這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)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(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(jì)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(jìn)行積分運(yùn)算就可以進(jìn)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(jì)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(jìn)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(guān)、捕獲計(jì)時、數(shù)據(jù)處理及與外部設(shè)備通信。
2 模擬電路部分設(shè)計(jì)
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(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(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(yīng)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(yīng)用晶體管組成推挽式電路結(jié)合場效應(yīng)管電路來實(shí)現(xiàn)功率放大。
系統(tǒng)超聲波換能器驅(qū)動信號是由微處理器產(chǎn)生的，微處理器產(chǎn)生一個200 kHz的矩形脈沖信號，經(jīng)光耦隔離后進(jìn)入功率放大電路。根據(jù)換能器的特點(diǎn)，該矩形脈沖信號占空比為2％。超聲波換能器激勵信號如圖3所示。
2．2 超聲波信號處理電路
超聲發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號，經(jīng)過管壁和流體，衰減比較大，因此超聲波接收換能器接收的信號比較微弱，通常只為幾十mV數(shù)量級，這時放大器的噪聲對測量精度的影響也比較大。同時，由于超聲波流量計(jì)中使用的超聲波頻率較高，所以要求運(yùn)算放大的增益帶寬積足夠高，因此該級電路采用低噪聲高速運(yùn)算放大器。本系統(tǒng)中選用MAX410作為放大器。
在超聲波流量計(jì)工作的過程中，由于振動、流動及工業(yè)現(xiàn)場的管道噪聲和變頻設(shè)備的電噪聲等電子干擾，會引起周期性的噪聲信號出現(xiàn)，并導(dǎo)致在相關(guān)圖上出現(xiàn)周期性波峰。當(dāng)其疊加到流動噪聲的相關(guān)曲線上，會使真實(shí)的渡越時間對應(yīng)的波峰不明顯，甚至被其他的波峰掩蓋，無法得到正確的測量結(jié)果。通過低噪聲高速運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行放大后還需要對信號進(jìn)行濾波。本系統(tǒng)中的濾波電路為帶通濾波。系統(tǒng)中換能器發(fā)射接收的超聲波中心頻率為200 kHz，所以需要設(shè)計(jì)一個中心頻率為200 kHz的帶通濾波器，它可以使200 kHz的超聲波信號順利地通過，而阻止或衰減非200 kHz的超聲波信號及其他干擾信號。
另外，超聲波信號在管道中傳輸時，由于各個聲道長度不同，傳感器特性存在差異，氣體介質(zhì)不同以及測量時氣體流速的變化，導(dǎo)致每次測量時傳感器接收信號的幅度也不同。為了后端進(jìn)行高精度的計(jì)時，需要自動增益控制對接收信號的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使接收信號有一個穩(wěn)定的幅度，從而滿足系統(tǒng)測量高精度的要求。
3 數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分
3．1 概述
本系統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分的核心是FPGA。在本系統(tǒng)中FPGA主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：一是實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)時，為準(zhǔn)確測量流速提供保證；二是通過構(gòu)建軟核CPUNioslI來實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)選用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208C8N芯片。
關(guān)于計(jì)時這里不再贅述，主要就是通過MEGA WIZARD調(diào)用PLL模塊實(shí)現(xiàn)倍頻到200 MHz然后供給計(jì)數(shù)器模塊來計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過移位寄存器來上傳給CPU，再通過CPU處理后傳給上位機(jī)。
NiosII是32位RISC嵌入式處理器，它是Altera公司的第二代FPGA嵌入式處理器，其性能超過200DMIPS，在Altera FPGA中實(shí)現(xiàn)僅需35美分。特別是，NioslI系列支持使用專用指令。專用指令是用戶增加的硬件模塊，它增加了算術(shù)邏輯單元(ALU)。用戶能為系統(tǒng)中使用的每個NiosII處理器創(chuàng)建多達(dá)256個專用指令，這使得設(shè)計(jì)者能夠細(xì)致地調(diào)整系統(tǒng)硬件以滿足性能目標(biāo)。NiosII系列支持60多個外設(shè)選項(xiàng)，開發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè)，獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能?；谄淝度胧降奶攸c(diǎn)以及其成本，NiosII特別適用于便攜式儀表方面的應(yīng)用。
3．2 SOPC的硬件構(gòu)建
通過Quartus中的SOPC Builder來構(gòu)建SOPC系統(tǒng)。首先要添加一個CPU。為了節(jié)省片上資源，選用經(jīng)濟(jì)型的CPU，外部晶振是50 MHz。程序運(yùn)行內(nèi)存直接選用0n-Chip Memory，因?yàn)镋P2C8Q208C8N片上的RAM空間大概有20 KB左右，通過優(yōu)化，片上內(nèi)存完全能夠滿足程序的需要，這樣就不必添加外接的SDRAM芯片，減少了PCB板的面積，大大降低了成本。代碼優(yōu)化方法是通過NioslI IDE里面的System Library Proper-ties來設(shè)置：依次選中Program Never Exit，Small C Library，Reduced Device Drivers，Lightweight Device Drivers API，取消選中
Support C++并設(shè)定Optimize Size為-0s級，這樣就可以有效的縮減程序代碼。
另外，為了向上位機(jī)傳遞測試數(shù)據(jù)，需要添加UART。這里添加的UART只是一個協(xié)議，與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，還需要在外圍添加電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的正常通信。
為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，添加內(nèi)部定時器實(shí)現(xiàn)看門狗功能，另外需要添加的就是一些PIO接口。能夠產(chǎn)生中斷的PIO口注意要分給一定的中斷號。CPU的Reset Vectot。地址和Exception Vector地址都設(shè)為On-Chip Memory，并讓系統(tǒng)自動分配基地址以及中斷。點(diǎn)擊Generate生成整個SOPC，圖4即為整個SOPC的構(gòu)成圖。
3．3 用Niosll IDE編寫整個系統(tǒng)的控制程序
NiosII IDE(Integrated Development Environment，集成開發(fā)環(huán)境)提供了完整的C／C++軟件開發(fā)套件，包括編輯器、項(xiàng)目管理器和構(gòu)建工具、調(diào)試器和兼容CFI(Common Flash Interface)的Flash編程器。調(diào)試器連接多種目標(biāo)系統(tǒng)，包括FPGA硬件(通過JTAG電纜)、NioslI指令集仿真器和Modelsim-Altera軟件，因而能夠提供最靈活的調(diào)試方案。
為了方便用戶編程，NiosII為用戶提供了設(shè)備驅(qū)動程序，也就是硬件驅(qū)動層數(shù)據(jù)庫HAL。軟件編寫人員只要利用HAL提供的各種函數(shù)就能編寫應(yīng)用程序，從而方便地與底層硬件進(jìn)行通信，而無需關(guān)心底層硬件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。HAL系統(tǒng)庫可在IDE創(chuàng)建一個新工程時，由系統(tǒng)自動生成。
NioslI IDE完全支持C／C++，本系統(tǒng)采用的編程語言是標(biāo)準(zhǔn)C。添加必要的頭文件，編寫各個中斷服務(wù)程序以及子程序，就可以實(shí)現(xiàn)整個超聲波流量計(jì)的控制。
仿真NiosII設(shè)計(jì)包括3種方式：“NiosII IDE Debugger+Signal Tap II+物理板”的軟硬件聯(lián)調(diào)方式，“NiosII IDE Debugger+指令集仿真器ISS”的軟件調(diào)試方式(ISS可對部分組件建模)，使用Modelsim-Altera進(jìn)行的RTL級的功能仿真方式(可以調(diào)試處理器及其外設(shè)之間的交互情況)。Debug的方式可以通過IDE里面的RunDebug As進(jìn)行選擇。NiosII IDE也可以進(jìn)行設(shè)置斷點(diǎn)，單步調(diào)試，觀察變量，內(nèi)存以及表達(dá)式的值等操作，在此不一一贅述。Debug之后還需要建立工程，若整個系統(tǒng)無錯，可以生成一個ELF文件，只有完整建立起來的系統(tǒng)才可以下載到FPGA的板上運(yùn)行。具體實(shí)現(xiàn)方式是通過NiosII IDE里面的Project-Build Project來建立工程，結(jié)果會提示程序代碼總共占用了多少代碼，剩余多少的RAM空間，以及錯誤和警告提示。根據(jù)錯誤警告提示修改代碼，直至無錯完整地建立工程，這樣NiosIIIDE里面的工作就全部完成了。通過FPGA下載線將程序下載到FPGA板上，整個系統(tǒng)就可以完整地運(yùn)行。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
將程序正確下載到FPGA板上，硬件正確連接，接上超聲波探頭，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，經(jīng)過信號處理的超聲波信號清晰穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠滿足系統(tǒng)的精度要求，效果良好。圖5即為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場接收到的超聲波信號。圖6為比較電壓的信號圖。
圖5中下方是經(jīng)過濾波之后的超聲波的發(fā)射和接收信號?？梢钥吹叫盘柷逦€(wěn)定。上方的信號是經(jīng)過自動增益控制之后的超聲波回波信號，通過自動增益控制之后的接收信號可以穩(wěn)定在一定的幅度之內(nèi)，保證了系統(tǒng)對高精度計(jì)時的要求。
圖6中下方也是濾波之后的超聲波發(fā)射和接收信號。上方的信號為電壓比較器所產(chǎn)生的計(jì)時停止信號。當(dāng)通過自動增益控制之后的接收信號達(dá)到電壓比較器的參考電壓時，電壓比較器便會產(chǎn)生一個計(jì)時停止信號，并發(fā)送給FPGA，這樣計(jì)時停止，便準(zhǔn)確地測量了超聲波的傳播
時間。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制，經(jīng)過信號處理的超聲波信號清晰穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠滿足系統(tǒng)的精度要求，效果良好。