1、 郵局訂閱號:82-946120元/年技術創新您的論文得到相關企業家品評PLD/CPLD/FPGA 設計應用電話:010-*,62192616(T/F 現場總線技術應用200例CPLD 技術在時差法超聲波流量計中的應用The Application of CPLD Technique in Tim e Difference Method Ultrasonic Flowm eter(青島理工大學王玉輝Wang,YuhuiLT C V 2cos 22b D =V D K Q ´´´=24p 117-摘要:研究了多通道時差法超聲波流量計的測量原理,介紹了流量計系統的硬件

2、組成和實現方法,概述了軟件功能和軟件流程設計。采用CPLD+AVR 單片機實現高精度計時、復雜邏輯控制以及采樣控制和多機通訊,以提高流量計測量系統的精度和穩定性。關鍵詞:CPLD ;時差法;超聲波流量計;單片機中圖分類號:TP216文獻標識碼:B文章編號: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概述時差法超聲波流量計由于精度高,換能器結構簡單,不影響流體流動形態而被廣泛應用。本設計中的超聲波流量計是一套由計算機控制的多通道時差法超聲波流量測量系統,可用于測量多個通道液體流速、瞬時流量和累計流量。設計中采用了ALTERA 公司生產的大規模復雜可編程邏輯器件(CPLD :MAX7000S 系列EPM7128S 。為了提高測量精度和穩定性,利用CPLD 大規模復雜可編程特點,在邏輯電路中設計了發射波抑制電路、激勵脈寬可電調整電路和數字倍頻計數器電路。

5、發射波抑制電路有效地抑制了發射激勵波的干擾;激勵脈寬可電調整電路能夠方便地適配不同特性探頭對激勵脈寬的要求;數字倍頻計數器電路提高了計時精度。由于CPLD 高速、高穩定性、高可靠性和現場可編程的特點,大大提高了超聲波流量計測量系統的精度和可靠性。主機使用新型高性能、低功耗、RISC 結構、內載FLASH 的AVR 單片機AT90S8515。8515帶有一個全雙工的通用串行異步收發器,可方便的與多臺儀表進行通訊,從而實現分布式測量系統。EPM7128S 內部還設計有AT90S8515的外擴總線、譯碼電路和輸入輸出等接口。8515以外擴RAM 的訪問形式操作EPM7128S 內部所有資源,進行通道

6、切換、控制采樣過程、讀取鍵盤等操作。實現的主要功能有:測量8個通道的流速、瞬時流量、累計流量,顯示出錯報警等信息。2時差法超聲波流量計的測量原理和影響測量精度的因素分析2.1時差法超聲波流量計的測量原理超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關,據此,可以實現流量測量。超聲波的發射和接收采用雙探頭方式,發射和接收傳感器的材料和結構完全相同,可以互換使用或進行雙向收發。結構原理圖見圖1。由于篇幅有限,有關公式推導見參考文獻1,這里只給出結論。其中,C 為聲速,T 為順逆流傳播時間差,為聲路角,L 為聲程。需要特別說明的是,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、個修正系數K 。根據流體力學,當雷諾數Re 在某一范圍內時,K 為定值,在標定過程中確定K 的大小。瞬時流量(D 為管道直徑(1如果已經知道了L 、C 、D 和,只要能夠測得順流和逆流傳播時間差(T 就可以求出速度V ,進而得到瞬時流量。2.2影響流量計測量精度的因素和解決方法精度是測量儀表的重要指標,在時差法超聲波流量計流量測量中,誤差來源主要來自以下幾方面:加工精度及溫度變化對機械尺寸的影響。聲路角、管道直徑D 、聲程L 等機械參數的加工精度、溫度穩定性對流量的測量有直接的影響。在測量過程王玉輝:碩士研究生技術創新您的論文得到兩院院士關注中文核心期刊微計算機信息(嵌入式與S OC2005年

8、第21卷第8-2期中,它們會隨著溫度的變化而變化。這種誤差可以通過精密加工,合理選材以及合理的結構設計使影響減到最小。溫度變化對流速的影響。超聲波的傳播速度隨流體的溫度的升高而升高,因而會給測量帶來誤差。流體溫度變化對精度的影響可以采用溫度補償方法通過測量流體的溫度和溫度補償數學模型的計算實現自動補償。電氣特性上的誤差。器件工作不穩定、計數電路精度低會給流量測量帶來誤差。為了減小該誤差,我們選用100MHz、高精度、高穩定性的石英晶體振蕩器作為時鐘基準信號,選用大規模高速可編程邏輯器件(CPLD來實現復雜的邏輯控制和高精度計時功能,以達到系統的穩定性和可靠性。回波波形變化和幅值變化帶來誤差該變

9、化會使二值化電路的計時比較點發生變化,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系統硬件組成超聲波流量計測量系統原理框圖如圖2所示。3.1流量計主機硬件設計在設計中,微處理器采用ATMEL公司高性能AVR單片機AT90S8515,芯片內可下載的FLASH存儲器可通過SPI串行接口對程序存儲器進行系統內的重新編程。主要功能如下:人機接口:系統參數設置和存貯,液體流速、瞬時流量和累計流量顯示,出錯報警。通訊接口:利用RS485通訊接口與上位機通訊。例如:修改參數、回傳測量值、監控工作狀態等。RS485接口可與PC計算機實現點對多點通訊,組成多達8

10、15;128點的流量測量系統。3.2功能電路設計超聲波換能器:采用雙探頭完成超聲波信號的發送與接收。探頭頻率為2.5MHz。通道切換電路:8路電磁繼電器實現通道選擇,實現指定通道或循環各通道采樣。方向切換電路:利用一個電磁繼電器切換傳感器方向,實現順流和逆流時間測量。D/A電壓調節有三個作用:(a調節高壓,產生400600V的激勵電壓調節范圍,用來形成發射電路所需發射功率。(b調節放大電路增益,實現信號的增益控制。增益調整范圍:1030dB。(c調節二值化電路的參考端輸入電壓。使之與放大后的回波信號相比較。8個獨立式鍵盤可以進行功能選擇、參數設置、通道切換、顯示切換等操作。顯示器采用LED顯示

11、。可顯示液體流速、瞬時流量、累計流量及報警等信息。CPLD實現在單片機的控制下的超聲波激勵、計時測量以及與單片機接口。3.3超聲波信號處理電路超聲波信號處理包括放大電路、濾波電路、二值化電路。放大器采用高頻、可電壓調整增益運算放大器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。通過放大以后的超聲波回波信號經過濾波,進入二值化電路,產生回波脈沖信號,送入CPLD,進行時間測量的控制。4流量計軟件設計軟件設計包括主程序設計、通訊程序設計和中斷程序設計等。主程序設計的內容有流量計的鍵盤輸入、顯示輸出、數據處理、測量控制、參數處理、參數存儲等。通過這些工作,

12、可以實現定點及循環采樣。通訊程序采用中斷、半雙工通訊方式,可以實現上、下位機之間的點對多點通訊。中斷程序有定時中斷、外部INT0中斷。5CPLD時序控制邏輯電路原理設計CPLD是新型可編程邏輯器件。其編譯環境是MAX+PLUS。在本設計中,我們采用的具體型號是MAX7000S系列器件EPM7128SLC84-15。計時電路的精度本設計中的流體流速小于10m/s,聲程按照300mm計算,聲速為1500m/s,通過公式可以算出最大傳播時間差大約為2us左右。在CPLD內設計有倍頻電路,計數時鐘頻率選100MHz,因而得到相當于200MHz的計數頻率,分辨率達到1/400,滿足設計精度要求。118

13、- 郵局訂閱號:82-946120元/年技術創新您的論文得到相關企業家品評PLD/CPLD/FPGA 設計應用電話:010-*,62192616(T/F 現場總線技術應用200例由前述公式可知,時差隨聲程L 增加而增大,因而分辨率也會增加,但傳感器尺寸隨之增加。L 要根據實際需要確定。計時電路的設計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A0-A7。74138譯碼器對A0-A2進行譯碼,產生Y0-Y7片選信號,控制對I/O 口的操作。(b74273產生觸發器控制邏輯信號Z0-Z4及傳感器方向切換信號Z5。CPU 在Y0有效時寫

14、入。(cSK0-SK7為8個獨立鍵信號輸入,在Y2有效時讀入CPU 。(d通道選擇信號SEL0-SEL7由CPU 在Y1有效時發出。(e發射波抑制電路在發射波期間禁止回波信號通過,抑制發射波干擾,防止誤觸發。(f脈沖寬度發生器的功能是產生一定寬度的脈沖信號SA 。其脈沖寬度可以通過Z3Z0的不同設置選擇。當FOSC=100MHz ,Z3Z0=00H 時,脈寬最小,為0.2us;Z3Z0=0FFH 時,脈寬最大是2.45us 。共有十六種選擇。Z4是采樣啟動/停止/清零控制信號。Z4=0停止計數,并清零計數器為下次采樣做準備。這里,探頭頻率為2.5MHz ,脈寬取其周期的整數倍2,則Tsa=0.

15、8us ,所以Z3Z0=04H ,得脈寬=0.8us 。(g兩個16位計數器組成高精度計數器,保證在時鐘的上升沿和下降沿全部計數。Z4是清零信號,當Z4為低時,脈沖寬度發生器Z4信號有效,SA=0。計數器qf2-16輸出為00H 。發射波抑制電路輸出為零。當Z4剛開始變為高電平時,SA=1,發出一定寬度激勵脈沖,產生超聲波。此時,FQ12為低,因此或門被禁止,激勵波信號B909不能通過或門。INT0保持高電平,計數器正常計數。CLK-EN 是計數使能信號,高電平有效。當二值化電路測到回波信號時使B909負跳變,D 觸發器清零,其Q 端INT0跳變為低電平。產生外部中斷的同時,計數使能信號CLK

16、-EN 變低,計數器qf2-16停止計數。qf2-16的Q 端是CLK 上升沿計數輸出值,NQ 端是CLK 下降沿計數輸出值,由74244送到主機相加求和。從而實現倍頻計數。(h四個74244在Y3、Y4、Y5、Y6分別有效時,將計數值讀入CPU 。信號波形圖如圖3所示。如圖所示,t1為發射波抑制電路作用時間,t2是發射波產生的干擾時間。t2-t0是傳播時間。t2-t0是傳播時間。圖3信號波形圖6結論該超聲波流量計是為高爐冷卻壁熱負荷測量設計的,它與高爐爐墻厚度測量裝置、冷卻壁進出水溫差測量裝置共同組成一套完整的高爐爐墻厚度測量與冷卻壁監測系統,可測量冷卻壁熱負荷以及檢漏。現場應用證明,該流量

17、計精度高、運行穩定、可靠、達到設計要求。參考文獻1徐愛鈞,智能化測量控制儀表原理與設計,北京航空航天大學出版社,1995.11.2強發紅,毛協柱,時差法超聲波流量計的應用技術,石油化工自動化,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號青島理工大學數理系王玉輝(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卡符合國際標準,適用于PC I總線微機,通信速度相對I SA 總線卡大大提高。與其配套的驅動軟件支持W i ndow s 環