基于FPGA的时差法超声波流量计系统的设计与实现

摘要

超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的新的测量技术，它具有非接触式测量、测量精度高、测量范围宽、安装维护方便等特点，特别适合用于临时管道流量、大口径管道流量以及危险性流体流量的测量。最近十几年以来，随着高速数字信号的处理技术与微处理器技术的迅速发展，随着新型探头材料与工艺的研究，随着声道配置及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了长足的进步，并且成为一种重要的流量测量技术。本文详细介绍了超声波流量测量技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外先进的超声波流量测量技术的基础上，设计出了一种新的高精度的用于时差法超声波流量计的测时方法，并且给出了系统的设计思想。针对目前国内超声波流量测量技术的发展现状和存在的不足，着重讨论和解决了以下方面的问题：1.关于提高系统的稳定性和可靠性问题：一是采用了延迟窗口接收技术，尽可能减小干扰脉冲对测量结果的影响；二是在超声波发射和接收电路设计中采用集成电路模块取代了分离模拟器件，以提高发射电路和接收电路的稳定度；三是用Xilinx公司的Spartan2E系列xc2s100e现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片作为核心器件对系统的数字电路部分进行了集成化设计，达到既简化电路设计、又提高系统稳定性和可靠性的目的。 2.关于如何提高系统的精度和测量范围问题：一是采用多级放大器来提高放大电路的动态范围，以适应不同管径的需要；二是在测量超声波信号在流体中的传播时间时，利用传统锁相环路测时原理，并结合边沿检测技术，保证了超声波信号传播时间测量值为整数个计时脉冲；同时利用逻辑编程实现对超声波信号多次、循环传播的时间测量，减小了边沿检测误差和系统误差，提高了测时分辨率，使测时精1度达到纳秒及亚纳秒量级，满足了超声波流量计在小管径测量环境下的精度要求；三是对流量修正系数进行了分析与研究，并给出了不同情况下的流量修正系数的计算公式。

目录

摘 要

第一章绪论

1.1超声波流量测量技术发展概述

1.2超声波流量计的特点和用途

1.3超声波流量计的实现方法

1.3.1传播时差法

1.3.2多普勒法

1.3.3相关法

1.3.4噪声法

1.3.5卡门涡漩法

1.4论文的主要研究内容

1.4.1关于提高系统的稳定性和可靠性

1.4.2关于提高系统的精度和测量范围

第二章时差法超声波流量计基本原理和实现方法

2.1时差法超声波流量计的基本原理

2.2时差法超声波流量计的实现

第三章系统方案设计与电路实现

3.1高精度测时系统的设计与实现

3.1.1传统测时方法的误差分析

3.1.2测时系统方案设计

3.1.3边沿检测模块的设计

3.2系统的电路设计与实现

3.2.1 EITS2003电子设计自动化实验开发板

3.2.2系统分频、定时、计数和控制电路

3.2.3超声波换能器

3.2.4超声波发射电路

3.2.5多级放大电路

3.2.6消除噪声干扰的延迟接收窗口

第四章FPGA器件原理及开发环境

4.1 PLD/FPGA结构与原理

4.1.1基于乘积项(Product-Term)的PLD结构

4.1.2基于查找表(Look-Up-Table)的PLD原理与结构

4.1.3 Xilinx Spartan-Ⅱ芯片的内部结构

4.2 FPGA与CPLD概述

4.3 Spartan-ⅡE芯片介绍

4.3.1 Spartan-ⅡE芯片特点

4.4开发环境介绍

4.4.1 Verilog-HDL硬件描述语言

4.4.2 FPGA开发流程

4.4.3开发软件ISE简介

第五章超声波测时系统的仿真与实现

5.1测时系统的硬件构成

5.2系统实现

第六章误差分析

6.1系统的误差分析

6.1.1超声波信号的传播时间

6.1.2超声波信号进入流体介质的折射角

6.1.3温度

6.1.4管道内径

6.1.5流体以外声传播时间及电路延迟时间之和

6.1.6流速分布修正系数

第七章结论

致谢

参考文献