CPLD 技術在時差法超聲波流量計中的應用

1 概述
    時差法超聲波流量計由於精度高，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，可用於測量多個通道液體流速、瞬時流量和累計流量。
    設計中採用了ALTERA 公司生產的大規模複雜可編程邏輯器件（CPLD）：MAX7000S系列EPM7128S。為了提高測量精度和穩定性，利用CPLD 大規模複雜可編程特點，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。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。由於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列非同步收發器，可方便的與多台儀錶進行通訊，從而實現分散式測量系統。
    EPM7128S 內部還設計有AT90S8515 的外擴匯流排、解碼電路和輸入輸出等介面。8515以外擴RAM 的訪問形式操作EPM7128S 內部所有資源，進行通道切換、控制採樣過程、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採用雙探頭方式，發射和接收感測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。

由於篇幅有限，有關公式推導見參考文獻1，這裡只給出結論。

其中，C 為聲速， ΔT 為順逆流傳播時間差， β 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佈，添加一個修正係數K。根據流體力學，當雷諾數Re 在某一範圍內時，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β ，只要能夠測得順流和逆流傳播時間差（ ΔT ）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1
精度是測量儀錶的重要指標，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：

1. 加工精度及溫度變化對機械尺寸的影響。
   聲路角β 、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。
2. 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採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。
3. 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)來實現複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。
4. 回波波形變化和幅值變化帶來誤差
   該變化會使二值化電路的計時比較點發生變化，造成波形誤差。這種誤差用硬體方法很難克服，必須藉助於軟體方法引入智能分析演算法加以解決。

3 系統硬體組成
    超聲波流量計測量系統原理框圖如圖2 所示。
 
圖 2 超聲波流量計原理框圖
3.1 流量計主機硬體設計
    在設計中，微處理器採用ATMEL 公司高性能AVR 單片機AT90S8515，晶元內可下載的FLASH 存儲器可通過SPI串列介面對程序存儲器進行系統內的重新編程。主要功能如下：
⑴人機介面：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。
⑵通訊介面：利用RS485 通訊介面與上位機通訊。例如：修改參數、回傳測量值、監控工作狀態等。RS485 介面可與PC 計算機實現點對多點通訊，組成多達8×128 點的流量測量系統。

3.2 功能電路設計
⑴ 超聲波換能器：採用雙探頭完成超聲波信號的發送與接收。探頭頻率為2.5MHz。
⑵ 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採樣。
⑶ 方向切換電路：利用一個電磁繼電器切換感測器方向，實現順流和逆流時間測量。
⑷ D/A 電壓調節有三個作用：
(a) 調節高壓，產生400～600V 的激勵電壓調節範圍，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。增益調整範圍：10～30dB。
(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。
⑸ 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。
⑹ 顯示器採用LED 顯示。可顯示液體流速、瞬時流量、累計流量及報警等信息。
⑺ 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介面。

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。放大器採用高頻、可電壓調整增益運算放大器AD603，濾波電路採用高Q 值濾波器，提高了信噪比。二值化電路採用高速比較器MAX909。通過放大以後的超聲波回波信號經過濾波，進入二值化電路，產生回波脈衝信號，送入CPLD，進行時間測量的控制。

4 流量計軟體設計
    軟體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，可以實現定點及循環採樣。
    通訊程序採用中斷、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。

5 CPLD 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 Ⅱ。在本設計中，我們採用的具體型號是MAX7000S 系列器件EPM7128SLC84-15。
⑴ 計時電路的精度
    本設計中的流體流速小於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2 us 左右。在CPLD 內設計有倍頻電路，計數時鐘頻率選100MHz，因而得到相當於200MHz 的計數頻率，解析度達到1/400，滿足設計精度要求 。由前述公式可知，時差ΔT 隨聲程L 增加而增大，因而解析度也會增加，但感測器尺寸隨之增加。L 要根據實際需要確定。

⑵ 計時電路的設計
 
    CPLD 的工作原理圖如圖3 所示，各部分電路功能：
(a) 74373 為地址鎖存器，鎖存CPU 低八位地址信號A0-A7。74138 解碼器對A0-A2進行解碼，產生Y0-Y7 片選信號，控制對I/O 口的操作。
(b) 74273 產生觸發器控制邏輯信號Z0-Z4 及感測器方向切換信號Z5。CPU 在Y0 有效時寫入。
(c) SK0-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) 脈衝寬度發生器的功能是產生一定寬度的脈衝信號SA。其脈衝寬度可以通過Z3…Z0 的不同設置選擇。當FOSC=100MHz， Z3…Z0＝00H 時，脈寬最小，為0.2 us; Z3…Z0=0FFH 時，脈寬最大是2.45us。共有十六種選擇。
     Z4 是採樣啟動/停止/清零控制信號。Z4＝0 停止計數，並清零計數器為下次採樣做準備。
    這裡，探頭頻率為2.5MHz，脈寬取其周期的整數倍2，則Tsa=0.8 us ,所以Z3…Z0=04H，得脈寬=0.8 us。
(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，脈衝寬度發生器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衝，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-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。

⑶ 信號波形圖如圖4 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。

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，它與高爐爐牆厚度測量裝置、冷卻壁進出水溫差測量裝置共同組成一套完整的高爐爐牆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，該流量計精度高、運行穩定、可靠、達到設計要求。

參考文獻：
⒈ 徐愛鈞 智能化測量控制儀錶原理與設計 北京航空航天大學出版社 1995.11
⒉ 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
⒊ 宋萬傑，羅豐，吳順君 CPLD技術及其應用 西安電子科技大學出版社 2000.6