基于FPGA的多声路超声波流量计设计与实现

摘 要：利用现场可编程门阵列（FPGA）的灵活配置功能及丰富高速的硬件逻辑资源，设计并实现了时差法多声波超声波流量计。介绍了超声波流量计测量原理与方法，给出系统硬件设计方案，包括FPGA内部逻辑设计及外围电路设计，同时给出了超声波换能器发射、接收电路及收发换能器自动切换电路的原理，完成了主控流程的软件设计，实现了多声路超声波高压脉冲发射、回波信号自动增益控制、传播时间的高速测量等，所研制的多声路超声波流量计具有扩展性好、精度高、测量距离远等特点。

关键字：超声波流量计 现场可编程门阵列（FPGA） 自动增益控制 精度高

    0 引言

    超声波是频率高于20kHz的声波，它方向性好、穿透能力强，易于获得较集中的声能，在液体中传播距离远。超声波流量计是利用超声波在液体中传播时载流体流速的信息来实现流量的测量，因其安装方便、测量精度高、测量距离远，适宜测量大管径或较宽的渠道内流体流速，在水利、电力、石化及冶金等行业有着广泛的应用。

    以多声路时差法超声波流量计为研究对象，对超声波流量计的硬件平台和软件设计进行研究，利用嵌入式软核处理器、高速数字逻辑及现代电力电子技术，设计了基于FPGA的多声路超声波流量计实现方案。该方案利用功能强大FPGA，实现嵌入式软核处理器和高速逻辑的紧密结合，完成超声波换能器的大功率发射，采用高速A/D实现接收换能器回波信号的高速采集，使得所研制的多声路超声波流量计具有测量距离远、传播计数精度高等特点。

    1 时差法超声波流量计原理

    时差法超声波流量计的原理是通过测量流体的流速，进而计算流体的流量。其测量方法原理如图1所示，在管道或渠道的上下游位置各安装一个超声波换能器，换能器A安装在上游，换能器B安装在下游。在一个时刻，换能器A发射超声波信号，换能器B接收超声波信号，而在另一时刻，换能器B发射超声波信号，换能器A接收超声波信号。通过计算超声波由换能器A发射到换能器B接收的时间，就可以得出其在流体中的顺流传播时间；同理，计算超声波由换能器B发射到换能器A接收的时间，就可以得出其在流体中逆流传播时间。

    由超声波在管道或渠道中的顺流和逆流传播时间，结合管道或渠道的截面参数，就可以计算瞬时流量。

图1 时差法超声波流量计测量原理

    超声波流量计在流体中顺流和逆流的传播时间计算如下式所示

        （1）

        （2）

    式中：T_AB为超声波在流体中顺流传播时间；T_BA为超声波在流体中逆流传播时间；υ为流体速度；L为换能器A与换能器B之间声路长；φ为声路与流速之间的夹角；C为超声波在静水中的传播速度。由以上两式推导出该流量计测量出所在声路的流体流速为

        （3）

    2 系统硬件设计

    多声路超声波流量计总体硬件方案如图2所示，由主处理器FPGA、高压发射电路、接收与放大电路、发射接收切换控制电路及收发换能器组成。

图2 基于FPGA的超声波流量计硬件系统结构图

    2.1 主处理器FPGA设计

    主处理器选用Xilinx公司的高速中型Spartan系列FPGA，内部资源丰富，多达150000个逻辑单元，具有分布式BlockRAM，内嵌高速软核处理器Mi-croBlaze作为主CPU，可根据设计需要添加SDRAM存储器软核控制器、串口通信UART软核控制器及各类功能的数字信号处理器（DSP）软核，同时可实现用户自定义各类逻辑功能，实现CPU、高速逻辑及SDRAM之间的高速数据交互，具有较强的设计灵活性。

    多声路超声波流量计的FPGA外围电路及内部逻辑功能结构如图3所示。外围电路包括供电电源、监视复位电路、晶振及JTAG调试接口等，同时包含了外部SDRAM存储器及FPGA的上电配置FLASH存储器。

图3 超声波流量计FPGA内部原理框图

    FPGA内部设计嵌入式软核处理器MicroBlaze作为主控单元，通过内部独立的AXI（AdvancedExtensi-bleInterface）总线与外部SDRAM存储器相连，实现程序和数据的高速存储和交互。FPGA内部的其他逻辑，如发射控制逻辑、收发切换逻辑、高速A/D采样控制逻辑、增益控制及串口通信均设计在AXI_Lite总线（AXI总线简化版）上，软核处理器MicroBlaze通过读写AXI_Lite总线就可以实现对外部设备控制及数据获取。

    2.2 发射电路

    超声波换能器是一种电声能量转换器件，作为发射换能器时，把高频电信号转换成超声波信号，而作为接收换能器时则把超声波信号转换为电信号。超声波流量计的发射电路就是为超声波换能器提供一定高频电压信号，激励换能器发出超声波。

    为使超声波换能器产生良好的超声波信号，需要用一定的高电压驱动超声波换能器，且发射电压的脉冲宽度尽量和换能器的固有频率一致。经试验研究，方案选取400V的电压作为换能器驱动电压。发射电路的原理如图4所示，主要由驱动电路、场效应管Q及变压器T组成。其中变压器的变比为1∶17，驱动电路把一次侧24V电压通过场效应管Q的开关及变压器T升压，形成400V的高电压脉冲去驱动换能器。

图4 超声波流量计发射电路

    2.3 接收放大电路

    接收放大电路对接收换能器所接收到的超声波信号进行限幅、滤波、放大、比较和采集等。接收放大电路原理如图5所示。

图5 超声波流量计接收与放大电路

    接收放大电路接收到超声波信号之后，首先对信号进行限幅和保护，以免后级电路受到损害。多声路超声波流量计所采用的超声波换能器固有频率一般为1～2MHz，所以设计了窄带滤波电路，滤除0.5～5MHz之外的杂波干扰信号。由于流量计各声路测量距离不同，在同样发射电压的情况下，接收换能器所接收到的回波信号幅值大小会不一样，为了使后续A/D采集和检波电路能够正确识别有效回波信号，需要对不同大小的回波信号进行放大，使其进入A/D和检波电路的信号幅值大致相同，所以专门设计了自动增益控制电路，把回波信号的幅值放大至1V左右。

    2.4 发射与接收切换控制电路

    根据超声波流量计的测量原理路，上游与下游的换能器既可以作为发射换能器又可以作为接收换能器，因为发射时需要给换能器施加高压，而接收时需要把换能器微弱信号与接收放大电路相连。发射与接收切换控制电路的原理如图6所示，其中K1与K2为双刀双掷的固态继电器。该电路的工作原理是，换能器A作为发射换能器，换能器B作为接收换能器，高压发射前，由FPGA控制驱动电路，使继电器K1的触点导通，400V的高压以脉冲形式驱动换能器A，发射结束后，使继电器K1断开，延时一定时间后使继电器K2的触点导通，等待换能器B接收信号的到来。当换能器B作为发射换能器，换能器A作为接收换能器时，发射流程同上，只是发射时使继电器K2闭合，接收时使继电器K1闭合。

图6 超声波流量计发射与接收切换电路

    3 软件设计

    多声路超声波流量计的程序设计包括C语言实现的软件以及VerilogHDL实现的硬件逻辑程序。C语言程序为主控程序，负责整个超声波流量计发射、接收、通信、数据存储等控制功能；硬件逻辑程序在主程序的控制下，协助实现发射脉冲的形成、自动传播计数启动与停止、高速A/D采集控制、数字滤波及其他外设的控制。

    多声路超声波流量计的主程序运行在软核处理器MicroBlaze中，完成各声路换能器收发流程控制，对接收信号进行窄带滤波、增益控制、A/D采集控制，测量各声路的超声波信号在流体中正向和逆向传播时间，计算其差值，并根据式（3）计算流体的轴向流速，再结合管道或渠道的横截面积计算出流体的瞬时流量。

    主控程序的流程如图7所示，FPGA上电后，自动从外部FLASH中读取数据，完成软核处理器MicroB-laze及其他IP软核的硬件配置，然后C语言的主程序在MicroBlaze中运行，首先读取测量声路的数量、长度、换能器类型及安装角度等信息，完成通信速率配置及增益值的预设置。如果读取失败则一直等待配置信息，如果配置信息读取成功，则首先对第一声路进行高压发射，同时启动传播时间高速计数器，待接收信号到达时使高速计数器停止，启动A/D采样，计算回波幅值大小，调整接收信号的增益，使下一次接收信号的幅值稳定在1V左右，如此循环，完成对所有声路的增益调节和传播时间计数的测量，再通过各声路顺流和逆流传播时间差值计算流速与瞬时流量，进行存储或通过RS-485总线的方式上送。

图7 主控程序的流程图

    4 试验结果与总结

    为验证基于FPGA的多声路超声波流量计的实际效果，分别在静水和动水中进行传播时间测量精度和流量测量精度试验。

    在声路长为1m的静水水槽中安装了一对超声波换能器，通过试验发现，采取400V的电压驱动超声波发射换能器，接收换能器接收到原始信号的幅值0.3V左右。通过软件设定，使A/D采集到的信号幅值始终在1V左右，自动增益控制能自动对接收信号进行放大，放大倍数为3倍左右，观察到正逆向高速传播时间计数差值仅为4～6，即静水中的传播时间最大差值为30ns，满足系统设计要求。

    该多声路超声波流量计按照平行4声路的布置方法，在国家水大流量计量站进行流量精度测量试验，通过校准及标定，该流量计的准确度等级达0.5级，得了良好的设计效果。