基于ARM9的超声波气体流量计

　　1 超声波测量原理

　　文中所设计的是时差法流量计[1]，其测量原理如图1 所示。

　　在所要测量流体的管壁上安装 2 个超声波探头 A、B( 这里的探头具有收发功能) ，流体流速为 v，管道直径为 D，超声波声道长度为 L，由物理知识可知:逆流传播时间为:

　　顺流传播时间为:

　　因此流体的速度公式为:

　　然后在给定时间内可计算出流体流过的体积，再通过测量管道内气体的温度和压力转换为标准气压下的提体积流量。

　　2 系统方案与硬件设计

　　2. 1 总体设计

　　图2 所示为该嵌入式仪表设计的总框图，由测量原理可知，此处的关键是要精准计时，因此，文中应用了 FPGA 做实时计时，而应用 S3C2440 作为嵌入式平台的控制核心芯片。

　　设计中的超声波探头为发射/接收型传感器，超声波发射与接收的功能切换由发射/接收切换电路完成，即当 A 处于发射状态时，B 处于接收状态，两探头分别连入发射、接收到的超声波信号经前置放大滤波处理。由于管道内气体介质在不同状况下对超声波信号产生的能量衰减不同，所以超声波接收器每次输出信号的峰值电压都可能不同，因此，采用接收电路，AGC 自动增益控制环节，以方便后的电压比较。

　　2. 2 电源模块

　　该模块主要用来提供系统各个芯片及模块所需电源，文中采用 MAX 系类芯片实现+ 12 V、- 12 V、+ 5 V、- 5 V、+ 3. 3 V、- 3. 3 V 等。如图3 所示。

　　2. 3 发射接收模块

　　系统中超声波传感器采用收发一体型AT200，超声波发射与接收之间的功能切换由发射/接收转换电路完成，超声波发射由外部发射电路驱动完成，如图4 所示。

　　这里采用脉冲群触发方式，脉冲群信号由S3c2440 产生，由于超声波触发过程为每个上升沿触发，所以为了得到群脉冲的上升沿部分，这里串入了电阻与电容构成的微分器，其中RC2. 5 μs. 经过推挽电路驱动输出后经脉冲变压器输出AT200需要的驱动电压。仿真过程中采用频率为200 kHz 的方波信号，其仿真结果如图5 所示。

　　从图中可以看出，此电路在合理的设置参数后，能产生AT200 所需要的脉冲驱动电压。

　　2. 4 信号调理及采集模块

　　信号调理包括前置放大滤波、程控放大以及电压调整电路设计，数据采集主要为峰值采样，管内温度及压力采样，以及电压比较电路[2]。超声波传感器收到超声波信号后，输出一很微弱的正弦交流信号，峰值电压一般只有几个 mV 数量级。这个微弱的信号首先经过AD620AN 进行前置放大，然后经四阶带通滤波器MAX275 滤掉高频及低频干扰，进入VCA810 自动增益控制环节( AGC) ，AGC 自动增益控制环节主要包括有效峰值采样电路、Aduc812、电压调整电路和增益算法实现电路构成。当检测到第一个有效波峰值时，通过电压比较电路产生比较脉冲触发FPGA 计时停止。