基于NIOSⅡ的超声波明渠流量计设计

　　流量测量在工矿企业、农田河流、环境保护等许多领域中占有非常重要的位置。作为流量监测的重要组成部分，明渠流量测量广泛应用于工业企业、河流、农业用水中给、排水槽流量测量，由于多数场合被测液体均有较多杂质和一定的腐蚀性，故采用非接触法测量，从而超声波流量计得到大量应用。

　　目前多数超声波流量计都是以MCU 作为主控芯片 ，其输出信号频率较低且可升级性差、精度低。 文中采用在 FPGA中构建NIOSⅡ软核的方法实现对超声波明渠流量计的核心　　控制，在设计过程中由于SOPC(可编程片上系统 )的可定制性，使其硬件设计灵活可靠。

　　1 超声波明渠流量计的基本原理

　　明渠流量计是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。 非满管状态流动的水路称作明渠，测量明渠中水流流量的仪表称作明渠流量计(open channel flowmeter)。明渠流通剖面除圆形外，还有 U 字形、梯形、矩形等多种形状。 按测量原理大体可分为堰法 、测流槽法 、流速-水位计算法和电磁流量计法。实际应用最为广泛的是堰式和槽式流量计[1]。以超声法检测明渠液位并进而计算流量的仪器仪表称为超声波明渠流量计。 图 1 为超声波明渠流量计原理图。

　　当被测介质全部通过流量槽(Parshall-巴歇尔槽，无喉道槽)或堰(直角三角形缺口薄壁堰、矩形缺口薄壁堰)形成自然流动时，其流量 Q 与流量槽上流水位 H 就有如下关系式：

　　2 SOPC 硬件系统设计

        图2 为系统 SOPC 结构图[2]。 主要由 32 位 NIOSⅡ软核处理器、Avalon 数据总线、串行通讯控制器、EPCS 串行 Flash 控制器、数据存储控制器、LCD显示控制器、键盘交互控制器、RS485 通讯控制器 、超声波信号处理控制器 、实时时钟控制器、电流环输出电路控制器组成，整个控制系统在一片现场可编程逻辑阵列(FPGA)上实现。

　　FPGA 发送超声波控制信号给超声波收发电路 ， 等待收到超声波信号，放大、处理经超声波信号处理控制器得到实时流量，分别送到 LCD 显示器显示和数据存储器存储，键盘电路可以查询之前记录的流量值和设置时钟、通讯等相关参数;RS485串行通讯和电流环输出电路用于上位数据采集及异地显示联网。 由于 FPGA 掉电丢失数据，故将程序存储于　EPCS 串行 flash 中，FPGA 上电后从 flash 中加载程序执行。

　　SOPC 系统通过 Altera QuartusⅡ软件中的 SOPC Builder构建。在SOPC Builder 中提供了 NIOSⅡCPU、Flash 存储器接口、SPI控制器、定时器等IP 核，其他模块自定义设计[3]。如图3为通过SOPC Builder 开发工具定制本系统的 SOPC 硬件系统。添加完FPGA 引脚编译后得到的原理图文件如图 4 所示.