基于CPLD的超声波流量计的设计与实现

　　目前市场上常见的超声波明渠流量计通常采用微处理器定时控制超声波的发射,并利用中断接收回波的检测,计算其发射接受的时间差,然后经微处理器的数据处理获得需要的数据[1]。这种设备由于受到微处理器计时速度的制约,很容易导致液位测量存在较大的不确定度误差,难以满足高精度检测的需要。

　　利用CPLD运行速度快、内部资源丰富的优势,将其用于超声波信号处理,能够显著提高计时精度,并实现一些抗干扰逻辑设计,有效地提高系统的抗干扰能力和测量精度。

　　1　流量测量原理

　　由于流体液位和流量存在一一对应的关系,因此测量液体流量常用的一种方法是间接测量流体的液位[2]。测量时也分为接触式测量和非接触时测量,考虑到被测对象可能存在的腐蚀性和较多杂质的特点,气介式超声法得到了较为广泛的应用。

　　超声测距常用脉冲回波法[1],由系统通过超声波传感器发射声脉冲,声波遇被测流体表面反射回来。回波信号由超声波传感器接收后,经放大器放大,由阈值电路来检测第一个回波到达的时间与发射脉冲触发时间的时间差Δt(一般称渡越时间),即得超声波传感器至被测物体的距离为:

　　2　系统总体方案

　　2.1　系统框架

　　由于超声波传感器的返回信号幅值很小,在远距离传输的情况下必然会引起衰减、失真,且易受现场其他设备干扰。因此该系统采用分体式设计,分为变送器和主仪器两部分。变送器部分主要负责超声波传感器的驱动、回波接收、数据处理,将数字信号通过串行通信的方式传递给主仪器。主仪器负责串行通信,并提供必要的人机交互以及存储功能。变送器的结构框图如图1所示。

　　变送器部分采用PHILIPS的LPC2148为中央处理器,以ALTERA公司的EPM7128SLC84-15波收发控制及信号处理核心。EPM7128SLC84-15用于超声波部分的控制,而LPC2148则定时从CPLD中读取数据上传给主仪器端。

　　主仪器主要负责接收变送器数据并进行数据加工、数据存储,结果显示、历史记录的查询统计、模拟输出和数字输出、报警信号输出、系统参数的调整等其它辅助功能。主仪器包括:显示与和键盘电路、系统时钟电路、“看门狗”电路、外部存储器电路(上述部分集成在同一片芯片FM31256中)、通信电路、译码电路和稳压电源电路等功能模块。主仪器硬件设计的功能框图如图2所示。

　　2.2　CPLD模块设计

　　2.2.1　超声波触发信号

　　系统工作时,需要周期性地控制超声波传感器发射出超声波信号,使其每个周期信号包含8个脉冲。为了达到良好的控制效果,需要控制所产生信号的频率等于传感器中心频率。