多声道超声波气体流量计信号处理模块设计

论文摘要

超声波流量计是随着IC技术迅速发展而开始得到实际应用的一种非接触式仪表。在测量气体领域,应用最广泛的测量方法是时差法。时差法超声波流量计是通过测量超声波信号在气体中顺流和逆流传播时间之差来反映流体流速的,它具有运行稳定,非接触测量,计量准确可靠,无压力损失,节约能源等特点,是一种非常理想的节能型流量计,具有很大的应用前景。本课题是泉州日新流量仪器仪表公司投资,经过大量的调研和分析,对国内外各种超声波流量计进行比较分析,研制出具有先进水平的多声道超声波气体流量计。首先对超声波流量计进行了整体的介绍,然后分析了时差法超声波流量计的工作原理、超声波信号检测原理,并对超声波传感器的特性进行了介绍,经过分析选择了200KHz的超声波传感器。接着介绍了本课题的总体设计,本课题选择单片机+FPGA方案,单片机对整个系统进行控制和数据采集分析,FPGA主要是进行高精度计时,本课题选用的LPC936单片机内部集成了很多模块,简化了电路设计,同时也提高了系统的稳定性。本课题中选用的FPGA是ALTERA公司CycloneII系列的EP2C5Q208C8,FPGA中高速计时电路模块的设计保证了系统测量的高精度。本课题硬件电路的设计中主要是自动增益控制电路设计,该电路保证了超声波接收信号的稳定性,对后面信号进一步处理起到很重要作用。本课题中另外一个重要的部分是单片机程序的编写,单片机程序模块主要有超声波信号的发射接收,自动增益控制,与FPGA数据传输,数据分析等等。程序采用模块化编程,方便升级和调试,很好地完成了单片机的核心控制作用。整个系统调试完成后,在泉州日新流量仪器仪表公司的气体检定室进行检定,实验结果表明,本课题设计的多声道超声波气体流量计工作稳定可靠、测量精度高,综合性能达到了预先设定的设计目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 流量计发展历史与现状
• 1.2 超声波流量计介绍
• 1.2.1 超声波流量计发展历史与现状
• 1.2.2 超声波流量计的特点
• 1.3 本课题研究内容
• 第二章 超声波气体流量计理论分析
• 2.1 超声波流量计测量原理
• 2.2 时差法测量原理
• 2.3 超声波传感器
• 2.3.1 超声波简介
• 2.3.2 超声波传感器原理及选择
• 2.4 小结
• 第三章 系统方案与硬件电路设计
• 3.1 系统方案总体设计
• 3.2 自动增益控制电路设计
• 3.2.1 自动增益控制芯片VCA810
• 3.2.2 峰值采样保持电路
• 3.2.3 A/D 采样与D/A 输出
• 3.2.4 电压调整电路
• 3.3 电压比较器电路设计
• 3.4 单片机电路设计
• 3.4.1 LPC936 主要特性
• 3.4.2 LPC936 各管脚定义
• 3.4.3 LPC936 外围电路设计
• 3.4.4 LPC936 接口电路设计
• 3.5 小结
• 第四章 FPGA 设计
• 4.1 FPGA 介绍
• 4.1.1 FPGA 特点
• 4.1.2 FPGA 设计流程
• 4.2 FGPA 硬件电路设计
• 4.2.1 FPGA 时钟与电源电路设计
• 4.2.2 FPGA 配置电路设计
• 4.2.3 FPGA 接口部分
• 4.3 FPGA 计数器逻辑实现
• 4.3.1 时钟管理模块
• 4.3.2 计数器模块
• 4.3.3 数据输出模块
• 4.4 小结
• 第五章 单片机软件程序设计
• 5.1 软件总体框图
• 5.2 测量模块设计
• 5.3 与FPGA 数据传输模块设计
• 5.4 串口通信模块设计
• 5.5 小结
• 第六章 系统测试与数据分析
• 6.1 实验结果及分析
• 6.2 实验数据曲线分析
• 6.2.1 流体流速曲线拟合
• 6.2.2 流体流速精度分析
• 6.3 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果
• 附录