基于ARM的时差法超声波流量计设计

论文摘要

随着科学技术的不断发展,对流量测量的精度要求越来越高,高精度的测量显得日益重要。近年来,超声波流量计以其便携式、非接触测量、高精度、智能化的优点,在流量测量中得到了广泛的应用。本文详细介绍国内外超声波流量计发展的现状与特点、流量测量的特点和管道流量分布规律,提出了基于ARM的时差法超声波流量计的设计方法。该方法以时差法测量原理为依据,在硬件电路设计上,选用高性价比、低功耗的微处理器S3C2440A芯片为核心控制系统,负责信号控制、算法处理、数据通信等功能,利用CPLD芯片ISP1253的在线可编程的特性完成了超声波脉冲的发送与接收、波形信号的提取以及开窗信号的控制,选用时间测量芯片TDC-GP2实现了时差的高精度测量,通过设计信号放大电路、滤波电路、自动增益电路,提高了硬件抗干扰能力,从而在硬件上提高了流量计的测量精度。在软件设计上,本文详细介绍了基于ARM体系结构的移植方法和步骤,为时差法流量计软件设计搭建了一个嵌入式Linux系统开发环境。按照微处理器具有较高处理速度、支持嵌入式操作系统的特点,改进了数据处理的算法,提出了基于频域滤波的数据处理算法,从软件上提高了时差法流量计测量的精确度、稳定性和线性度。利用QT工具开发的人机交互界面,方便了管道参数的输入和增强了数据显示实时性。另外,数据通信部分的软件设计开发,可将流量计实时采集的数据传输到PC上进行分析与保存,提高了流量计的在线检测液体流速的能力和流量的智能化。现场测试证明,该设计方法提高了测量精度,满足高精度测量的要求,在流量测量方面具有很好的前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 超声波流量计的发展现状与特点
• 1.3 本课题主要研究内容
• 2 时差法超声波流量计的测量原理
• 2.1 流量计量物理性参数
• 2.2 管内流速分布与平均流速
• 2.3 时差法超声波流量计的基本原理
• 2.4 影响时差法测量的因素及修正方法
• 2.4.1 管内流体流速分布问题
• 2.4.2 温度对流速的影响
• 3 超声波流量计的硬件电路设计
• 3.1 流量计硬件总体结构设计
• 3.2 ARM9系列微处理器S3C2440A
• 3.2.1 ARM系列微处理器及其结构特点
• 3.2.2 32位RISC微处理器S3C2440A
• 3.2.3 微处理器复位电路和时钟电路
• 3.3 流量计收发电路设计
• 3.3.1 超声波信号收发电路
• 3.4 基于CPLD信号处理与控制电路设计
• 3.4.1 时钟信号的设定
• 3.4.2 发射与接收脉冲获取
• 3.5 时差测量电路设计
• 3.6 串口通信电路设计
• 3.7 网络通信电路设计
• 3.7.1 DM9000E芯片概述
• 3.7.2 网络接口的硬件电路设计
• 3.8 JTAG接口电路设计
• 4 超声波流量计的软件设计
• 4.1 流量计软件系统总体设计
• 4.2 基于ARM体系结构的系统移植
• 4.2.1 交叉编译环境的建立
• 4.2.2 Bootloader引导程序及其移植
• 4.2.3 嵌入式Linux内核的特点与移植
• 4.2.4 嵌入式Linux文件系统的选择及其移植
• 4.3 超声波收发程序设计
• 4.4 流量计时差测量程序设计
• 4.4.1 S3C2440A的SPI驱动程序设计
• 4.4.2 应用程序设计
• 4.5 串口通信程序设计
• 4.5.1 串口驱动程序设计
• 4.5.2 串口应用程序设计
• 4.6 网络通信程序设计
• 4.6.1 嵌入式网络通信基础
• 4.6.2 网络驱动程序概述
• 4.6.4 网络通信程序的设计
• 5 流量计人机交互界面的设计
• 5.1 Linux图形用户界面的介绍
• 5.2 人机交互界面设计思路与构架
• 5.3 人机交互界面设计的实现
• 6 系统测试及数据结果处理
• 6.1 系统测试
• 6.1.1 超声波流量计安装
• 6.1.2 超声波流量计的校验与调整
• 6.2 流量计数据采集
• 6.3 流量计数据处理
• 6.3.1 均值滤波
• 6.3.2 基于频域滤波的数据处理算法
• 6.4 系统误差分析
• 6.5 改进措施
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢