基于SOPC的超声波流量计的研制

论文摘要

目前,流量计在化工、冶金、石油输送、天然气输送、民用水表、民用燃气等方面都有广泛的应用。而超声波流量计是在超声波技术发展到一定程度之后才得以应用在实际生产场合的一种新型的流量测量技术,论文在借鉴了目前的SOPC（System On Progmmable Chip）技术的基础上,通过吸收国内外先进的超声波流量测量技术,采用交叉声路时差法的测量原理,设计了一款基于SOPC技术的气体超声波流量计,流速的测量范围为5-350 m3/h,测量的精度可达±2%,重复性可达1%。该流量计在软硬件的设计方面具有以下特点:通过采用SOPC技术,实现了软硬件的协同设计,最大限度的利用了现有的IP核进行系统设计,并自行设计了系统所需的功能IP模块,通过总线成功的实现了通信,简化了外部硬件电路的设计,减少了外部噪声的干扰,提高了系统的可靠性。通过采用与换能器匹配良好的发射接收电路,极大的提高了收发电路的工作性能;又通过设计合理的程控放大电路,扩大了放大电路的动态范围;并通过采用带通滤波电路、门限比较电路、高速数据采集电路以及相应的数字信号处理技术来减小外部噪声干扰。通过软件算法对流速修正系数进行自动修正以减小误差,提高了系统的性能。通过采用延迟窗口接收技术,减小了干扰脉冲对测量结果的影响;另外,通过采用脉冲宽度检测技术来识别接收信号,提高了系统的稳定性,并通过使用VC++编写了上位机通信程序,实现对流量的实时监控。现场测试表明,系统运行稳定,测量精度在较宽的测量范围内达到了2%,为今后开发高性能的气体超声波流量计奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 超声波流量计概述
• 1.2 超声波流量计的种类和区别
• 1.3 超声波流量计的实现方法
• 1.3.1 传播速度差法
• 1.3.2 相关法
• 1.3.3 多普勒法
• 1.4 论文研究内容及主要创新点
• 2 SOPC技术原理及开发简介
• 2.1 FPGA技术
• 2.1.1 FPGA概述
• 2.1.2 FPGA结构与原理
• 2.1.3 FPGA器件的选择
• 2.2 SOPC技术
• 2.2.1 SOPC技术概述
• 2.2.2 SOPC开发流程
• 2.2.3 SOPC开发环境简介
• 2.3 SOPC流量计的软核处理器
• 2.3.1 MicroBlaze软核的基本架构
• 2.3.2 MicroBlaze软核的总线结构
• 2.4 SOPC流量计的检测原理与实现方法
• 2.4.1 SOPC流量计检测原理
• 2.4.2 SOPC流量计实现方法
• 3 SOPC流量计的硬件设计
• 3.1 系统方案设计
• 3.2 硬件电路设计
• 3.2.1 超声波换能器激励电路
• 3.2.2 超声波发射接收转换电路
• 3.2.3 滤波放大电路
• 3.2.4 数据采集电路
• 3.2.5 数据存储电路
• 3.2.6 RS232电路
• 3.2.7 电源电路
• 3.2.8 实时时钟电路
• 3.3 硬件抗干扰措施
• 4 SOPC流量计的软件设计
• 4.1 系统软件功能介绍
• 4.2 系统软件模块设计
• 4.2.1 SOPC软核程序的设计
• 4.2.2 SOPC中IP模块设计
• 4.2.3 上位机软件的设计
• 4.3 软件抗干扰设计
• 5 测试结果与误差分析
• 5.1 测试结果
• 5.2 误差分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢