0 引言

    近年来，随着数字技术和集成电路等技术的发展，用户对计量系统精度和可靠性的要求也越来越高，超声波脉冲测流作为一项新技术在石油、化工、水利、水电等领域得到广泛应用[1]。

    针对传统超声波测流系统中存在的数据处理能力较差、精度较低、稳定性不可靠等问题，本文设计了一种基于DSP（数字信号处理）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）的超声波流量检测系统。该系统应用超声波频差法测量原理，采用环鸣方案进行连续测量。其主控芯片、PCI总线、超声波收发电路、逻辑和控制计数器件均采用高精度的集成芯片。将CPLD和DSP技术的结合起来实现DSP器件系统的解决方案，使数据采集和处理精度更高、速度更快、工作更有效，为测控仪器向高层次智能化方向发展提供了充分的现实可行性。

    1 系统设计原理

    1.1 超声波频差法测流[2-3]

    超声波频差法是通过测量在流体中超声脉冲的循环频率差来反映流量的大小，其比例常数和声速无关，不会因被测流体温度变化导致声速变化而产生测量误差。测流管道超声波换能器配置如图1所示。

图1 超声波管道测流原理示意

超声波信号从换能器P1发送到换能器P2时，在流体中顺流传播时间为：

     （1）

    式中，u为流体平均流速；D为管道内径；c为超声波在静止流体中的传播速度；θ为超声波传播方向与流体流速u之间的夹角。

    由于系统在每次测量中都存在固有电声延时t0（t0是电路及电缆延时、换能器电声转换延时及其他非被测流体中声传播延时的总和），所以τ1是顺流时差测量值t12与固有电声延时t0之差，即τ1=t12-t0；

    当超声波信号从换能器P2发送到换能器P1时，即逆流传播时间为：

     （2）

    式中，τ2是逆流时差测量值t21与固有电声延时值t0之间的差，即τ2=t21-t0。

    在顺流测量时，t12是连续M次测量顺流时差平均值，减去常数固有电声延时t0后得τ1，即为顺流测量时的理想环鸣周期，可得理想环鸣频率

     （3）

    同理得出逆流测量时的理想环鸣频率

     （4）

    令频差Δf=f1-f2，联立式（1）至式（4）可得

     （5）

    即u=D×Δf/sin2θ，消除了超声波静流传播速度c对流速u的影响。由于流量计算所需的是流体面平均速度，因而还应将式（5）中的流体线平均流速u进一步化简。由流体力学理论可知，当流体的流动状态为紊流时，管内横截面上流体的平均流速v与线平均流速u之间的关系是雷诺数Re的函数，即

     （6）

   其中，k为流量修正系数，

     （7）

    式中，λ为光滑圆管的阻力系数，λ=0.0032+0.221Re-0.237（Re>4000）。雷诺数Re可由管道内径，流体运动粘滞系数等求得。因而对于内径为D的管道，流体瞬时流量q由超声波频差法测定

     （8）

    1.2 环鸣方案工作原理

    本文设计的流量检测系统是采用多脉冲连续收发方式，对超声波脉冲数进行连续测量，达到预设环鸣次数M后，收发转向并重新开始计数⋯⋯如此循环往复收发和脉冲计数，因此得名为环鸣方案[4]。

    设计数器的计数频率为f0，超声波发射顺流时脉冲计数值为N1，则单次顺流发射传播时间

     （9）

    设超声波发射逆流时计数值为N2，则单次逆流发射传播时间

    （10）

    由式（5）、式（9）和式（10）联合推导得环鸣频率

     （11）

    将式（11）代入式（5）及式（8）即可得系统测取的流体流量

       （12）

    由此可知，在连续测量中只需逐次将测得的q值对时间积分，可得任意时间段内的累积流量Q。

    2 系统硬件设计

    基于DSP和CPLD的超声波流量检测系统的硬件核心是一片DSP芯片，一片PCI芯片，一片CPLD专用控制芯片和两片超声波收发专用集成芯片。系统总体结构如图2所示。各部分的主要功能如下：

图2 超声波流量检测系统结构示意

    （1）在上位机上运行专用的超声波流量检测系统软件，进行测量参数设置，通信模式设定，结果显示及输出方式选择等。

    （2）主控芯片DSP负责系统数据信息交流和处理，并将数据上传到上位机；DSP芯片采用TI公司的TMS320F2812，它具有32位定点DSP内核，最高频率为150MHz，运行速度快（150MIPS），处理功能强，还具有丰富的片内外设，便于接口和模块化设计。用它构成测试系统不但能够很好地满足运算速度快、实时性强、可靠性高等要求，而且性价比也较好。

    （3）PCI总线负责DSP和上位机之间的通信，芯片选用CYPRESS公司的PCI专用控制芯片CY7C09449PV，相对于其他PCI接口芯片，该芯片最大的特色是内部含有16kB的双口RAM，且支持DMA，因而可不必另外配置外部存储器，使系统硬件结构更加紧凑，且其内部还自带FIFO（先进先出），支持I2O（智能输入输出）信息传输机制。

图3 系统进行一次测量的CPLD及LM1812N逻辑时序

    （4）CPLD模块包括时差测量系统和逻辑控制系统两大部分，配置有32位计数器，计数控制电路，32-8四选一数据选择器[5]。芯片选用Altera公司的EPM240，将采集到的数字信号进行处理，并且把超声波收发模块的控制电路、地址分配等设计在EPM240中，使整个系统结构简单化，体积小型化，功能多样化。

    （5）超声波收发模块在CPLD的控制下进行超声波交替发送与接收，由声道选择器选择具体的工作声道。超声波收发模块由美国国家半导体公司的LM1812N芯片及其外围电路构成。LM1812N是一种性能优良，且既能发送又能接收超声波的通用型超声波集成器件。芯片内部包括脉冲调制C类振荡器、高增益接收器、脉冲调制检测器及噪音抑制器等几个部分。

    （6）声学系统由安装管道及超声波换能器组成，是测量系统的传感器部分。声道数量选择和换能器观测点布置视具体的精度要求和安装现场而定。

    本流量检测系统完成一次测量的控制及输入、输出逻辑时序如图3所示。

    3 系统软件设计

    本流量检测系统的软件部分主要包括DSP软件和PC软件，系统的软件流程如图4所示。

图4 系统软件流程示意

    DSP在整个系统中起着核心控制作用，DSP软件是PCI卡软件系统的核心部分，包括对DSP的配置、A/D采样和信号处理及控制算法处理等。PC软件部分主要包括PCI板卡驱动程序和用户人机界面接口程序等。

    DSP软件部分的主要任务是对测试系统进行初始化、管理DSP外围电路、完成数据信号采集和数据处理等。DSP数据处理包含对计数结果同步读取、数据运算求解、内部存储，通过串口通信，将流速、流量等相关数据上传至上位机，由友好用户操作界面以数值和曲线两种方式显示出来；DSP主程序的流程见图5。

图5 DSP主程序流程

    4 系统误差分析

    4.1 测量误差的主要来源

    超声波测流的误差来源主要有安装误差、声信号强度变化误差、温度和压力变化误差、脉动流误差等方面。这些误差，可以在超声波流量计的设计制造及现场安装中采取预防措施，使流量计的误差符合实际测流的要求。而在基于频差法的超声波流量检测系统中，计数器的计数误差也是测量误差的来源之一。

    设计数器的采样周期为t0（=1/f0），一次采样脉冲数为n0，则超声波在流体中的传播时间t=t0n0，用全微分的方法求得时间t的测量误差式：

     （13）

    式（13）表明超声波测量误差分成两个部分，n0dt0是频率不稳定引起的误差，这一误差可以能过选择高性能的计数器而加以改善；而t0dn0则是由计数器的计数误差所引起的。

    4.2 计数误差的处理

    超声波顺流发射经环鸣M次后，顺流脉冲计数N1=[MT1/t0]，由于M与T1的乘积并不一定恰好是计数周期t0的整数倍，而计数器计得的脉冲数N1却一定为整数；当MT1/t0之值带有小数部分时，其小数值是被完全舍弃的（逆流时也是如此）；因而就出现了测量时的计数误差，这部分计数误差的最大数值为一个脉冲，并且这个计数误差不能完全消除，只能采取相应措施来减少计数误差值。

    本系统是利用超声波多脉冲声循环对微小时间进行累积，优选最佳的计数频率f0和环鸣次数M值来减少计数误差的。通过建立误差分析模型，确定误差与计数频率、环鸣次数的关系函数

     （14）

    式中，x1、x2分别表示表示将括号内的数积取整。

    利用某水电站标定的流量数据，联合式（14），用matlab7.0编程求解，并绘制误差分布见图6。通过数值模拟计算，选用计数频率f0=100MHz，环鸣次数M=36进行测量最为合适，误差分析结果输出如图7所示。实际测量中，在上位机设置参数后，系统自动计算推荐优化的计数频率f0和环鸣次数M以供测流选择。

图6 脉冲计数误差分布

    5 结语

    基于DSP和CPLD的超声波流量检测系统应用超声波频差法测量原理，采用环鸣方案进行连续测量，由于DSP芯片的集成度高，使得检测系统的电路简化，抗干扰能力加强，因而系统具有更好的可靠性与测量实时性，可广泛用于水电站进水管道及河流沟渠测流，圆形管道（钢管或混凝土管）、方形涵洞、开敞的明渠测流均可适用；还可以根据管路条件及对测量精度的要求，分别采用2、4、8或16声道任意组合。此外，在研制基于DSP和CPLD的超声波流量检测系统的基础上，如何有效结合水电站计算机监控系统，开发水力发电机组流量及效率在线监测系统，对机组运行特性进行长期连续监测，也是今后进一步研究的重点。

图7 脉冲计数误差数值分析

    参考文献：

    [1] 阮芬，马树升，白清俊，等.超声波流量计的测流原理及其应用研究[J].山东农业大学学报（自然科学版），2006，37（1）：99-104.
    [2] 梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002，304-321.
    [3] 吴穹，周建中，周万涛，等.基于超声波的车载土石方计量系统[J].水力发电，2007，33（3）：49-51.
    [4] 吴玉玉，孙长柏.用8031单片机实现声速精确测量[J].工业仪表与自动化装置，1995，（4）：21-24.
    [5] 李广峰，刘昉，高勇.超声波流量计的高精度测量技术[J].仪器仪表学报，2001，22（6）：644-647.

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