摘要：介紹了便攜式超聲波流量計(jì)的工作原理和系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，分析了系統(tǒng)收發(fā)電路各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，著重介紹了基于FPGA軟核NioslI的便攜式超聲波流量計(jì)的數(shù)字電路部分設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足測(cè)量精度要求，并且減小了便攜式超聲波流量計(jì)的體積，降低了產(chǎn)品成本。
關(guān)鍵詞：便攜式超聲波流量計(jì)；SOPC；NioslI

引言
    超聲波流量計(jì)是隨著IC技術(shù)迅速發(fā)展而開(kāi)始得到實(shí)際應(yīng)用的一種非接觸式儀表。它是一種利用聲學(xué)原理工作的新型流量測(cè)量?jī)x表。與傳統(tǒng)流量計(jì)(如孔板、渦輪流量計(jì)等)相比，它具有測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受介質(zhì)溫度、壓力影響等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在大管徑流量測(cè)量方面，其優(yōu)越性更加明顯，因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
    近年來(lái)，隨著Altera公司32位軟核CPU NiosII的推出，基于FPGA的SOPC(System On a Programmable Chip)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快。SOPC是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，并且可裁剪，可擴(kuò)充，可升級(jí)，同時(shí)具備軟硬件在線(xiàn)系統(tǒng)可編程的功能。SOPC兼具PLD和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，它的特點(diǎn)包括：至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；有足夠的片上可編程邏輯資源；有處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口；可能包含部分可編程模擬電路；單芯片，低功耗，微封裝。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，基于NiosII的SOPC得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
    本文就是基于超聲波以及SOPC這兩項(xiàng)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)便攜式的超聲波流量計(jì)，充分發(fā)揮這兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體、氣體的高精度測(cè)量。

1 工作原理及系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)利用時(shí)差法進(jìn)行流速測(cè)量：安裝于被測(cè)容器頂部的收發(fā)一體的超聲波換能器(A或B)通過(guò)空氣向被測(cè)物體發(fā)射一束超聲波，該聲波經(jīng)被測(cè)物體反射后，回波被換能器(B或A)接收并被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。原理圖如圖1所示。

    這樣，在已知安裝角度θ和管徑D的條件下，測(cè)量A到B的傳播時(shí)間tAB以及從B到A的傳播時(shí)間tBA，通過(guò)計(jì)算可得
   
    這種算法只需測(cè)出tAB與tBA就可以得到流速V，而通過(guò)對(duì)流速進(jìn)行積分運(yùn)算就可以進(jìn)一步算得流量，這就是時(shí)差法測(cè)量流速的基本原理。
    整個(gè)便攜式超聲波流量計(jì)系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)由脈沖發(fā)射電路、回波接收電路、信號(hào)處理電路和CPU控制電路組成。脈沖發(fā)射電路是輸出一定超聲波頻率的脈沖激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大和升壓后驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射超聲波；回波接收電路即是接收回波信號(hào)；信號(hào)處理電路用于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大、帶通濾波、自動(dòng)增益控制、電壓比較等處理；CPU控制電路控制發(fā)射信號(hào)、控制模擬開(kāi)關(guān)、捕獲計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)處理及與外部設(shè)備通信。

2 模擬電路部分設(shè)計(jì)
2．1 超聲波前端驅(qū)動(dòng)電路
    如圖2所示，超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一個(gè)具有特定頻率、脈沖寬度和輸出功率的電脈沖去激勵(lì)超聲波換能器，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波向外發(fā)射。對(duì)于超聲波換能器，超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路提供的功率越大，超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為聲能的效果越好，所以超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該越大越好，但需要注意驅(qū)動(dòng)電壓壓值不能超過(guò)換能器壓降極限。本系統(tǒng)應(yīng)用晶體管組成推挽式電路結(jié)合場(chǎng)效應(yīng)管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)功率放大。

    系統(tǒng)超聲波換能器驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由微處理器產(chǎn)生的，微處理器產(chǎn)生一個(gè)200 kHz的矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后進(jìn)入功率放大電路。根據(jù)換能器的特點(diǎn)，該矩形脈沖信號(hào)占空比為2％。超聲波換能器激勵(lì)信號(hào)如圖3所示。

2．2 超聲波信號(hào)處理電路
    超聲發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)管壁和流體，衰減比較大，因此超聲波接收換能器接收的信號(hào)比較微弱，通常只為幾十mV數(shù)量級(jí)，這時(shí)放大器的噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響也比較大。同時(shí)，由于超聲波流量計(jì)中使用的超聲波頻率較高，所以要求運(yùn)算放大的增益帶寬積足夠高，因此該級(jí)電路采用低噪聲高速運(yùn)算放大器。本系統(tǒng)中選用MAX410作為放大器。
    在超聲波流量計(jì)工作的過(guò)程中，由于振動(dòng)、流動(dòng)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管道噪聲和變頻設(shè)備的電噪聲等電子干擾，會(huì)引起周期性的噪聲信號(hào)出現(xiàn)，并導(dǎo)致在相關(guān)圖上出現(xiàn)周期性波峰。當(dāng)其疊加到流動(dòng)噪聲的相關(guān)曲線(xiàn)上，會(huì)使真實(shí)的渡越時(shí)間對(duì)應(yīng)的波峰不明顯，甚至被其他的波峰掩蓋，無(wú)法得到正確的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)低噪聲高速運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。本系統(tǒng)中的濾波電路為帶通濾波。系統(tǒng)中換能器發(fā)射接收的超聲波中心頻率為200 kHz，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率為200 kHz的帶通濾波器，它可以使200 kHz的超聲波信號(hào)順利地通過(guò)，而阻止或衰減非200 kHz的超聲波信號(hào)及其他干擾信號(hào)。
    另外，超聲波信號(hào)在管道中傳輸時(shí)，由于各個(gè)聲道長(zhǎng)度不同，傳感器特性存在差異，氣體介質(zhì)不同以及測(cè)量時(shí)氣體流速的變化，導(dǎo)致每次測(cè)量時(shí)傳感器接收信號(hào)的幅度也不同。為了后端進(jìn)行高精度的計(jì)時(shí)，需要自動(dòng)增益控制對(duì)接收信號(hào)的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，使接收信號(hào)有一個(gè)穩(wěn)定的幅度，從而滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)量高精度的要求。

3 數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分
3．1 概述
    本系統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分的核心是FPGA。在本系統(tǒng)中FPGA主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：一是實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)時(shí)，為準(zhǔn)確測(cè)量流速提供保證；二是通過(guò)構(gòu)建軟核CPUNioslI來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)選用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208C8N芯片。
    關(guān)于計(jì)時(shí)這里不再贅述，主要就是通過(guò)MEGA WIZARD調(diào)用PLL模塊實(shí)現(xiàn)倍頻到200 MHz然后供給計(jì)數(shù)器模塊來(lái)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)移位寄存器來(lái)上傳給CPU，再通過(guò)CPU處理后傳給上位機(jī)。
    NiosII是32位RISC嵌入式處理器，它是Altera公司的第二代FPGA嵌入式處理器，其性能超過(guò)200DMIPS，在Altera FPGA中實(shí)現(xiàn)僅需35美分。特別是，NioslI系列支持使用專(zhuān)用指令。專(zhuān)用指令是用戶(hù)增加的硬件模塊，它增加了算術(shù)邏輯單元(ALU)。用戶(hù)能為系統(tǒng)中使用的每個(gè)NiosII處理器創(chuàng)建多達(dá)256個(gè)專(zhuān)用指令，這使得設(shè)計(jì)者能夠細(xì)致地調(diào)整系統(tǒng)硬件以滿(mǎn)足性能目標(biāo)。NiosII系列支持60多個(gè)外設(shè)選項(xiàng)，開(kāi)發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè)，獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能?；谄淝度胧降奶攸c(diǎn)以及其成本，NiosII特別適用于便攜式儀表方面的應(yīng)用。
3．2 SOPC的硬件構(gòu)建
    通過(guò)Quartus中的SOPC Builder來(lái)構(gòu)建SOPC系統(tǒng)。首先要添加一個(gè)CPU。為了節(jié)省片上資源，選用經(jīng)濟(jì)型的CPU，外部晶振是50 MHz。程序運(yùn)行內(nèi)存直接選用0n-Chip Memory，因?yàn)镋P2C8Q208C8N片上的RAM空間大概有20 KB左右，通過(guò)優(yōu)化，片上內(nèi)存完全能夠滿(mǎn)足程序的需要，這樣就不必添加外接的SDRAM芯片，減少了PCB板的面積，大大降低了成本。代碼優(yōu)化方法是通過(guò)NioslI IDE里面的System Library Proper-ties來(lái)設(shè)置：依次選中Program Never Exit，Small C Library，Reduced Device Drivers，Lightweight Device Drivers API，取消選中
Support C++并設(shè)定Optimize Size為-0s級(jí)，這樣就可以有效的縮減程序代碼。
    另外，為了向上位機(jī)傳遞測(cè)試數(shù)據(jù)，需要添加UART。這里添加的UART只是一個(gè)協(xié)議，與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，還需要在外圍添加電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的正常通信。
    為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，添加內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗功能，另外需要添加的就是一些PIO接口。能夠產(chǎn)生中斷的PIO口注意要分給一定的中斷號(hào)。CPU的Reset Vectot。地址和Exception Vector地址都設(shè)為On-Chip Memory，并讓系統(tǒng)自動(dòng)分配基地址以及中斷。點(diǎn)擊Generate生成整個(gè)SOPC，圖4即為整個(gè)SOPC的構(gòu)成圖。

3．3 用Niosll IDE編寫(xiě)整個(gè)系統(tǒng)的控制程序
    NiosII IDE(Integrated Development Environment，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境)提供了完整的C／C++軟件開(kāi)發(fā)套件，包括編輯器、項(xiàng)目管理器和構(gòu)建工具、調(diào)試器和兼容CFI(Common Flash Interface)的Flash編程器。調(diào)試器連接多種目標(biāo)系統(tǒng)，包括FPGA硬件(通過(guò)JTAG電纜)、NioslI指令集仿真器和Modelsim-Altera軟件，因而能夠提供最靈活的調(diào)試方案。
    為了方便用戶(hù)編程，NiosII為用戶(hù)提供了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，也就是硬件驅(qū)動(dòng)層數(shù)據(jù)庫(kù)HAL。軟件編寫(xiě)人員只要利用HAL提供的各種函數(shù)就能編寫(xiě)應(yīng)用程序，從而方便地與底層硬件進(jìn)行通信，而無(wú)需關(guān)心底層硬件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。HAL系統(tǒng)庫(kù)可在IDE創(chuàng)建一個(gè)新工程時(shí)，由系統(tǒng)自動(dòng)生成。
    NioslI IDE完全支持C／C++，本系統(tǒng)采用的編程語(yǔ)言是標(biāo)準(zhǔn)C。添加必要的頭文件，編寫(xiě)各個(gè)中斷服務(wù)程序以及子程序，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)超聲波流量計(jì)的控制。
    仿真NiosII設(shè)計(jì)包括3種方式：“NiosII IDE Debugger+Signal Tap II+物理板”的軟硬件聯(lián)調(diào)方式，“NiosII IDE Debugger+指令集仿真器ISS”的軟件調(diào)試方式(ISS可對(duì)部分組件建模)，使用Modelsim-Altera進(jìn)行的RTL級(jí)的功能仿真方式(可以調(diào)試處理器及其外設(shè)之間的交互情況)。Debug的方式可以通過(guò)IDE里面的RunDebug As進(jìn)行選擇。NiosII IDE也可以進(jìn)行設(shè)置斷點(diǎn)，單步調(diào)試，觀察變量，內(nèi)存以及表達(dá)式的值等操作，在此不一一贅述。Debug之后還需要建立工程，若整個(gè)系統(tǒng)無(wú)錯(cuò)，可以生成一個(gè)ELF文件，只有完整建立起來(lái)的系統(tǒng)才可以下載到FPGA的板上運(yùn)行。具體實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)NiosII IDE里面的Project-Build Project來(lái)建立工程，結(jié)果會(huì)提示程序代碼總共占用了多少代碼，剩余多少的RAM空間，以及錯(cuò)誤和警告提示。根據(jù)錯(cuò)誤警告提示修改代碼，直至無(wú)錯(cuò)完整地建立工程，這樣NiosIIIDE里面的工作就全部完成了。通過(guò)FPGA下載線(xiàn)將程序下載到FPGA板上，整個(gè)系統(tǒng)就可以完整地運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    將程序正確下載到FPGA板上，硬件正確連接，接上超聲波探頭，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理的超聲波信號(hào)清晰穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求，效果良好。圖5即為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)接收到的超聲波信號(hào)。圖6為比較電壓的信號(hào)圖。

    圖5中下方是經(jīng)過(guò)濾波之后的超聲波的發(fā)射和接收信號(hào)?？梢钥吹叫盘?hào)清晰穩(wěn)定。上方的信號(hào)是經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制之后的超聲波回波信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)增益控制之后的接收信號(hào)可以穩(wěn)定在一定的幅度之內(nèi)，保證了系統(tǒng)對(duì)高精度計(jì)時(shí)的要求。
     圖6中下方也是濾波之后的超聲波發(fā)射和接收信號(hào)。上方的信號(hào)為電壓比較器所產(chǎn)生的計(jì)時(shí)停止信號(hào)。當(dāng)通過(guò)自動(dòng)增益控制之后的接收信號(hào)達(dá)到電壓比較器的參考電壓時(shí)，電壓比較器便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)時(shí)停止信號(hào)，并發(fā)送給FPGA，這樣計(jì)時(shí)停止，便準(zhǔn)確地測(cè)量了超聲波的傳播
時(shí)間。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理的超聲波信號(hào)清晰穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求，效果良好。