基于STM32 和FPGA 的多參數(shù)四聲道超聲波流量計(jì)

李淼淼 祝冉冉 孫朝陽(yáng)

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 安徽省淮南市 232000）

流體參數(shù)包括體積流量、密度、質(zhì)量流量等，實(shí)驗(yàn)研究與工業(yè)生產(chǎn)中通常需要精確的測(cè)量出這些參數(shù)的值。對(duì)于流體的各個(gè)參數(shù)而言，都有一些對(duì)應(yīng)的測(cè)量?jī)x器，如密度計(jì)、流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)。流量計(jì)作為檢測(cè)流量的計(jì)量工具，在天然氣傳輸、居民日常用水、燃?xì)?、石油、醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)、冶金造紙、化學(xué)化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也一直都是自動(dòng)化流量檢測(cè)的重點(diǎn)研究對(duì)象。傳統(tǒng)計(jì)量工具往往只能對(duì)流體的單個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并顯示，本設(shè)計(jì)采取STM32 芯片和FPGA 芯片為控制核心，對(duì)流體的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，滿足用戶(hù)對(duì)多個(gè)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行綜合分析的需要，同時(shí)單片機(jī)和FPGA 的優(yōu)缺互補(bǔ)保證測(cè)量的較高精度。

對(duì)于流體各參數(shù)測(cè)量的方法有多種，如電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等測(cè)體積流量；利用熱量、馬格努斯效應(yīng)、角動(dòng)量等測(cè)量質(zhì)量流量；振動(dòng)式密度計(jì)、浮子式密度計(jì)、超聲波密度計(jì)等測(cè)量密度。本文選用超聲波技術(shù)對(duì)三個(gè)參數(shù)分別用相應(yīng)的方法進(jìn)行測(cè)量，超聲波技術(shù)測(cè)量精度較高、測(cè)量范圍較廣，且安裝較靈活。超聲波是指振動(dòng)頻率高于20KHZ 的機(jī)械振動(dòng)，其本身具有指向性好、能量集中、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，且有光的反射、折射的特點(diǎn)，從測(cè)量方法上相比較，超聲波測(cè)量技術(shù)不同被測(cè)介質(zhì)直接接觸，不受介質(zhì)的溫度、氣壓等參數(shù)的影響，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量的非接觸性和連續(xù)性。

本文采用STM32和FPGA的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及顯示系統(tǒng)，通過(guò)安裝在系統(tǒng)中的換能器實(shí)現(xiàn)對(duì)體積流量、密度和質(zhì)量流量參數(shù)的測(cè)量，并直觀地顯示在顯示屏上，使得流體參數(shù)的測(cè)量更加靈活、精確、方便。

1 多參數(shù)超聲波流量計(jì)工作原理

1.1 測(cè)量原理

傳播速度差法、多普勒法等是超聲波流量計(jì)常用的測(cè)量方法。本流量計(jì)采用傳播速度差法中的時(shí)差法，如圖1 所示，在流體中，當(dāng)上下兩個(gè)換能器各自發(fā)射超聲波時(shí)，聲波與流體將會(huì)形成順流和逆流兩種現(xiàn)象，利用兩種情形產(chǎn)生的傳播時(shí)間差來(lái)計(jì)算流體的速度和體積流量，之后利用超聲波的速度與、密度之間的關(guān)系計(jì)算流體密度值，對(duì)于質(zhì)量流量，通過(guò)計(jì)算體積與密度的乘積可得。

圖1： 時(shí)差法測(cè)量原理

1.2 體積流量測(cè)量

圖1 中，超聲波從換能器1 傳播到換能器2 是順著液體流向傳播，傳播時(shí)間為t，超聲波從換能器2 傳播到換能器1 則為逆流傳播，傳播時(shí)間為t。設(shè)超聲波的靜水速度為c，流體流速為v，流體管道的直徑為D，2 個(gè)超聲波換能器與流體流動(dòng)方向的夾角為θ，則有：

1.3 流體密度測(cè)量

對(duì)于液體介質(zhì),超聲波幾乎只以縱波的形式傳播，且在傳播距離一定時(shí)，超聲波傳播時(shí)間與液體的密度具有一定的相關(guān)性。 超聲波在介質(zhì)中傳播速度用c 表示，它是單位時(shí)間內(nèi)超聲波等相位面所通過(guò)的距離。超聲波在液體中的速度與液體的密度存在以下關(guān)系：

1.4 質(zhì)量流量測(cè)量

質(zhì)量流量測(cè)量方式主要有直接式和間接式兩種。本設(shè)計(jì)采用間接式的測(cè)量方法，基于已測(cè)得的體積和密度，利用質(zhì)量、體積和密度三者關(guān)系計(jì)算可得質(zhì)量流量為：

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

由參數(shù)測(cè)量原理中各參數(shù)的表達(dá)式可得，在管道直徑D、夾角θ 已知的情況下，只需測(cè)得超聲波的順流傳播時(shí)間t和逆流傳播時(shí)間t，便可求得流體的體積流量、密度及質(zhì)量流量三個(gè)參數(shù)，因此本方案設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮對(duì)時(shí)間的測(cè)量。

2.1 聲道選擇

根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類(lèi)型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計(jì)。單聲道指僅由一對(duì)換能器組成的聲道，單聲道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但其對(duì)流體形態(tài)分布變化的適應(yīng)性較差，測(cè)量結(jié)果的精度不容易控制。多聲道是指多對(duì)超聲波換能器工作時(shí)，超聲波的發(fā)射接收路徑構(gòu)成多個(gè)超聲波通道，綜合各聲道測(cè)量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計(jì)相比，多聲道流量計(jì)對(duì)流體參數(shù)因不同分布引起的變化適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)量精度更高。

工業(yè)生產(chǎn)中，既要考慮超聲波流量計(jì)的精度，又要考慮超聲波流量計(jì)的生產(chǎn)成本。而每增加一個(gè)聲道，雖然精度會(huì)有所提高，但是成本也不可避免的增加。一般的，單聲道超聲波流量計(jì)的精度在1.0%左右，三聲道的精度在0.4%左右，五聲道的精度可以達(dá)到0.3%左右。常見(jiàn)的多聲道一般是雙聲道、四聲道、六聲道等。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)聲道數(shù)量超過(guò)四個(gè)后，測(cè)量精度并不會(huì)明顯提高，結(jié)合設(shè)計(jì)成本、設(shè)計(jì)難度、硬件電路等多方面因素，本文選用四聲道測(cè)量，采用如圖所示的交叉布置換能器。共安裝四對(duì)超聲波換能器，每一個(gè)換能器不僅能發(fā)射超聲波，也能接收超聲波，根據(jù)時(shí)差法每個(gè)聲道可測(cè)得一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括順流數(shù)據(jù)和逆流數(shù)據(jù)，因此根據(jù)每對(duì)超聲波都可單獨(dú)計(jì)算得出一個(gè)體積流量數(shù)據(jù)。如圖2，換能器兩兩平行，每對(duì)換能器安裝時(shí)與流動(dòng)方向之間角度和兩個(gè)換能器的距離相同，每對(duì)換能器間超聲波發(fā)送會(huì)形成通道，圖中將此通道表示為灰黑色陰影，管道外部黑色部分為換能器，數(shù)字為換能器標(biāo)號(hào)，相同標(biāo)號(hào)的換能器為一對(duì)。按照如此方式的換能器放置，每對(duì)工作參數(shù)（θ、D）相同，測(cè)得的數(shù)據(jù)無(wú)需加權(quán)平均，直接計(jì)算平均時(shí)間來(lái)減少誤差即可。此種換能器放置方式可以多角度測(cè)量流量，減少了液體上下方位流速不同產(chǎn)生的誤差。

圖2： 四聲道超聲波流量計(jì)換能器放置

2.2 存儲(chǔ)控制系統(tǒng)選擇

本設(shè)計(jì)的多聲道測(cè)量要求對(duì)來(lái)自各聲道的多路超聲波信號(hào)同時(shí)采集，因此數(shù)據(jù)采集的速度和同步性直接影響著超聲波檢測(cè)的精度和可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA（Field-Programmable Gate Array）是在CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，編程靈活性高，內(nèi)部有大量的觸發(fā)器以及I/O 管腳，并行處理速度快，STM32 系列單片機(jī)功耗低、成本低，且指令集精簡(jiǎn)；STM32 與FPGA 相結(jié)合可以將性能互補(bǔ)，降低硬件電路的復(fù)雜程度，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多通道超聲波數(shù)據(jù)的同步采集，且可以提高采集的數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性。

通過(guò)FPGA 和AD9754 配合的方式產(chǎn)生高精度的正弦波激勵(lì)信號(hào)，將功率進(jìn)行放大后再去激勵(lì)超聲波換能器，超聲波換能器的信號(hào)收發(fā)形式可由繼電器切換開(kāi)關(guān)切換，超聲波順流以及逆流傳播之間的時(shí)間差由CPLD 內(nèi)部的高精度計(jì)時(shí)器來(lái)記錄。

2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

綜上，本流量計(jì)采用以STM32 與FPGA 為核心控制器件的設(shè)計(jì)方案。如圖3 所示，方案分為幾大主要模塊：信號(hào)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊。其中信號(hào)采集模塊包括A/D 轉(zhuǎn)換電路以及在將信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換前的調(diào)理電路，信號(hào)的調(diào)理包括將信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。數(shù)據(jù)處理模塊主要為FPGA 芯片、換能器驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后送入處理模塊進(jìn)行處理。單片機(jī)控制模塊主要為STM32 芯片和按鍵電路，單片機(jī)控制FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送入STM32，由其送入顯示電路進(jìn)行顯示。按鍵電路可以實(shí)現(xiàn)顯示屏的清空，參數(shù)顯示選擇等。

圖3： 總體方案結(jié)構(gòu)圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)電路組成及工作流程如圖4 所示。信號(hào)采集模塊主要由濾波電路、放大電路、AD 轉(zhuǎn)換電路組成。信號(hào)處理模塊主要由FPAG 芯片、AD9754 電路、DA 轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路和通道切換電路組成。單片機(jī)控制模塊主要由STM32 芯片、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和按鍵電路組成。顯示模塊主要為L(zhǎng)CD 顯示屏。

圖4： 硬件電路工作流程圖

具體工作過(guò)程如下:超聲波換能器分為A、B 兩組，四對(duì)換能器中的每一對(duì)換能器的其中一個(gè)組成一組；通道的選擇、換能器超聲波的發(fā)送與接收由FPGA 控制，當(dāng)STM32單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)采集信號(hào)時(shí)，由于多個(gè)通道產(chǎn)生多路信號(hào)，F(xiàn)PGA 首先進(jìn)行通道選擇，之后和AD9754 電路共同產(chǎn)生高精度正弦信號(hào)激勵(lì)換能器發(fā)送或接收超聲波，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大后送入A/D 轉(zhuǎn)換電路，F(xiàn)PGA 同時(shí)需要控制AD 芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；將多路信號(hào)采集緩存后送入單片機(jī)，STM32 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出結(jié)果送入LCD 顯示，LCD 由STM32 控制，按鍵電路接入STM32，按鍵按下可控制參數(shù)的顯示。

本設(shè)計(jì)未采用FPGA 內(nèi)部的正弦信號(hào)發(fā)生器，為獲得較高精度正弦波信號(hào)，在STM32 將激勵(lì)信號(hào)的信息送給FPGA 后，對(duì)FPGA 進(jìn)行設(shè)置，使其輸出離散信號(hào)，AD9754 將這些離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的正弦信號(hào)，然后利用濾波器將信號(hào)中的分量濾除以得到光滑正弦波曲線。在換能器分組方面，如圖2，假設(shè)液體從上方進(jìn)入，A 組為側(cè)視圖1 中的上方的4 個(gè)換能器，B 組為下方的4 個(gè)換能器。A 組換能器發(fā)送超聲波B 組接收時(shí)，超聲波順流傳播，反之則逆流傳播，如此，在進(jìn)行通道控制時(shí)可通過(guò)控制A、B 組換能器工作來(lái)控制順流、逆流時(shí)間的測(cè)量。

4 軟件部分

4.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要對(duì)FPGA 和STM32 進(jìn)行編程控制，軟件流程圖如圖5。系統(tǒng)上電后，對(duì)FPGA、STM32、LCD 等進(jìn)行初始化，包括各芯片參數(shù)清零、時(shí)鐘設(shè)置以及系統(tǒng)自檢。之后由STM32 發(fā)出數(shù)據(jù)采集信號(hào)，控制FPGA 工作，F(xiàn)PGA控制通道，進(jìn)行順流時(shí)間和逆流時(shí)間測(cè)量，將其分別保存到FPGA 內(nèi)部的兩片SDRAM 中，之后數(shù)據(jù)送入STM32 中進(jìn)行時(shí)間差、積的計(jì)算，根據(jù)第一節(jié)所介紹各參數(shù)測(cè)量原理對(duì)STM32 編程計(jì)算各參數(shù)，結(jié)果送入LCD 顯示子程序顯示。

圖5： 軟件程序流程圖

4.2 測(cè)量精度

首先本設(shè)計(jì)采用的FPGA 芯片，其內(nèi)部具有高精度的CPLD 計(jì)時(shí)器，在計(jì)時(shí)方面的精度已經(jīng)得到了保證；其次，在進(jìn)行超聲波驅(qū)動(dòng)時(shí)，本設(shè)計(jì)采用AD9754 芯片以及濾波電路來(lái)產(chǎn)生光滑的正弦激勵(lì)信號(hào)，以此來(lái)保證超聲波波形的高頻穩(wěn)定。再接著與時(shí)間測(cè)量相關(guān)則是時(shí)間采樣，采樣包括超聲波的頻率以及A/D 轉(zhuǎn)換芯片的精度，而A/D 轉(zhuǎn)換分辨率越高、超聲波信號(hào)頻率越高，測(cè)量的超聲波傳播時(shí)間精度越高。FPGA 高速計(jì)算緩存的性能將超聲波的高頻率得以保存，因此本設(shè)計(jì)采用較高精度的A/D 轉(zhuǎn)換芯片來(lái)進(jìn)行采樣即可保證較高精度的測(cè)量時(shí)間。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA 和STM32 為主要控制的四聲道多參數(shù)超聲波流量計(jì)。該流量計(jì)根據(jù)時(shí)差法測(cè)量原理測(cè)得體積流量，然后根據(jù)密度、質(zhì)量流量與體積流量關(guān)系計(jì)算得出各參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用的四聲道設(shè)計(jì)雖降低了不同位置、單一參數(shù)的誤差度，但由于各通道在進(jìn)行超聲波發(fā)射時(shí)交于一點(diǎn)，各信號(hào)間會(huì)產(chǎn)生干擾而降低測(cè)量的準(zhǔn)確性，但此種方式簡(jiǎn)化了軟件部分的算法。FPGA 芯片、AD9754 以及高精度的芯片可使得測(cè)量保持較高的精度，但未考慮溫度的影響，結(jié)構(gòu)的可靠性有待提高。