[发明专利]一种高精度四声道气体超声波流量变送器

权利要求书

1.一种高精度四声道气体超声波流量变送器，由两路驱动信号生成与放大电路、两路回波信号调理与采集电路、DSP最小系统、FPGA最小系统、发射/接收信号通道切换电路、电源管理模块、人机接口和串口通讯模块以及FGPA软件和DSP软件组成；其特征在于：

所述驱动信号生成和放大电路由高速DAC转换电路，驱动信号电压放大电路、功率放大电路和变压器放大电路组成；驱动信号生成与放大电路实现驱动信号的数模转换、电压放大、功率放大和变压器隔离放大；

所述回波信号调理与采集电路由电压放大电路、带通滤波电路、自增益放大电路、单端转差分电路、高速ADC转换电路组成；回波信号调理与采集电路实现回波信号的电压放大、带通滤波、自增益放大、单端转差分和模数转换；

所述发射/接收信号通道切换电路由驱动信号选通电路和回波信号选通电路组成；其中，驱动信号选通电路根据FPGA给出的控制信号选通对应的发射换能器，回波信号选通电路根据FPGA给出的控制信号选通对应的接收换能器；

所述FPGA芯片用于暂存回波信号调理与采集电路传送来的转换码值，当延迟时间到达后，传输至DSP芯片；所述DSP芯片为主控芯片，负责数字信号处理以及人机交互、串口通讯，并且与FPGA配合完成整个系统的时序控制；DSP芯片采用零相位滤波消除信号中混杂的噪声，采用跟踪回波信号最大峰值的可变阈值过零检测方法，提取特征波，计算超声回波的传播时间，进而获得气体流量；

采用双发双收、激励换能器和回波信号处理分离的模式，实现了四声道气体超声波流量计两路换能器的同时激励和两路回波信号的同时采集，缩短了各个通道间的激励时刻，提高了系统的实时性和测量精度，符合工业现场应用的需求；

所述两路相同的驱动信号生成与放大电路，分别由高速DAC转换电路、电压放大电路、功率放大电路和变压器放大电路组成；高速DAC电路将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号；电压放大电路对DAC输出的信号进行I/V转换并将转换得到的电压信号放大6.1倍；功率放大电路将上级输出信号的电压幅值同相放大2倍，同时，极大地提高了上级输出信号的电流输出能力；变压器放大电路将上级输出信号电压放大10倍，实现驱动信号的双发；

所述两路相同的回波信号调理和采集电路，分别由电压放大电路、带通滤波电路、自增益放大电路、单端转差分电路和高速ADC转换电路组成，经过回波信号选通电路的回波信号输入到电压放大电路，同向放大11倍；电压放大电路的输出信号输入至带通滤波电路，进行4阶带通滤波；带通滤波电路的输出信号输入至自增益放大电路，对回波信号的幅值进行自增益控制；自增益放大电路的输出信号输入至单端转差分电路，形成两路差分信号，输入至高速ADC转换电路，高速ADC转换电路将模拟信号转换为数字信号，实现回波信号的双收；

在所述发射/接收信号通道切换电路中，所述驱动信号选通电路，由SW1、W1、R145、R153、R149、TP10、D26和D22组成；SW1为固态继电器；W1为换能器A的连接端；R145为换能器两端并联电阻；R153为固态继电器控制端的限流电阻；R149为固态继电器高压侧的限流电阻；D26和D22为回波信号输出双向钳位二极管，防止回波信号选通电路被高压击穿；TP10为测试点；采用继电器在高压侧选通驱动信号减少了通道间的串扰；

所述回波信号选通电路，由4个低阻抗单刀单掷开关U26、U27、U28、U29，下拉电阻R174、R175、R179、R180、R184、R185、R189和R190和连接电阻R172、R173、R176、R177、R178、R181、R182、R183、R186、R187和R188组成；R181断开时，可做双发双收模式；R181焊上时，可做单发单收模式；所述FPGA最小系统中，由大容量的型号为EP4CE10E22C8N FPGA芯片、FPGA芯片串行配置器电路FLASH EPCS4、FPGA芯片复位电路和时钟电路组成；

FPGA软件包括分频模块、ADC控制模块、RAM_2PROT模块、DAC控制模块、ROM模块、延迟模块、判稳模块以及通道切换模块；分频模块用于将外部输入的50MHz时钟信号调制为输出至高速ADC的5MHz采样时钟和DAC的20MHz工作时钟；ADC控制模块用于将高速ADC的转换码值搬运至FPGA芯片内部的RAM_2PORT模块；RAM_2PROT模块则用于存放高速ADC转换码值，当高速ADC的转换码值存储达到一定数量后，向DSP芯片发出“请求读取”信号，然后将存储的高速ADC转换码值按照一定的速率传输至DSP芯片；DAC控制模块用于将ROM模块中存储的波形数据传输至高速DAC，产生相应的激励波形；延迟模块用于控制在激励信号发出之后，经过预先设定的延迟时间，使能RAM_2PORT模块开始存储高速ADC的转换码值，用于延时切换驱动信号通道和回波信号通道；判稳模块用于判断FPGA收到的“开始测量”信号是否正常；通道切换模块用于按顺序切换驱动信号通道和回波信号通道；

变送器系统软件工作流程为：变送器上电之后，DSP芯片首先完成各个部分的初始化，然后，进入主监控程序，进行流量测量的循环；DSP向FPGA发送“开始测量”指令；DSP发出的指令经过FPGA判稳模块捕获后，使能DAC控制模块，控制ROM模块将波形数据发送至高速DAC电路，同时FPGA选通两对换能器；经过一段延时时间之后，外部的高速ADC转换电路依据FPGA提供的5MHz采样频率完成从模拟信号到数字信号的转换；两路回波信号数据被存储在FPGA内部的双口RAM中；然后，FPGA切换发射/回波信号选通通道，并将以上操作重复4次，得到8路回波信号数据，FPGA将内部的双口RAM空间中八路回波信号数据通过并口线传输至DSP；DSP获得回波信号后，调用内部的数字信号处理算法，计算出八路信号的传播时间，再加权得到流速信息；将以上过程循环五次，对这五次的流速信息进行平均，计算出瞬时流量，然后，对瞬时流量积分求得累积流量并且定时输出；

DSP软件由主监控程序和各个子程序模块组成；其中，子程序模块包括初始化模块、数据传输模块、中断模块、计算模块、FRAM读写模块、串口通讯模块、脉冲输出模块、看门狗模块以及液晶显示模块；

主监控程序的具体操作步骤如下：

(1)电路系统初始化

系统上电后，DSP执行初始化程序，包括外设配置和变量定义；外设配置包括对DSP的GPIO资源的分配和设置、SCI通信模块的配置、液晶显示的初始化、ePWM的初始化、定时器配置、中断向量表的配置和中断使能等；在变量定义环节中，定义流量计算需要的阈值、声道长度、声速、修正系数等参数；并且建立8个队列，每个队列由50个数据位组成，用于存放8个换能器接收到的超声波的传播时间；每当有一个新的传播时间数据进入时，每个队列首位的数据会被丢弃，新的传播时间数据加在队列的尾部；在后面的测量过程中，将根据这8个队列的数据，实时计算出四声道超声波流量计顺流和逆流的平均传播时间；

(2)等待FPGA芯片存储八路回波信号

DSP芯片向FPGA芯片发送“开始测量”信号；FPGA芯片立即使能内部的延时模块，并由DAC控制模块读取ROM模块中存储的激励信号的波形数据，传输至驱动信号生成和放大电路；再经由FPGA芯片控制的发射/接收信号通道切换电路，输出至直射式四声道结构的换能器A和换能器C、或者换能器B和换能器D、或者换能器E和换能器G、或者换能器F和换能器H，由换能器A和换能器C、或者换能器B和换能器D、或者换能器E和换能器G、或者换能器F和换能器H发出两路超声波；超声波经过一段渡越时间后，到达对应的接收换能器；由换能器E和换能器G、或者换能器F和换能器H、或者换能器A和换能器C、或者换能器B和换能器D接收超声波，形成两路回波信号；由FPGA芯片控制的发射/接收信号通道切换电路接收由换能器发出的回波信号，并输入至回波信号调理和采集电路；由回波信号调理和采集电路中的高速ADC完成数据转换；并将高速ADC的转换码值存放于FPGA芯片内部的RAM_2PORT模块；

所述八路换能器激励与八路回波信号数字信号处理相分离的模式如下：将以上步骤重复4次，同时FPGA通过改变IO口的输出状态，按顺序切换不同的发射换能器和接收换能器，切换顺序为：换能器A和换能器C发射，换能器E和换能器G接收；换能器E和换能器G发射，换能器A和换能器C接收；换能器B和换能器D发射，换能器F和换能器H接收；换能器F和换能器H发射，换能器B和换能器D接收；所述八个超声换能器形成四个声道，分别是换能器A与换能器E，记为声道1；换能器B与换能器F，记为声道2；换能器C与换能器G，记为声道3；换能器D与换能器H，记为声道4；所述声道1和声道4的声道长度较短，所述声道2和声道3的声道长度较长；循环4次后，就得到了8路回波信号，并按照顺序存储至FPGA芯片内部的RAM_2PORT模块，当延时时间到达后，通过拉高设定的DSP芯片的GPIO端口，告知DSP芯片可以开始读取数据；

(3)复制数据

DSP芯片检测到设定的端口的高电平后，首先将存放在FPGA芯片内部的RAM_2PORT模块中的一路回波信号数据复制到DSP芯片的片内RAM中，DSP芯片对其进行数字信号处理；

(4)DSP芯片对数据进行处理，计算超声波的传播时间；

DSP芯片首先对回波信号进行带通滤波，再对滤波后的回波信号进行幅值归一化处理，寻找到相应的特征波，再找到特征波之后的8个过零点；超声波的传播时间T可通过式(1)求得：

式中，τ_i(i＝1,2,3…8)为过零点时间，t′为一个固定的偏差值，在零流量的情况下计算得到该偏差值；

(5)计算瞬时流量

将步骤(3)～(4)重复8次，就完成了四声道顺流和逆流传播时间的测量，并将这8个传播时间分别放入步骤(1)中所建立的8个队列中；

执行5次这样的测量，计算出四声道顺流和逆流的平均传播时间t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈后；声道1和声道4的瞬时流量Q₁可由式(2)求得，声道2和声道3得到的瞬时流量Q₂可由式(3)求得；

式中，L₁为声道1和声道4的声道长度，L₂为声道2和声道3的声道长度，θ₁为声道1和声道4的声道角的角度，θ₂为声道2和声道3的声道角的角度，所述声道角为超声波传播路径与管道轴线之间的夹角；D为管道直径；φ为线速度到面速度的转换参数，通过标定实验得到；

在计算仪表的瞬时流量时,Q₁所占比重为0.2764，Q₂所占比重为0.7236；瞬时流量Q的计算公式为

Q＝0.2764×Q₁+0.7236×Q₂ (4)

(6)计算累积流量

在得到瞬时流量后，由DSP芯片的内部定时器1的中断服务程序计算累积流量，每隔1秒钟累积一次；定时器中断服务程序首先读取主监控程序计算的瞬时流量结果，并累加得到累积流量；再根据瞬时流量的值更新脉冲输出模块的参数，输出一定频率的脉冲，表示测得的瞬时流量；然后，将定时器时间标志置为1，以便在主监控程序中更新液晶显示以及进行上位机通信。