[发明专利]一种基于FPGA和DSP的气体超声流量计

摘要

一种基于FPGA和DSP的气体超声流量计，由气体超声换能器和传感器单元、发射/接收信号通道切换电路、驱动信号生成和放大电路、回波信号调理与采集电路、时序控制与信号处理电路、人机接口、串口通讯和电源管理模块组成，采用跟踪回波信号最大峰值的可变阈值过零检测方法，计算超声回波的传播时间，进而获得气体流量。

主权项

一种基于FPGA和DSP的气体超声流量计变送器，其特征在于：由气体超声换能器和传感器单元、发射/接收信号通道切换电路、驱动信号生成和放大电路、回波信号调理与采集电路、时序控制与信号处理电路、人机接口、串口通讯和电源管理模块组成；所述气体超声换能器和传感器单元由四个换能器、压力传感器和温度传感器组成，所述四个换能器、压力传感器和温度传感器分别固定在输送气体的管道上；每个换能器既为发射换能器，又为接收换能器；所述发射/接收信号通道切换电路由激励选通电路、变压器放大电路和四个回波选通电路单元组成；四个回波选通电路单元为相同结构的电路单元，且分别与四个换能器对应连接；所述激励选通电路包括四个双极性运放U3A、U3B、U3C和U3D；所述变压器放大电路由变压器T1、T2、T3和T4组成，且匝比均为1:10；所述回波选通电路由双路低阻抗单刀单掷开关U4、电阻R47、R48、R49和R50组成；每个回波选通电路单元由双路低阻抗单刀单掷开关U4、电阻R47、R48、R49和R50组成，双路低阻抗单刀单掷开关U4的IC1端口和NIC1端口为DSP输出的一个换能器的选通信号和关断信号；当IC1置高时，选通S1和D1，即将COM1接入后续的回波信号调理和采集电路；其中的JUMP1为调试端口；电阻R48、R49、R50为下拉电阻；被选通的回波信号经由电阻R47输出至后续电路；所述驱动信号生成和放大电路由高速DAC信号产生与输出电路，驱动信号电压放大和功率放大电路组成；所述高速DAC信号产生与输出电路由双路差分线路驱动器U2、电阻R2、R9、R5、R7、R10、R12、R14、R16、R18、R20、R22、R24、R25、电容C11、C12、C13、C14、C18、C20和C21组成；高速DAC信号产生与输出电路将经过抑制反射和振荡的高速电流信号输出；所述驱动信号电压放大和功率放大电路由低噪声高速运放U1、电阻R13、R14、R15、R16、R17、R22、R27、R28、R29、R30、R31、R32、R33、R35、R44、电容C25和C26组成；双路差分线路驱动器U2实现两路输出，进一步增强了功率放大能力；经过电压放大和功率放大的驱动信号最终向下级传输；所述回波信号调理与采集电路由电压放大电路、带通滤波器电路、自增益控制电路、单端信号转差分信号电路、偏置电路和高速ADC信号采集与转换电路组成；所述回波信号调理与采集电路中，所述电压放大电路由低噪声高速运放U10、电容C98、C100、电阻R59、R63、R64、R77、R81、R78、R83组成，其中电阻R77、R81和低噪声高速运放U10构成反相放大电路；其中电阻R78、R83和低噪声高速运放U10构成同相放大电路；所述带通滤波器电路由4阶连续时间有源滤波器U8、电阻R60、R62、R66、R67、R71、R72、R74和R75组成；通过改变外围电容C99、电阻R57、R60、R65、R66、R71、R74、R62、R67、R72和R75即可改变该滤波器的中心频率、带宽、品质因数和增益参数；通过电阻R65将经过前端调理的回波信号引入该滤波器，电阻R57和电容C99共同构成高通滤波器；所述自增益控制电路由高增益宽范围可调增益放大器U9、低功耗宽范围运放U12、低噪声高速运放U7、电阻R55、R56、R76和R68组成；U7及其外围电阻R55、R56构成同相放大器；电阻R76为下拉电阻，电阻R68为0ohm连接电阻；回波信号的自增益通过U9和U10及其外围分立器件搭建的负反馈结构实现；所述单端信号转差分信号电路由低失真差分ADC驱动器U13、电阻R95、R96、R94、R93、R100、R98、R102、R104、电容C105、C111组成，其中电阻R95、R96、C105、R94、R93和电阻R100、R98、C111、R102、R104保持对称，其中电阻R94、C105和R102、C111分别构成一阶低通滤波；Vocm为共模输入电压；所述偏置电路由普通低噪声运放U15、电阻R99和R101组成；所述高速ADC信号采集和转换电路由高速ADC芯片U1、电阻R1、R27、R28、R29、R35、R37、R48、电容C15、C16、C17、C19、C22、C23、C24、C25组成；所述回波信号调理与采集电路将ADC驱动器U13的转换结果输出至所述时序控制与信号处理电路中的FPGA电路系统；所述时序控制与信号处理电路由FPGA电路系统和DSP电路系统组成，其中，FPGA电路系统主要由FPGA芯片、FPGA芯片串行配置器电路，以及FPGA芯片复位和配置按键电路组成；DSP电路系统主要由DSP芯片和DSP芯片引导模式选择电路组成；所述时序控制与信号处理电路中，所述FPGA电路系统中，FPGA芯片的型号为EP2C8Q208C8N；FPGA芯片串行配置器电路由Flash型串行配置器U8构成；FPGA复位和配置按键电路由电阻R111、R112、R113、电容C96、二极管D2和按键组成；FPGA芯片由U7A、U7B、U7C、U7D、U7E共同构成；所述DSP电路系统中，DSP芯片的型号为TMS320F28335；DSP芯片引导模式选择电路由电阻R49、R50、R51、R52、R53、R54、R55和R56组成；工作时，DSP芯片向FPGA芯片发送“开始测量”的信号，FPGA芯片立即使内部的延时电路，同时调用FPGA芯片中存储的波形数据，传输至驱动信号生成和放大电路，再经由DSP芯片控制的发射/接收信号通道切换电路输出至所述四个换能器，形成超声回波信号；由DSP芯片控制的所述发射/接收信号通道切换电路接收由四个换能器发出的超声回波信号，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；所述FPGA芯片用于暂存驱动信号生成和放大电路传送来的转换码值，当确定了延迟时间，并传输至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电路系统配合完成整个系统的时序控制；由DSP芯片采用数字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，计算超声回波的传播时间，进而获得气体流量。