基于ARM和FPFA的超声波流量计系统优化

发布时间：2021-03-22

　　摘要：超声波流量计是目前应用较广泛的一种流量计量设备，它以非接触方式进行流量计量，具有良好的应用前景。设计了一种基于ARM和FPGA的超声波流量计系统，以MSP430FG4618和XC2C32A为控制核心，超声波换能器接收信号经过处理后利用低功耗电压比较器MAX9202转换成数字信号，再传输给XC2C32A。为了防止因流体温度过高对传感器的性能造成影响，样机中设计了温度测量电路进行进回水温度的测量，对系统进一步优化。

　　关键词：超声波流量计;温度测量;FPGA;低功耗

　　国内温度测量技术在不断发展，测量精度在不断提高，2004年文献[1]提出了以MAX1402、AT89C51和Pt500铂电阻设计的精密温度测量系统方案解决了基本的高精度问题，但是系统功耗大，精度不佳;2008年文献[2]选用铂电阻做为感温元件进行温度测量，克服了高精度温度测量时硬件电路中的一些难题，测温精度可达到±0.4℃;文献[3]于2009年对气象用标准铂电阻温度计的研制，标准不确定度优于0.03℃;文献[4]在2018年提出采用以负温度系数热敏电阻为核心的高精度测量方案，较好解决了高精度的问题，但是性价比不高，实施效果不佳，测温分辨率为0.01℃，测温准确度为0.1℃。与国外相比我国在温度测量方面还存在着很大的差距。目前国内公司生产的在高精度测温中应用广泛且地位重要的标准铂电阻的精度不够高，自主研制的测温仪器精度还有待提高。

　　1超声波流量计的工作原理

　　超声波流量计的测量的两大参数为流量测量和热量测量，其中流量的测量是根据超声波换能器对信号的发射与接收时间差来计算出的，热量是利用铂电阻测出进出水口的温度和已测得的流量计算而来。在实际应用过程中，如果流体温度超出传感器的使用温度范围，容易造成传感器的损坏或者大幅度缩短传感器的寿命，因此传感器安装点的流体温度必须在传感器的安装使用范围内。供回水管道安装PT100温度传感器，接入主机实现热量的测量。

　　1.1流量测量原理及方法

　　本系统采用时差法进行流量测量，超声波传感器采用Z法安装，其原理如图1所示，FPGA通过控制开关切换芯片来控制超声波传感器的发射与接收。

　　2超声波流量计的系统方案

　　本文对超声波流量表进行了整体硬件框架的设计，硬件系统的整体框图如图2所示，该系统主要由微控制器、FPGA、超声波收发电路、温度测量电路以及键盘、显示电路几部分构成。选择M430FG4618作为系统的微控制器，与FPGA一起实现系统的时序控制，对其他模块起到协调控制功能。FPGA作为时间差测量的主控芯片可以使系统具有设计灵活、现场可编辑、调试简单等优点。超声波收发模块主要利用超声波传感器进行信号的发射和接收。温度测量模块主要由温度传感器PT100和74HC4052进行进回水温度的测量。通信模块是利用RS-485总线通过串行方式与主芯片进行数据的传输，实现代码的调试和流量计工作情况的监视。利用键盘可以完成对系统参数的设置，通过LCD模块显示流体流速、流量等信息。

　　3温度测量原理设计

　　3.1温度测量方法

　　温度对换能器的影响因素主要包括换能器的谐振阻抗、静态电容、阻抗等[6]，所以温度的准确测量在流量计测量系统中至关重要。温度测量根据测量方式的不同可以分为接触式测量和非接触式测量，具体分类及优缺点如表1所示。

　　在工业应用中，配对温度传感器种类比较多，如热电偶、热敏电阻、数字温度传感器以及新型测温元器件等。其中铂电阻温度传感器因在中低温区域测量精度高广泛应用于超声波热量表的温度测量。常用的铂电阻类型有PT100、PT1000等，该设计中采用PT100铂电阻进行进出水口处温度的测量。PT100铂电阻的电阻计算公式为：

　　3.2温度测量模块设计

　　本系统采用铂电阻作为温度传感器进行进回水温度的测量，铂电阻传感器按照其结构可以分为两线制、三线制和四线制三种类型，主要的区别与联系如表2所示。本设计采用三线制铂电阻连接方式。

　　温度测量电路如图3所示，HC4052的T1、TX1和T2、TX2分别接进回水测温的铂电阻，三线制铂电阻测温电路由恒流源供电，电流通过第一片HC4052的13号脚进入四选一模拟开关，通道选择9号和10号引脚由微控制器控制，第二片HC4052的3号和13号脚是进回水铂电阻的电压输出端口，经过HC4052处理接电压放大电路最后输出至主控制器，计算出进回水的温度。

　　4测试结果分析

　　为了验证系统的正确性，我们选择标准温度值为15℃～70℃范围内进行进回水温度的测试，将测试的结果和标准值进行比较，并且计算出对应的测量误差。温度测试的结果如表3所示。

　　由表3可知该系统的测量值和实际值误差在-0.03℃～+0.02℃之内，误差波动性小，测量结果有一定的参考意义。

　　5结束语

　　该系统以MSP430FG4618和XC2C32A为主控，设计了一种基于FPGA高精度流量测量系统。同时设计了温度测量电路，该电路通过74HC4052开关控制，利用PT100为温度测量元件、采用三线制的连接方式实现了进回水温度的测量，由于该温度控制系统误差较小，温度测量误差控制在5%以内。该系统可以通过观察显示屏的温度参数，对进回水温度进行实时监测，保证了不会因为温度过高对传感器性能造成影响，从而影响流量计的测量结果，以确保整个测量系统具有较高的测量精度。——论文作者：薛朝霞汪功维

　　相关期刊推荐：《工业控制计算机》(月刊)创刊于1988年，由中国计算机学会工业控制计算机专业委员会、江苏省计算技术研究所有限责任公司主办。设有：综述、测控系统、软件与仿真、数据采集与通信、PLC与单片机应用、建筑智能化、交通智能化、经验交流等栏目。本刊经过10的余年建设，读者群涵盖电力、机械、石化、冶金、交通、通信、轻工、医药、智能建筑、仪器仪表等多个领域，成为国内知名的专业技术期刊之一，得到了广大工控、自动化界人士的认可。本刊适合从事工业控制、自动化仪器仪表应用、开发、研究的企业技术管理人员、科研院所研究人员及高校师生。