一种高精度四声道气体超声波流量变送器制造技术

一种高精度四声道气体超声波流量变送器，由发射/接收信号通道切换电路、两路驱动信号生成和放大电路、两路回波信号调理与采集电路、FPGA最小系统、DSP最小系统、人机接口、串口通讯、电源管理模块以及FPGA软件和DSP软件组成，采用同时激励两路换能器和同时接收两路回波信号的双发双收模式、采用八路换能器激励与八路回波信号数字信号处理相分离模式。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度四声道气体超声波流量变送器
本专利技术涉及流量测量领域，为一种气体超声波流量变送器，特别是一种采用同时激励两路换能器和同时接收两路回波信号的双发双收模式、采用八路换能器激励与八路回波信号数字信号处理相分离模式的四声道气体超声波流量变送器。
技术介绍
气体超声波流量计(又称气体超声流量计)具有测量精度高、无压损、量程比大、适用于大口径等优点而被广泛地应用于天然气流量测量领域。气体超声波流量计由一次仪表和二次仪表组成，一次仪表包括气体超声波换能器、流量管和安装部件。二次仪表(又称变送器)包括驱动信号生成和调理部分、回波信号调理和数字处理部分、人机交互部分和软件。合肥工业大学研制了双声道气体超声波流量计(徐科军，方敏，汪伟，朱文姣，沈子文。一种基于FPGA和DSP的气体超声流量计，申请中国专利技术专利，公开号CN104697593A，申请日2015.06.10)。双声道气体超声波流量计由一次仪表和二次仪表组成，一次仪表包括气体超声换能器和传感器单元；二次仪表包括发射/接收信号通道切换电路、驱动信号生成与放大电路、回波信号调理与采集电路、FPGA最小系统、DSP最小系统、人机接口、串口通讯、电源管理模块以及FPGA和DSP的软件。其特征如下：(1)一次仪表由四个换能器A、B、C、D、压力传感器和温度传感器组成，四个换能器成X型分布方式，即形成两个对射式(又称直射式)的声道，换能器A和B组成一个声道，换能器C和D组成另外一个声道。(2)采用单发单收的工作模式，其工作过程为：换能器A作为发射换能器，发射超声波信号，换能器B作为接收换能器，接收超声波信号并产生回波信号；DSP对接收到的回波信号进行数字信号处理；处理完成后，再开始激励下一个换能器和处理下一路回波信号。在一次测量周期中依次激励四个换能器和处理四路回波信号。这样，在整个测量过程中数字信号处理耗时较长，因此，每个通道的激励时刻也间隔时间较长。当流体流速变化较快时，在一个测量周期内，不同声道间测得的气体流量线速度会存在偏差，导致采用线速度加权去求得平均面速度时存在误差。(3)发射信号通道切换电路包括四路驱动信号选通电路。驱动信号选通电路位于变压放大电路之前，并采用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)对驱动信号进行选通，其通道切换控制信号与驱动信号采用共地接法，没有进行隔离。在MOSFET关断的情况下，漏极和源极之间并非完全断开，而是存在一个大电阻，因此，仍然会有一定的漏电流流过。由于驱动信号放大电路与4路驱动信号选通电路同时相连，因此，当某一通道被选通工作时，激励信号会通过漏电流而影响到其它通道。
技术实现思路
为了提高仪表的测量精度，增强系统的抗干扰能力，本专利技术提供了一种高精度四声道气体超声波流量变送器。一种高精度四声道气体超声波流量计由一次仪表和二次仪表(又称变送器)组成。所述一次仪表由八个气体超声换能器、流量管和安装部件组成。所述八个气体超声换能器分别固定在流量管上；每个换能器既可作为发射换能器，又可作为接收换能器。所述二次仪表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(数字信号处理器)最小系统、FPGA(现场可编程门阵列)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、串口通讯模块以及FPGA软件和DSP软件组成。所述驱动信号生成与放大电路由高速DAC(数模转换器)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。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、单端转差分电路和高速ADC(模数转换器)转换电路组成。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。所述DSP最小系统由DSP芯片TMS320F28335、时钟电路、外部看门狗和FRAM(铁电存储器)组成。所述FPGA最小系统由FPGA芯片EP4CE10E22C8N、FPGA芯片串行配置器电路FLASHEPCS4、FPGA芯片复位电路和时钟电路组成。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。所述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。所述DSP软件由主监控程序和各个子程序模块组成。所述主监控程序为总调度程序，所述各个子程序模块为初始化模块、看门狗模块、FRAM读写模块、串口通信模块、数据传输模块、脉冲输出模块、中断模块、计算模块和液晶显示模块；主监控程序通过调用各个子程序模块实现所述气体超声流量计的各项功能。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(通用输入输出)口资源的分配和设置、SCI(串行通信接口)通信模块的配置、液晶显示的初始化、ePWM(增强型脉冲宽度调制)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(以下简称传播时间)；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，传输至两路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，并输入至两路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(又称双口RAM)模块。将上述过程重复4次；在每次重复时，FPGA通过改变I/O(输入/输出)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，换本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(数字信号处理器)最小系统、FPGA(现场可编程门阵列)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：所述驱动信号生成与放大电路由高速DAC(数模转换器)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；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、单端转差分电路和高速ADC(模数转换器)转换电路组成；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；所述DSP最小系统由DSP芯片TMS320F28335、时钟电路、外部看门狗和FRAM(铁电存储器)组成；所述FPGA最小系统由FPGA芯片EP4CE10E22C8N、FPGA芯片串行配置器电路FLASHEPCS4、FPGA芯片复位电路和时钟电路组成；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。...

【技术特征摘要】
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(数字信号处理器)最小系统、FPGA(现场可编程门阵列)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：所述驱动信号生成与放大电路由高速DAC(数模转换器)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；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、单端转差分电路和高速ADC(模数转换器)转换电路组成；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；所述DSP最小系统由DSP芯片TMS320F28335、时钟电路、外部看门狗和FRAM(铁电存储器)组成；所述FPGA最小系统由FPGA芯片EP4CE10E22C8N、FPGA芯片串行配置器电路FLASHEPCS4、FPGA芯片复位电路和时钟电路组成；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。2.根据权利要求1所述的一种高精度四声道气体超声波流量变送器，其特征在于：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，由固态继电器SW1、W1、R145、R153、R149、TP10、D26和D22组成；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。3.根据权利要求1所述的一种高精度四声道气体超声波流量变送器，其特征在于：所述FPGA最小系统中，FPGA芯片的型号为EP4CE10E22C8N；FPGA芯片串行配置器电路型号为FLASHEPCS4；FPGA芯片复位电路由电阻R111、R112、R113、C96、二极管D2和按键组成；时钟电路由U9、L4、C82、C97、R115、U7F组成；FPGA芯片由U7D、U7B、U7C、U7A、U7E、U7F组成。4.根据权利要求1所述的一种高精度四声道气体超声波流量变送器，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种高精度四声道气体超声波流量变送器，其特征在于：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(通用输入输出)资源的分配和设置、SCI(串行通信接口)通信模块的配置、液晶显示的初始化、ePWM...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，李剑波，沈子文，田雷，穆立彬，刘博，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34